ufrrj_Carboxilacao da Fotossintese (C2,C3,C4 e CAM)

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Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro
Instituto de Biologia 
Departamento de Ciências Fisiológicas
Disciplina: Fisiologia Vegetal
TEÓRICA 2:
Reações de Carboxilação da Fotossíntese
Metabolismos C3, C2, C4 e CAM
Prof. Carlos Alberto Bucher
Seropédica, 03/2011
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Roteiro da Aula
Interconexão das etapas da fotossíntese
Metabolismo C3 (Ciclo de Calvin-Benson) 
– A enzima Rubisco (Ribulose bisfosfato 
carboxilase/oxigenase)
– Incorporação do CO2
– Regeneração do aceptor inicial
Metabolismo C2 (Fotorrespiração)
– Ação oxigenase da RUBISCO
– Fatores que afetam a fotorrespiração
– Papel da fotorrespiração
Mecanismos fotossintéticos de concentração de CO2
– Via C4
– Via CAM
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Figura 1: Fotossíntese. Fonte: Kerbauy (2005).
Fotossíntese
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Organismos autotróficos tem a capacidade de utilizar fontes de energia 
para reduzir CO2 atmosférico a compostos orgânicos necessários à célula. 
A forma mais importante de redução de CO2 é o Ciclo de Calvin & Benson 
na fotossintese (Ciclo Fotossintético Redutivo do Carbono).
A fotossíntese ocorre em uma grande escala, aproximadamente 2 x 1011
toneladas de matéria seca por ano. Essa grande quantidade de matéria é
gerada através do metabolismo fotossintético do carbono (C). Através
desse processo metabólico o C do CO2 (número de oxidação +4) é reduzido
a compostos compatíveis ao metabolismo de célula (número de oxidação 0)
como os carboidratos. Esse é um processo, em que uma molécula de baixo
nível energético é convertida em compostos com alto nível energético é
altamente endergônico, ou seja, demanda um grande quantidade de
energia. A energia necessária para a assimilação do CO2 é fornecida pela
etapa fotoquímica da fotossíntese.
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Figura 2: Fotossíntese é um complexo processo que ocorre em duas etapas interdependentes. 
Fonte: Kerbauy (2005)
Carboxilação
Interconexão das etapas da fotossíntese
Carboxilação
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Na etapa fotoquímica a energia luminosa impulsiona a geração de ATP e NADPH. 
Na etapa seguinte ocorre o consumo desse ATP e NADPH nas reações que 
levam à redução do CO2 a carboidratos e gera ADP e NADP
+ (oxidado). O ADP e 
o NADP+ são necessários a etapa fotoquímica para produzir novamente ATP, 
através da ATP Sintase, e NADPH como aceptor de elétrons da ferredoxina.
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Localização da Etapas da Fotossíntese
Ciclo 
Calvin-
Benson
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A etapa fotoquímica ocorre nas membranas dos tilacóides enquanto
as reações do ciclo de Calvin ocorrem no estroma dos cloroplastos.
Os carboidratos (triose-fosfato) formados no ciclo de Calvin podem
ser utilizados para sintese de amido no próprio cloroplasto ou serem
exportados para o citoplasma onde pode ser convertido a sacarose
que é o principal carboidrato exportado para os drenos (raíz, folhas
jovens, flores, frutos, caule).
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Chlorella
Alga utilizada por Calvin, Benson e 
Bassham para estudar a fixação de CO2
10Calvin 1961
Experimentos de Calvin
Frasco contendo 
Chlorella
Luz
Álcool fervente
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Cromatografia bidimencional do 
extrato de Chlorella
Calvin 1961
Origem
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Ciclo de Calvin-
Benson 
(Metabolismo C3)
RUBISCO
3-Fosfoglicerato
Gliceraldeído-3-fosfato
PO3
PO3
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No ciclo de Calvin e Benson, CO2 e água são combinados a uma molécula
aceptora de 5C para gerar 2 moléculas de 3C (3-fosfoglicerato). O 3-fosfoglicerato
é então reduzido a carboidrato por reações enzimáticas que utilizam ATP e
NADPH produzindo gliceraldeído 3-fosfato, o primeiro carboidrato formado no
ciclo. O produto imediato do ciclo de Calvin é o gliceraldeído 3-fosfato, a molécula
primária transportada do estroma do cloroplasto para o citosol. No citosol o
gliceraldeído3-fosfato é transformado no dissacarídeo sacarose, a principal forma
de transporte de açucares nas plantas.
