Aula 3. Fotoautorofia, Reacoes Nao Dependentes Da Luz (1)

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Aula 3. FV. Licenciatura em Ensino de Biologia. Docente dr. Balduíno Aleixo & Monitor: Pio.Pag. 1 
 
REACÇÃO DE FIXAÇÃO DO CARBONO – FASE QUÍMICA 
(Ciclo de Calvin-Benson) 
 
 
A fixação do CO2 ocorre em 3 etapas essenciais: Carboxilação ou Fixação do carbono; 
Redução; e Regeneração. 
 
Carboxilação ou Fixação do carbono 
Incorporação de um CO2 e H2O na molécula de Ribulose-1,5-bifosfato (composto de 
5C) na presença da enzima Rubisco (Ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase/oxigenase e a hidrólise 
desta em duas moléculas de Ácido 3-fosfoglicérico ou 3-fosfoglicerato (3C) 
6CO2 + 6Ribuluse 1,5-difosfato 12 Acido 3-fosfoglicérico/3-fosfoglicerato 
Na falta de CO2 e na presença de O2, a ribulose-bisfato - carboxilase (oxigenase) oxida 
ribulose 1,5 bisfosfato, começando a fotorrespiração. 
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Redução 
A molécula do Ácido 3-Fosfoglicerico por acção da enzima fosfoglicerato quinase é 
fosforilada pelo ATP e converte-se em Ácido 1,3-difosfoglicerico. 
Ácido 3-Fosfoglicerico Fosfoglicerato quinase Ácido 1,3-difosfoglicerico 
 ATP → ADP + Pi 
Ácido 1,3-difosfoglicerico formado, por acção da agente redutor é o NADPH reduz-se a 
Gliceraldeido 3-fosfato 
 
Ácido 1,3-difosfoglicerico Gliceraldeído-3-fosfato quinase Gliceraldeido 3-fosfato 
NADPH+H
+ 
 
