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A Fotossíntese Parte 2: reações bioquímicas e a fixação de C Prof. José Bonomi Barufi Agradecimento especial à profa. Áurea M. Randi A Fotossíntese • 2 etapas: fotoquímica (etapa de fotofosforilações) e bioquímica (ou de fixação de CO2) • Reações fotoquímicas: mediadas por substâncias que estão ligadas às membranas dos cloroplastos. • Reações bioquímicas: ocorrem no estroma ou fase líquida dos cloroplastos. A Fotossíntese • CO2 +2 H2O + LUZ (CH2O) + O2 + H2O. • Para produzir uma molécula de glicose são necessários: 6CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. • Um mol de glicose contém 690Kcal de energia. • O O2 que as plantas liberam na atmosfera é proveniente das moléculas de água utilizadas no processo. • Na etapa fotoquímica, a energia da luz produz NADPH e ATP para a fixação de CO2 e produção de carboidratos pela etapa bioquímica. Equação Básica Transporte de elétrons e fosforilações Fluxo não cíclico: 6 e- da água resultam em 6ATP e 6NADPH Reações de carbono precisam de mais ATP do que NADPH Fotofosforilação cíclica • Mecanismo mais primitivo de fotossíntese – sem quebra de água, sem formar NADPH. Único produto é o ATP. Para onde vão o NADPH e o ATP produzidos nas reações fotoquímicas? • Descoberto entre 1946 e 1953, primeiro ciclo elucidado. • Universidade da Califórnia (Berkeley) por Melvin Calvin, Andrew A. Benson & James A. Bassham • Uso de suspensões de Chlorella. • Demais variações de fixação de C dependentes do CBB (p. ex. C4, CAM) Ciclo de Calvin, via fotossintética C3 ou redução fotossintética de carbono. • Aplicações de 14CO2. • Extração alcoólica a quente. • Autoradiografia dos cromatogramas de papel bidimensionais, dos extratos. • A maioria das plantas fixa CO2 durante o dia por meio deste ciclo. 3 fases no Ciclo de Calvin-Benson-Bassham • Carboxilação • Redução • Regeneração • 3) Regeneração, onde ocorre a regeneração do substrato, RUBP. • 2) Redução, onde ocorre formação de 3-PGALD (gliceraldeído-fosfato) • 1) Carboxilação, onde ocorre a absorção do CO2 • 1º composto estável do ciclo tem 3 carbonos. • Ácido 3 - fosfoglicérico ou 3 - fosfoglicerato (3-PGA). • Essa reação é exclusiva dos cloroplastos arroz trigo soja Metabolismo C3 1. Carboxilação: adição de uma molécula de CO2 em um composto de 5C (um açúcar chamado ribulose 1,5 bisfosfato (RuBP, RuDP) - Funciona apenas durante o dia. - Atua também como oxigenase. 1. Carboxilação: adição de uma molécula de CO2 em um composto de 5C (um açúcar chamado ribulose 1,5 bisfosfato (RuBP, RuDP) • Proteína mais abundante da terra • Crucial pra fixação de C • Fonte de energia para todos heterótrofos • Cadeias largas sintetizadas por cDNa e menores por nDNA 2. Redução: catalisada em duas etapas I. Fosforilação do 3-PG por ATP para formar 1,3-BPG II. Redução de 1,3-BPG por NADPH para formar G3P (trioses fosfato) (ADP e NADP+ retornam aos tilacóides) 3. Regeneração – Necessidade de várias reações que convertem triose-fosfatos em intermediários de 5C (Ru5P) – Ru5P fosforilado para gerar RuBP (gasto de ATP) • A cada 3 voltas, se forma uma molécula de G3P (triose-fosfato) • 3CO2 para 1C3H6O3 • 15C restantes permanecem no ciclo e são usados para produzir 3 moléculas de RuBP Conversão de C para amido ou sacarose • G3P transportado ao citoplasma e convertido em sacarose • G3P: no cloroplasto vira amido • Sacarose pode ser produzida a partir do amido de noite. • Reações envolvem formação de Pi 1) FASE DE CARBOXILAÇÃO MEDIADA PELA RUBISCO. • 6 CO2 + 6 RUBP (30 CARBONOS) (12 ) 3-PGA 2) FASE DE REDUÇÃO: • (12) 3-PGA + 12 ATP+12 NADPH (12) 3-PGALD (Gliceraldeído 3- fosfato ( 36 CARBONOS) 3) FASE DE REGENERAÇÃO: • (10 ) 3-PGALD ( 30 CARBONOS) + 6 ATPs 6 RUBP ( 30 CARBONOS) + uma glicose( 6 CARBONOS) Balanço energético para cada glicose formada: 6CO2 + 18ATP + 12NADPH 1 GLICOSE (C6H12O6) + 18ADP + 18Pi + 12 NADP + + 6O2 Relações energéticas na fotossíntese • Consumo de 1 Glicose libera 686 kcal de energia – diferença entre energia necessária para quebrar as ligações dos reagentes (glicose e oxigênio) e a energia liberada quando as ligações nos produtos (H2O e CO2) se formam • Fotossíntese de 1 mol de glicose requer entrada de 686 kcal de energia no sistema. • 24 