O gliceraldeído-3-fosfato não utilizado que permanece nos cloroplastos é
transformado no polissacarídeo amido, o qual é armazenado temporariamente
como grãos de amido no estroma do cloroplasto.
O ciclo de Calvin pode ser dividido em três fases:
1ª. Fase de carboxilativa: em que o CO2 é fixado na molécula ribulose-1,5-
bifosfato(RuBP) , por ação da enzima Ribulose-1,5-bifosfato
carboxilase/oxigenase (RUBISCO);
2ª. Fase redutiva: ocorre a redução do 3-fosfoglicerato (3PGA) a gliceraldeído 3-
fosfato (3PGald). Nessa fase ocorre o gasto de 2 ATP e 2 NADPH.
3ª. Fase regenerativa: nessa fase ocorre a regeneração da RuBP, o aceptor
inicial para o dióxido de carbono (CO2).
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Início do Ciclo C3
3 moléculas de CO2
Síntese líquida de 1 triose-
fosfato
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Na fase de carboxilativa o CO2 é fixado na molécula ribulose-1,5-bifosfato 
(RuBP) de 5 carbonos , por ação da enzima Ribulose-1,5-bifosfato 
carboxilase/oxigenase (RUBISCO). Cada molécula de CO2 fixada pela 
Rubisco da origem a duas moléculas de 3 carbonos, o 3-fosfoglicerato (3PGA).
Na fase redutiva o 3PGA é convertido primeiramente em 1,3-bifosfoglicerato 
pela enzima fosfato glicerato quinase que utiliza ATP. Em seguida 
gliceraldeido-1,3-fosfato é reduzido a gliceraldeído 3-fosfato (3PGald) pela 
NADP-gliceraldeido-3-fosfato desidrogenase utilizando NADPH. Nessa fase 
ocorre o gasto de 2 ATP e 2 NADPH para cada CO2 assimilado inicialmente;
3ª. Fase regenerativa: se inicia a partir do 3PGald nessa fase ocorre a 
regeneração do aceptor inicial (ribulose-1,5-bifosfato) a partir da 
interconversão de açucares fosfato de três, quatro, cinco, seis e sete carbonos 
nco das seis moléculas de gliceraldeído 3- fosfato são utilizadas para 
regenerar 3 moléculas de RuBP, o aceptor inicial para o dióxido de carbono 
(CO2). Essa fase utiliza mais uma molécula de ATP na sua fase final onde 
ribulose-5-fosfato é transformada em ribulose-1,5-bisfosfato.
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Visão Completa do Ciclo C3
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O produto líquido do ciclo de Calvin é o 3PGald. Para que haja a
produção liquida de uma molécula de 3PGald é necessário a assimilação de
3 moléculas de CO2 e o consumo de 3 moléculas de RuBP (3 moléculas de
5 carbonos= 15C) o que gera 6 moléculas de 3PGald (6 moléculas de 3 C=
18C). Isso consome 6 ATP e 6 NADPH.
Das 6 moléculas de 3PGald, uma é o ganho liquido sendo esta
disponibilizada para o metabolismo da célula ou armazenada na forma de
em amido. As outras 5 moléculas de 3PGald serão utilizadas para regenerar
o aceptor inicial do CO2, a ribulose-1,5-bisfosfato. 5 moléculas de 3
carbonos (5x3C=15C) são convertidas em 3 moléculas de 5 carbonos
(3x5C=15C).
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Características do Ciclo C3
• Balanço Energético 
– (3ATPs e 2NADPH) / CO2 fixado
• Regulado pela luz
– Rubisco
– Enzimas da etapa de regeneração
• Ciclo autocatalítico
Sistema Ferredoxina/tiorredoxima
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As enzimas do ciclo de Calvin são reguladas pela luz. A luz promove o
fluxo de Mg2+ e aumento do pH no estroma levando a formação de um
complexo rubisco-CO2-Mg
2+. Ocorre também a participação da enzima
rubisco ativase que é ativada pela luz por um mecanismo que envolve a
ferredoxina/tiorredoxina. As enzimas da fase regenerativa também são
reguladas pelo sistema ferredoxina/tiorredoxina. Nesse sistema, a
ferredoxina reduzida doa elétrons para a tiorredoxina através da enzima
feredoxina/tiorredoxina redutase. A tiorredoxina reduz grupamentos
dissulfeto das enzimas alvo tornando-as ativas.