Equação global: 12 Ácido 3-fosfoglicerico + 12 ATP + 12 NADPH+H
+
 3-Fg-Quinas 
12Gliceraldeido 3-fosfato + 12ADP+12Pi + 12 NADP 
Regeneração 
Por acção da enzima Triose-fosfato isomerase, as moléculas do Gliceraldeido 3-fosfato 
se inter-covertem em Diidroxicetona-fosfato 
 Gliceraldeido 3-fosfato Triose-fosfato isomerase Diidroxicetona-fosfato 
As moléculas do Gliceraldeido 3-fosfato e do Diidroxicetona-fosfato por acção da enzima 
transaldoses e transcetolases são desfosforiladas a Riboluse 5-fosfacto 
 Gliceraldeido 3-fosfato //Diidroxicetona-fosfato transaldoses/transcetolases Riboluse 5-
fosfacto 
A molécula do Riboluse 5-fosfacto por acção da enzima fosforibulo-quinase sofre uma 
fosforilação e regenera-se o Riboluse 1,5-difosfacto para retomar o ciclo de Calvin-Benson 
como aceitador do CO2. 
Riboluse 5-fosfacto Fosforiboluse quinase Riboluse 1,5-difosfacto 
 Síntese da Glicose 
O Ciclo de Calvin-Benson acorre no estroma, e o Gliceraldeído-3-fosfato não passa para a 
regeneração da Riboluse 1,5-disfosfato, por isso converte-se em Diidroxicetona-fosfato que da 
prosseguimento com ciclo. 
Enquanto o Gliceraldeído-3-fosfato passa ao citoplasma para a síntese da glicose. 
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No citoplasma o Gliceraldeído-3-fosfato e Diidroxicetona-fosfato por acção da enzima 
transaldolase são convertidos em Fructose 1,6-disfosfato 
Gliceraldeído-3-fosfato// Diidroxicetona-fosfato transaldolase Fructose 1,6-disfosfato 
A molécula do Fructose 1,6-disfosfato por acção da enzima fosfofruto quinase é 
fosforilada a Fructose 6-fosfato. 
 Fructose 1,6-disfosfato fosfofruto quinase Fructose 6-fosfato 
A Fructose 6-fosfato por acção da enzima fructose 6-fosfato epimerase converte-se em 
Glicose 6-fosfato. 
Fructose 6-fosfato fructose 6-fosfato epimerase Glicose 6-fosfato 
A molécula Glicose 6-fosfato por acção da enzima glicose 6-fosfatase é fosforilada a Glicose 
Glicose 6-fosfato glicose 6-fosfatase Glicose + Pi 
Durante as reacções não dependentes da luz, o NADPH+H
+
 e o ATP formados durante 
as reacções da fase luminosa vão ser utilizadas para reduzir o CO2 a compostos complexos, 
ricos em energia. 
6CO2 + 12 NADPH+H
+
 18 ATP C6H12O6 + 12 NADP + 18 ADP + 18 Pi 
Síntese do amido e sacarose 
Embora a glicose seja comumente representada como o carboidrato produzido pela 
fotossíntese nas equações resumidas, na realidade muito pouca glicose livre é gerada nas células 
fotossintetizantes. A maioria do carbono fixado é convertida em sacarose, a principal forma de 
transporte dos açúcares, ou em amido, a principal forma de armazenamento de carboidratos nas 
plantas. 
Grande parte do gliceraldeído 3-fosfato produzido pelo ciclo de Calvin é exportada para 
o citoplasma, onde, através de uma série de reações, é convertido em sacarose. A maioria do 
gliceraldeído 3-fosfato que permanece no cloroplasto é convertida em amido, que é estocado, 
temporariamente, durante o período de luz, como grãos de amido no estroma. Durante a noite, a 
sacarose é produzida a partir do amido e é exportada da folha pelos feixes vasculares para as 
outras partes da planta. 
A sacarose é a principal forma de carboidrato que é translocada na planta, via floema. Já 
o amido é um carboidrato insolúvel, de reserva, presente em quase todas as plantas. O 
interessante é que tanto a sacarose como o amido são gerados a partir da triose-fosfato gerada no 
ciclo de Calvin. 
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A síntese de amido ocorre no cloroplasto e se dá pela formação de ADP-glucose. A 
partir da adição de ADP-glucose forma-se um polímero de glicose unido por ligação glicosídica 
α-1,4. A síntese de sacarose, por sua vez, ocorre no citosol e se dá pela formação de UDP-
glucose que se combina com frutose-6-fosfato e produz a sacarose-6-fosfato. Esta última é 
convertida para sacarose por ação de uma fosfatase. 
As sínteses de amido e de sacarose apresentam praticamente os mesmos intermediários 
(frutose-1,6-bisfosfato, frutose-6-fosfato, glicose-1-fosfato, etc.). No entanto, estas vias 
biossintéticas possuem izoenzimas, que são únicas para cloroplasto e citoplasma. 
O que determina o destino do gliceraldeído-3-fosfato produzido na fotossíntese? 
Produz amido ou sacarose? As concentrações relativas de ortofosfato e triose-fosfato 
(gliceraldeído- 3-fosfato) são os principais fatores que controlam se o carbono fixado 
fotossinteticamente é alocado como amido nos cloroplastos ou como sacarose no citosol. Estes 
dois compartimentos se comunicam pelo translocador de fosfato/triose-fosfato. O ortofosfato 
em direção ao cloroplasto e triose-fosfato para o citosol. 
Situação 1: 
 [ortofosfato no citosol]  exportação de triose-fosfato síntese de amido 
 para o citosol no cloroplasto 
Situação 2: 
 [ortofosfato no citosol]  exportação de triose-fosfato  síntese de sacarose 
 para o citosol no citosol 
 
 
 Síntese de amido e de sacarose (Taiz & Zeiger, 1998) 
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Regulação do Ciclo de Calvin 
Cinco enzimas do ciclo de Calvin são reguladas pela luz: rubisco (fase de 
carboxilação); NADP: desidrogenase do gliceraldeído-3-fosfato (fase de redução); 
frutose-1,6-bisfosfatase, sedoheptulose-1,7-bisfosfatase e quinase ribulose-5-fosfato 
(fase de regeneração). A enzima da fase de redução (desidrogenase do gliceraldeído-3-
fosfato) e as três enzimas da fase de regeneração são controladas pelo sistema 
ferredoxina-tiorredoxina. Estas quatro enzimas possuem um ou mais grupos dissulfeto 
(S-S). No escuro estes resíduos estão na forma oxidada, deixando a enzima inativa ou 
subativa. Na luz, os elétrons da ferredoxina, via tiorredoxina, são utilizados para reduzir 
o grupo S-S para o estado sulfidrila (SH). A mudança promove a ativação da enzima. 
A rubisco, por sua vez, é regulada pela carbamilação (Figura a Baixo). Quando 
os cloroplastos são submetidos à luz, ocorre um aumento no pH do estroma. Este 
aumento no pH do estroma provoca a desprotonação do grupamento amino (ε-NH3
+
) de 
um resíduo de lisina no sítio ativo da enzima. Este grupamento passa de NH3
+
 para NH2. 
Este resíduo desprotonado reagecom uma molécula de CO2 (que não é a mesma 
molécula substrato) ficando a enzima com uma carga negativa (NH-COO ). A ativação 
final da enzima depende da atração eletrostática desta carga negativa com iões Mg
2+.
 A 
concentração deste ião no estroma também aumenta em folhas expostas à luz. 
 
