Fotossíntese: Reações Luminosas

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Fisiologia Vegetal
Discentes: Alberto Soares/ Rômulo Marcos
Docente: R. Muniz
Fotossíntese: Reações Luminosas
O termo fotossíntese significa, literalmente, “síntese utilizando a luz”. Como será visto neste capítulo, os organismos fotossintetizantes utilizam a energia solar para sintetizar compostos carbonados complexos. Mais especificamente, a energia luminosa impulsiona a síntese de carboidratos e a liberação de oxigênio a partir de dióxido de carbono e água:
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
 Dióxido de carbono Água Carboidrato Oxigênio
 
A energia armazenada nessas moléculas pode ser utilizada mais tarde para impulsionar processos celulares na planta e servir como fonte de energia para todas as formas de vida.
O mais ativo dos tecidos fotossintéticos das plantas superiores é o mesofilo. As células do mesofilo possuem muitos cloroplastos, os quais contêm os pigmentos verdes especializados na absorção da luz, as clorofilas. Durante a fotossíntese, a planta utiliza a energia solar para oxidar a água, consequentemente liberando oxigênio, e para reduzir o dióxido de carbono, formando assim grandes compostos carbonados, sobretudo açúcares. A complexa série de reações, que culmina na redução do CO2, inclui as reações dos tilacoides e as de fixação do carbono.
As reações de fotossíntese dos tilacoides ocorrem em membranas internas especializadas, encontradas nos cloroplastos e chamadas de tilacoides. Os produtos finais dessas reações dos tilacoides são os compostos de alta energia ATP e NADPH, utilizados para a síntese de açúcares nas reações de fixação do carbono. Esses processos de síntese ocorrem no estroma do cloroplasto, a região aquosa que circunda os tilacoides. As reações dos tilacoides, também chamadas de “reações luminosas” da fotossíntese, são o assunto deste capitulo; as reações de fixação.
Do carbono. No cloroplasto, a energia luminosa e convertida em energia química por duas unidades funcionais diferentes denominadas fotos sistemas. A energia absorvida da luz e utilizada para impulsionar a transferência de elétrons por uma serie de compostos que atuam como doadores e aceptores desses elétrons. A maior parte dos elétrons e extraída da H2O, a qual e oxidada a O2, e, por fim, reduz NADP+ a NADPH. A energia luminosa também e utilizada para gerar a forca motriz de prótons através da membrana do tilacoide; essa forca motriz e utilizada para sintetizar ATP.
A luz solar é como uma chuva de fótons de diferentes frequências. O olho humano é sensível a apenas uma pequena faixa de frequências – a região da luz visível do espectro eletromagnético.
Espectro eletromagnético. Comprimento de onda (λ) e frequência (ν) são inversamente relacionados. O olho humano é sensível a apenas uma estreita faixa de comprimentos de onda da radiação, a região visível, que se estende de cerca de 400 nm (violeta) até cerca de 700nm (vermelho). A luz de comprimentos de onda curtos (alta frequência) possui conteúdo de energia alto; a luz de comprimentos de onda longos (baixa frequência) possui conteúdo de energia baixo.
As moléculas alteram seu estado eletrônico quando absorvem ou emitem luz. A clorofila parece verde ao olho humano porque ela absorve luz principalmente nas porções vermelha e azul do espectro. Desse modo, apenas uma parte da luz enriquecida nos comprimentos de onda do verde (cerca de 550 nm) é refletida para o olho humano. A absorção da luz é representada pela Equação 7.3, na qual a clorofila (Chl) em seu estado mais baixo de energia, ou estado de base, absorve um fóton (representado por hν) e faz a transição para um estado de maior energia, ou estado excitado (Chl*): Chl + hν → Chl* (7.3)
As moléculas alteram seu estado eletrônico quando absorvem ou emitem luz
A distribuição de elétrons na molécula excitada é, de certa forma, diferente da distribuição na molécula em estado-base. A absorção da luz azul excita a clorofila a um estado energético mais elevado do que a absorção de luz vermelha, pois a energia dos fótons é maior quando seus comprimentos de onda são mais curtos. No estado de maior excitação, a clorofila é extremamente instável; ela rapidamente libera parte de sua energia ao meio como calor, entrando em um estado de menor excitação, no qual pode permanecer estável por um máximo de alguns nanossegundos (10–9 s). Devido à instabilidade inerente do estado excitado, qualquer processo que capture sua energia deve ser extremamente rápido. No estado de menor excitação, a clorofila excitada possui quatro rotas alternativas para liberar a energia disponível.