ligações na glicose requerem 2182 kcal para serem rompidas / 6 ligações duplas nos O2 exigem 696 kcal: total de 2878 kcal necessárias para quebrar ligações na respiração celular • 6 CO2 inclui formação de 12 C=O, total 2244 kcal. 6H2O inclui formar 12 H-O, total 1320 kcal. Liberação do total de 3564 kcal • 2878 – 3564 = -696 kcal (energia que é removida do sistema) 4 e- necessários para reduzir 1 mol CO2 (custo redox de 1,24 eV) 4 mol x 1,25 eV x 1,6 x 10-19 JeV-1 x 6,02 x 1023 mol-1 = 47,77 x 104 J (115,1 kcal) Requerimento suprido com 4 mol de fótons de 700 nm (163,4 kcal) Entretanto, cerca de apenas 35% da energia absorvida é convertida em energia química (necessidade de 8 mol de fótons para reduzir 1 mol de CO2) 1 mol de glicose formado por adição de 6 CO2 requer 691,2 kcal C-H 98 kcal/mol O-H 110 kcal/mol C-C 80 kcal/mol C-O 78 kcal/mol H-H 103 kcal/mol C-N 65 kcal/mol O=O 116 kcal/mol C=C 145 kcal/mol C=O 187 kcal/mol Fotorrespiração Se há redução da fotossíntese, para que se manteve o processo de fotorrespiração durante a evolução? • Origem da Rubisco (2.5 Ba em cianobactérias) – Atm com muito CO2 e pouco O2 – Fotorrespiração não era problema – Fixação do mecanismo catalítico da enzima qdo O2 aumentou – se mudasse o sítio ativo e reduzisse a oxigenação, iria reduzir também a carboxilação – Evolução das vias fotorrespiratórias (plantas crescem melhor sob >[CO2] Cloroplasto catalase Interação entre mitocôndrias, cloroplastos e peroxissomos Fotorrespiração O2 consumido em dois pontos, no cloroplasto e no peroxissomo CO2 liberado na mitocôndria Fotorrespiração Redução na incorporação de CO2 (RUBISCO fixa o O2) Ocorre naturalmente: alto teor de O2 da atmosfera= 21%. Tanto em plantas terrestres com em aquáticas. Reação que ocorre em cloroplastos, peroxissomos e mitocôndrias. REAÇÕES NOS CLOROPLASTOS: RUBP+O2 3-PGA (3C) + fosfoglicolato (2C) glicolato REAÇÕES NOS PEROXISSOMOS: glicolato + O2 (H2O2)+glioxilato(2C) + NH2 glicina(2C) Peroxissomos possuem enzima catalase cristalina Transforma H2O2 em H2O e ½ O2 Enzima restrita aos peroxissomos que evita que a célula se intoxique por H2O2 REAÇÕES NAS MITOCÔNDRIAS: (2) glicina (2C)(1) serina (3C) + CO2 25% dos carbonos de glicolato são perdidos nas mitocôndrias. Fotorrespiração Mecanismos de concentração de C (CCMs) • Evitar fotorrespiração: I. Metabolismo C4 II. Metabolismo das Crassuláceas (CAM) III. CCMs em algas Em 1965, no Havaí, H.P. Kortschak, C.E. Hartt & G.O. Burr observaram que a cana de açúcar fixava CO2 em compostos de 4 carbonos. Na mesma época, na Austrália, M.D. Hatch & R. Slack obtiveram os mesmos resultados com milho e algumas gramíneas tropicais. Espécies C4: 1º produto formado após fixação de CO2 é o ácido oxaloacético (OAA ou AOA) que possui 4 carbonos. • CCM em C4 nas células da bainha: 4 etapas 1. Fixação de CO2 por carboxilação de PEP nas células do mesófilo (forma ácido C4 – malato ou aspartato)2. Transporte dos ácidos C4 para as células da bainha 3. Descarboxilação dos ácidos C4 na bainha e geração de CO2 que é incorporado no CBB 4. Transporte de ácido C3 (piruvato ou alanina) de volta à célula do mesófilo e regeneração do aceptor de CO2 (PEP) I. Metabolismo C4 1. Fixação de CO2 por carboxilação de PEP nas células do mesófilo (forma ácido C4 – malato ou aspartato) Célula do mesófilo PEPcase: - utiliza o CO2 na forma de HCO3 – - ativada durante o dia e desativada durante a noite. anidrase carbônica converte: CO2 HCO3 – . OAA é a seguir transformado em malato ou aspartato, que são transportados para as células da bainha vascular. - Presença de sistemas de túbulos (retículo periférico) associados à membrana interna do cloroplasto. - Membranas periféricas reticulares externas aos cloroplastos para facilitar o transporte de metabólitos entre o cloroplasto e o citoplasma 2. Transporte dos ácidos C4 para as células da bainha I. Metabolismo C4 1 2 3 4 Transporte via plasmodesmos Plantas C4 podem apresentar Anatomia Kranz ou Bainha Kranz. CÉLULAS DA BAINHA PERIVASCULAR Ricas em cloroplastos Cloroplastos contém RUBISCO Síntese da maior parte do amido foliar. CÉLULAS DO MESOFILO FOLIAR Menor número de cloroplastos Cloroplastos sem RUBISCO (não fixam CO2) e apenas fazem fotofosforilações. Citoplasma contém enzima