Mecanismo de regulação da atividade da rubisco pela luz (Taiz & Zeiger, 1998) 
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Fotorrespiração 
 
O ciclo fotorrespiratório está relacionado com a actividade de oxigenação da rubisco e 
resulta na perda de CO2 e na diminuição da eficiência fotossintética. Por outras palavras pode-se 
dizer que a fotorrespiração e a perda do CO2 na presença da Luz. As moléculas de CO2 e O2 
competem na reacção catalisada pela rubisco, visto que, carboxilação e oxigenação ocorrem no 
mesmo sítio activo da enzima. 
Na reacção de oxigenação o O2 reage com a ribulose-1,5- bisfosfato e produz um 
composto de três carbonos (3-fosfoglicerato) e outro de dois carbonos (2-fosfoglicolato). 
O2 + ribulose-1,5-bisfosfato 3-fosfoglicerato + 2-fosfoglicolato + 2H+ 
 (5C) (3C) (2C) 
O ciclo fotorrespiratório serve para recuperar os dois carbonos gerados pela actividade 
oxigenase, na forma de 2-Fosfoglicolato. Este ciclo envolve três compartimentos celulares: 
cloroplasto, peroxissomo e mitocôndria. O ciclo se inicia no cloroplasto com a formação do 
glicolato a partir do 2-fosfoglicolato. O glicolato migra para o peroxissomo onde é convertido 
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para glicina (aminoácido) e peróxido de hidrogénio (H2O2). Este organelo é rico em uma 
enzima conhecida como catalase, a qual degrada o H2O2, que é tóxico para a célula. 
catalase 
 2 H2O2 2 H2O + O2 
A glicina migra do peroxissomo para a mitocôndria. Duas moléculas de glicina (2C) 
produzem uma molécula de serina (aminoácido com 3 carbono). Nesta etapa ocorre liberação de 
NH3 e de CO2. 
OBS: Como se vê, ocorre consumo de O2 (no cloroplasto) e liberação de CO2 (na mitocôndria), 
por isso chama-se fotorrespiração. 
A serina (3C) formada na mitocôndria migra para o peroxissoma onde é convertido para 
glicerato. O glicerato (3C) migra para o cloroplasto onde é convertido para 3 fosfoglicerato 
(3C), com gasto de ATP. 
Assim, duas moléculas de fosfoglicolato (2x2 = 4 carbonos), geradas pela actividade 
oxigenásica da rubisco, produzem uma molécula de 3-fosfoglicerato (3C) e uma molécula de 
CO2. Neste caso, 75% do carbono gerado pela oxigenase é recuperado e retorna para o ciclo de 
Calvin. 
No entanto, o grau de perdas de carbono pela fotorrespiração depende das 
concentrações de CO2 e O2, das propriedades cinéticas da rubisco e da temperatura, e 
tende a ser maior que 25% em condições normais do ambiente. 
Em geral, nas temperaturas elevadas de regiões tropicais as perdas pela 
fotorrespiração podem ser bem maiores. O aumento na temperatura diminui a 
solubilidade dos gases, sendo que a temperatura afeta mais a solubilidade do CO2 do 
que a do O2. Assim temos: 
Temperatura [CO2]/[O2] 
Temperatura Atividade Oxigenásica da rubisco 
Temperatura Fotorrespiração 
 
As perdas podem superar os 40%. Assim, a fotorrespiração reduz a assimilação líquida 
de CO2, ou seja, reduz a fotossíntese líquida. 
Fotossíntese líquida = fotossíntese total – (respiração + fotorrespiração) 
Quanto maior for a fotorrespiração, menor será a fotossíntese líquida. 
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Por que a existência da fotorrespiração? 
 A química da reação de carboxilação poderia requerer um intermediário 
(substrato) com capacidade para reagir com CO2 ou O2. Isto não teria sido 
problema no início da evolução do processo de fotossíntese, visto que naquele 
tempo a razão [CO2]/[O2] era muito maior do que a observada nos dias de hoje. 
 A fotorrespiração poderia contribuir para a dissipação de ATP e poder redutor e 
evitar danos sobre o aparelho fotossintético (foto-oxidação e fotoinibição) sob 
condições de excesso de energia (por exemplo, alta intensidade de luz e baixa 
concentração interna de CO2, como ocorre em plantas expostas a estresse 
hídrico – estômatos fechados). 
Esquema simplificado da fotorrespiração 
 
