A Fotossíntese parte 2 2013.1

Prévia do material em texto

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