ácido fosfoenolpirúvico carboxilase ou PEP case. Incorporação de CO2 no ácido fosfoenolpirúvico (PEP). I. Metabolismo C4 Descarboxilação de malato ou aspartato nas células da bainha vascular e liberação de CO2. O CO2 é a seguir fixado pela RUBISCO no estroma dos cloroplastos. • Bienertia sinuspercisi. Separação espacial de dois tipos de cloroplastos na célula e metabolismo C4 • Gasto de 3ATPs para fixar 1CO2 • Gasto de 5 ATPs para fixar 1CO2 • Maior razão CO2:O2 no local de fixação de C • Refixação de CO2 no mesófilo • PEPcase não inibida por O2 (uso mais eficaz de CO2) • Plantas adaptadas nos trópicos (alta luz, alta T*C e luz) – menor necessidade de abrir estômatos, menor perda de água • menor quantidade de Rubisco do que plantas C3 (3 a 6x menos) X Metabolismo C3 x C4 Ocorre em plantas adaptadas a climas quentes e áridos, desérticos ou semi-desérticos, sujeitas à restrição de água. Podem ser plantas suculentas que armazenam água. Fixam o CO2 a noite quando os estômatos estão abertos. Durante o dia, estômatos permanecem fechados para bloquear transpiração e economizar água. II. Metabolismo ácido das Crassuláceas (CAM) SEPARAÇÃO TEMPORAL DAS REAÇÕES C3 e C4 Necessidade de vacúolos grandes para estocar ácido málico e cloroplastos para converter CO2 em carboidratos REAÇÕES NOTURNAS (estômatos abertos): PEP + CO2 OAA malato (depositado nos vacúolos) REAÇÕES DIURNAS ( estômatos fechados): Malato é descarboxilado pela enzima do ácido málico, gerando piruvato e CO2 , incorporado à RUBP pela RUBISCO no CCB Filogenia e Evolução dos modos de fixar e concentrar C • C4: todas são angiospermas, 19 famílias (3 monocots e 16 eudicots) – surgimento pelo menos 31 vezes! • Não há nenhuma família com um metabolismo exclusivo • Surgimento várias vezes ao longo da evolução • CAM: nem todas são angiospermas, 23 famílias (principalmente eudicots) • Não há nenhuma família com um metabolismo exclusivo • Surgimento várias vezes ao longo da evolução 1. Bombas de CO2 na membrana plasmática 2. Atividade de enzima anidrase carbônica intra ou extracelular 3. Transporte de HCO3- 4. Bomba de C4 Mecanismos de concentração de C (CCMs) • Fitoplâncton eucariótico / cianobactérias Phaeodactylum tricornutum Phaeocystis • Modelo de CCMs para diatomáceas Aspectos principais da fixação de C em microalgas eucarióticas 1. Fitoplâncton marinho eucariótico usa CCMs para acumular carbono inorgânico suficiente para a fotossíntese. 2. CCMs em três grupos de fitoplâncton (diatomáceas, dinoflagelados e haptófitas) parece envolver a atuação de enzimas anidrases carbônicas extra ou intracelulares; e ainda, em alguns casos, transporte de HCO3 - 3. CCM C4 em uma célula apenas é usado em pelo menos uma diatomácea marinha embora resultados contraditórios tenham sido relatados. 4. Haptófitas não calcificadas (Phaeocystis) são mais eficazes em adquirir C inorgânico do que as calcificadas (cocolitoforídeos) e talvez igualmente ou mais eficientes do que diatomáceas. 5. Os dinoflagelados podem usar a incorporação de CO2 diretamente na membrana celular (suprido por uma desidratação externa de HCO3 - por uma CA) e outro mecanismo por transporte de HCO3 - e CA intracelular. 6. CO2 variável nos oceanos afeta a produção primária limitações por luz e nutrientes, e a composição de espécies do fitoplâncton marinho, como consequencia dos custos energéticos e nutricionais para manutenção de CCMs. Reinfelder 2011 Modelo de incorporação de carbono inorgânico em algas eucarióticas PEPCK=PEP carboxiquinase PEPC= PEP carboxilase Reações noturnas de fixação de CO2 em algas • Nas algas pode ocorrer carboxilação noturna pelas enzimas: fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPcase) e fosfoenolpiruvato carboxiquinase (PEP CK). • Elas se assemelham às plantas C4 e CAM. • São enzimas citoplasmáticas e fazem carboxilação de ácido fosfoenolpirúvico (PEP) na ausência da luz. • Atuam em algas cujo consumo de CO2 é muito alto ou com taxas de crescimento e respiração muito intensas. • São vias alternativas de fixação do carbono. • Ocorrem a noite para não competir com a RUBISCO no CCB Fixação noturna de CO2 em algas • Um possível CCM em macrófitas aquáticas Raven et al. 2008 Raven et al. 2008
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