 Alem disso, é necessária uma entrada continua de ATP e NADPH para
manter a o ciclo funcionado.
Para manter a assimilação de CO2 é imprescindível a regeneração
continua do aceptor inicial,a RuBP, que é garantida pelo caráter
autocatalitico do ciclo. A velocidade de regeneração de RuBP afeta a
velocidade de assimilação de CO2.
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Rubisco
• Ribulose 1,5 bisfosfato carboxilase/oxigenase (L8S8)
• Função carboxilase/oxigenase
• > 50% da proteína solúvel das folhas (enzima lenta)
• Proteína mais abundante do planeta
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Ação Oxigenase da Rubisco 
(Fotorrespiração – Metabolismo C2)
fosfoglicolato
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A rubisco possui também afinidade pelo O2. A reação da rubisco com o O2
é chamada de oxigenase, e da inicio ao ciclo oxidativodo carbono que vai
em direção oposta ao ciclo de Calvin. Todas as enzimas rubisco tem
atividade carboxilase e oxigenase. Essas reações ocorrem em uma
proporção de 3 para 1.
A reação da rubisco com o O2 (oxigenase), dependente da luz, associada
à liberação de CO2 em folhas fotossinteticamente ativas é chamada de
Fotorrespiração.
A atividade oxigenase da origem a 1 3PGA e 1 3fosfoglicolato. Esse último
não é utilizado pela célula e assim representa uma perda de C que já
estava assimilado. O ciclo C2 ou Fotorrespiração atua como uma operação
para recuperar parte desse C perdido. 75% do C é recuperado pelo ciclo
C2.
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KM da Rubisco
CO2: 9 µM
O2: 350 µM
(0,036% de CO2 e 21% de O2)
20-25oC
Carboxilase/Oxigenase
(3:1)
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Metabolismo C2
Perda de 
C e N
A via C2 
recupera 75% 
do carbono 
para o ciclo C3
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Vias C3 e C2 operam em sentidos opostos
•A eficiência de assimilação de CO2 depende 
da relação entre os ciclos C3 e C2
•Perda entre 20 a 50% do CO2 assimilado 
dependendo das condições ambientais
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Efeito da temperatura na Fotorrespiração
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O aumento na fotorrespiração reduz a taxa de crescimento 
das plantas
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O aumento da temperatura reduz a solubilidade dos gases, sendo a
solubilidade do CO2 mais afetada que a solubilidade do O2. Dessa forma, o
aumento da temperatura aumenta a razão O2/CO2 levando a um aumento na
taxa de fotorrespiração.
Com o aumento da fotorrespiração a fotossíntese líquida diminui e assim
diminui a taxa de crescimento da planta.
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O Papel da Fotorrespiração
• Se é danosa, porque não foi eliminada no curso
da evolução?
• “Defeito” da Rubisco
– Atmosfera primitiva: Rica em CO2 e pobre em O2
• Proteção Contra a Fotoinibição da Fotossíntese
– Dreno de ATP e NADPH produzidos sob condições
de alta irradiância e seca.
– Dissipação da energia metabólica excedente
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Sob condições de estresse hídrico as plantas fecham os estômatos para
evitar a perda excessiva de água, com isso falta CO2 para o ciclo de
Calvin e ocorre um acúmulo de ATP e NADPH e falta aceptor elétrons
(NADP+). Assim como em condições de níveis de radiação elevada há
um fluxo muito intenso de elétrons pelos fotossistemas resultando em
acúmulo de ATP e NADPH e falta aceptor elétrons (NADP+). Nessas
condições, o acúmulo de energia fotoquímica pode resultar na
fotoxidação dos fotossistemas e antenas ou na formação de espécies
reativas de oxigênio (radicais livres). A fotorrespiração funcionaria com
um dreno do excesso de ATP e NADPH evitando danos ao aparato
fotossintético.