A fotorrespiração é a perda de CO2 na presença de luz. A fotorrespiração e o 
ciclo de Calvin são reacções competidoras. Todas as rubiscos realizam a oxigenação da 
Ribulose1,5-disfosfato independente da origem taxonômica Reacções ocorrem no 
mesmo sítio activo. A fotorrespiração corresponde a perda de CO2 que ocorre na 
presença de luz. É uma perda de CO2 adicional à respiração mitocondrial. 
O fosfoglicolato é defosforilado para glicolato e passa para os peroxissomos onde é 
oxidado e transaminado para glicina. 2 glicinas formam uma serina que é desaminada para 
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hidroxipiruvato que está reduzida glicerato e é fosforilado no citossol a 3-P-glicerato e entra no 
ciclo de Calvin. O ATP dissipado inutilmente. 
Alguns autores apontam que a fotorrespiração ocorre porque a Rubisco do Ciclo de 
Calvin-Benson atua também como oxigenase, além da função carboxilase (Rubisco = ribulose 
1,5 bisfosfato carboxilase-oxigenase). O CO2 e o O2 competem pelo sítio ativo, mas quando o 
O2 se combina com RUBP, um ácido de 2 carbonos (fosfoglicolato ou ácido fosfoglicólico) é 
formado, e ele não é usado no Ciclo de Calvin-Benson. O fosfoglicolato é rapidamente 
convertido em glicolato, que é o substrato para a fotorrespiração. 
A fotorrespiração envolve três organelas: peroxissoma, mitocôndria e cloroplasto. Um 
fornecimento de energia é requerido (ATP e ferrodoxina reduzida). O O2 é consumido e uma 
parte do glicolato é perdido como CO2 e outra parte retorna ao ciclo de Calvin-Benson como 3- 
PGA. 
A função carboxilase da Rubisco é favorecida por teores elevados de CO2 e 
temperaturas e intensidades luminosas moderadas, resultando em 2 moléculas de 3-PGA. A 
função oxigenase é favorecida por temperaturas e intensidades luminosas elevadas, dando como 
resultado 1 moléculas de 3-PGA e 1 molécula de ácido fosfoglicólico. Assim, altas taxas de 
fotorrespiração ocorrem em altas temperaturas e irradiâncias devido: a) o substrato específico da 
Rubisco prefere o O2 com o aumento da temperatura e b) a concentração de CO2 na folha torna-
se limitante e baixo sob altas irradiâncias porque a fotossíntese é acelerada. 
Plantas C4 minimizam a função oxigenase da Rubisco e a fotorrespiração, pois 
concentram o CO2 no sítio do ciclo de Calvin-Benson. Plantas C3 apresentam maior 
fotorrespiração que plantas C4, considerando que plantas C3 apresentam menor afinidade com a 
Rubisco do que as plantas C4 com a PEP-case. Assim, a carboxilação nas plantas C3 é feita 
apenas pela Rubisco, enquanto nas plantas C4, além da Rubisco, existe a PEP-case como 
enzimas responsáveis pela carboxilação. 
Evidências experimentais recentes tem demonstrado que a fotorrespiração também 
poderia servir como um caminho de defesa do aparelho fotossintético, principalmente em 
plantas expostas às altas intensidades luminosas e baixas concentrações internas de CO2 (p.ex. 
quando os estômatos se fecham em condições de estresse hídrico). Na etapa bioquímica da 
fotossíntese (ciclo de Calvin-Benson) são consumidos 2 NADPH e 3 ATP, ao passo que, na 
fotorrespiração, são consumidos 4 NADPH e 7 ATP, para cada molécula de CO2 fixada ou 
liberada, respectivamente. Dessa forma, a fotorrespiração teria como função dissipar o excesso 
de ATP e NADPH+H+ produzidos na etapa luminosa da fotossíntese, protegendo a plantada 
'foto-inibição e permitindo uma rápida recuperação após o período de estresse.