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Mecanismos Concentradores de CO2
• Via C4
• Via CAM
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Para mitigar os efeitos da fotorrespiração algumas plantas
desenvolveram mecanismos concentradores de CO2. Esses em
mecanismos, C4 e CAM, funcionam em adição ao ciclo de Calvin.
Os mecanismos concentradores fazem com que a fotorrespiração seja
quase que imperceptível. Esses mecanismos aumentam a
concentração de CO2 em torna da rubisco suprimindo a reação da
rubisco com o O2.
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Metabolismo C4
• Ciclo de carboxilação e descarboxilação entre células do 
mesófilo e da bainha perivascular.
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Anatomia Kranz
Bainha 
Vascular
(RUBISCO)
Mesófilo
(Fosfoenolpiruvato 
carboxilase)
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10X mais CO2
que na atmosfera
↑[CO2] – Células da bainha 
(redução de perdas por 
difusão);
Conexão por plasmodesmas;
Evolução (CO2, T e estresse 
hídrico);
Fosfoenolpiruvato 
carboxilase (PEPcase)
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Ciclo C4
A manutenção do ciclo C4 tem um gasto adicional de 2ATP por CO2 fixado.
CO2 atmosférico
4C=1C+3C
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O metabolismo C4 envolve um ciclo de carboxilação e descarboxilação que 
ocorrem em dois tipos de células diferentes, células do mesofilo e células da 
bainha do feixe vascular (bainha perivascular). A carboxilação do 
fosfoenolpiruvato (PEP) pela fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPcase) ocorre 
nas células do mesofilo formando um acido orgânico de 4C (oxaloacetato). 
O oxaloacetato pode ser transformado em malato ou sofrer aminação formando 
aspartato, dependendo da espécie. Esse ác. orgânico é transportado para as 
células da bainha perivascular, via plasmodesmas, onde descarboxilado. A 
descaroxilação gera CO2, que é assimilado pela rubisco, e uma molécula de 3C 
(piruvato ou alanina ).
Finalmente, ocorre o transporte de piruvato ou alanina para o mesofilo,onde
ocorre a regeneração do PEP com gasto de duas moléculas de ATP. Esta
reação é catalisada pela enzima piruvato fosfato diquinase.
Plantas com metabolismo C4 tem um gasto a mais de energia para assimilar
CO2.
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Eficiência das Plantas C4
• PEPcase não tem afinidade pelo O2 (mesófilo)
• Rubisco realiza predominantemente atividade de 
carboxilação (bainha perivascular)
• Plantas C4 (clima tropical – altas temperaturas e muita luz )
– Estômatos com menor abertura (evitar perda de H2O)
–  Ponto de Compensação de CO2 (bombeamento de CO2 )
– CO2 mais concentrado no sítio ativo da Rubisco
– Mecanismo C4 requer mais ATP
• 5ATP e 2NADPH
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Mecanismo CAM 
(Crassulacean Acid Metabolism) 
(MAC, Metabolismo Ácido das Crassuláceas)
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Metabolismo CAM
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O metabolismo CAM também envolve um ciclo de carboxilação e 
descarboxilação, porém essas reações ocorrem nas mesmas células, 
só que em tempos diferentes. A carboxilação do fosfoenolpiruvato 
(PEP) pela fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPcase) ocorre durante a 
noite, quando se tem uma menor perda de água. A descarboxilação 
ocorre durante o dia devido a dependência da etapa fotoquímica e 
ativaçao das enzimas do ciclo de calvin pela luz.
Nessas plantas há uma separação temporal entra a carboxilação e a 
descarboxilação.
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Mecanismo CAM
• Leva ao aumento da eficiência no uso da H2O em 
plantas terrestres
• Adaptação de plantas de ambientes aquáticos 
densamente povoados
– Aproveita o CO2 liberado pela respiração noturna de plantas e 
animais.
• Algumas espécies podem ser facultativas
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Regulação da PEPcase em Plantas C4 e CAM
• Mecanismo de fosforilação/defosforilação
• Plantas C4 – luz
• Plantas CAM – ritmo circadiano
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Resumo