A clorofila excitada pode reemitir um fóton e, assim, retornar a seu estado-base – um processo conhecido como fluorescência. Quando isso acontece, o comprimento de onda da fluorescência é levemente mais longo (e com menor energia) do que o comprimento de onda de absorção, pois uma parte da energia de excitação é convertida em calor antes da emissão do fóton fluorescente. As clorofilas florescem na região vermelha do espectro. 2. A clorofila excitada pode retornar a seu estado-base pela conversão direta de sua energia de excitação em calor, sem a emissão de um fóton. 3. A clorofila pode participar na transferência de energia, durante a qual uma molécula excitada de clorofila transfere sua energia para outra molécula. 4. Um quarto processo é a fotoquímica, na qual a energia do estado excitado provoca a ocorrência de reações químicas. As reações fotoquímicas da fotossíntese estão entre as reações químicas mais rápidas conhecidas. Essa velocidade extrema é necessária para que a fotoquímica possa competir com as outras três reações possíveis do estado excitado, descritas anteriormente.
A energia da luz solar é absorvida primeiro pelos pigmentos da planta. Todos os pigmentos ativos na fotossíntese são encontrados nos cloroplastos. A estrutura e o espectro de absorção de vários pigmentos fotossintetizantes são mostrados nas. As clorofilas e as bacterioclorofilas (pigmento encontrado em algumas bactérias) são pigmentos típicos de organismos fotossintetizantes. As clorofilas a e b são abundantes nas plantas verdes, e as c, d e f são encontradas em alguns protistas e cianobactérias. Muitos tipos diferentes de bacterioclorofilas já foram encontrados; o tipo a é o mais amplamente distribuído. O Tópico 7.2 na internet mostra a distribuição de pigmentos dos diferentes tipos de organismos fotossintetizantes. Todas as clorofilas têm uma complexa estrutura em anel, que é quimicamente relacionada com os grupos do tipo porfirina encontrados na hemoglobina e nos citocromos. Uma longa cauda de hidrocarbonetos quase sempre está ligada à estrutura do anel. A cauda ancora a clorofila à porção hidrofóbica de seu ambiente. A estrutura em anel contém alguns elétrons frouxamente ligados, e é a parte da molécula envolvida nas transições eletrônicas e nas reações redox (redução-oxidação). Os diferentes tipos de carotenoides encontrados nos organismos fotossintetizantes são moléculas lineares com múltiplas ligações duplas conjugadas. As bandas de absorção na região dos 400 a 500 nm dão aos carotenoides sua coloração alaranjada característica. A cor das cenouras, por exemplo, deve-se ao -caroteno, um carotenoide cuja estrutura e espectro de absorção são mostrados. Os carotenoides são encontrados em todos os organismos fotossintetizantes naturais. Eles são constituintes integrais das membranas dos tilacoides e, em geral, estão intimamente associados às proteínas que formam o aparelho fotossintetizante. A energia da luz absorvida pelos carotenoides é transferida à clorofila para o processo de fotossíntese; em decorrência desse papel que desempenham, são chamados de pigmentos acessórios. Os carotenoides também ajudam a proteger o organismo de danos causados pela luz.
A fotossíntese ocorre em complexos contendo antenas de captação de luz e centros fotoquímicos de reação. Uma porção da energia da luz absorvida pelas clorofilas e pelos carotenoides é no final armazenada como energia química via formação de ligações químicas. Essa conversão deenergia de uma forma para outra é um processo complexo que depende da cooperação entre muitas moléculas de pigmentos e um grupo de proteínas de transferência de elétrons. A maior parte dos pigmentos serve como um complexo antena, coletando luz e transferindo a energia para o complexo dos centros de reação, onde acontecem as reações químicas de oxidação e redução que levam ao armazenamento de energia a longo prazo. A estrutura molecular de alguns complexos antena e dos centros de reação Como a planta se beneficia dessa divisão de trabalho entre os pigmentos das antenas e os pigmentos dos centros de reação? Mesmo sob alta radiação solar, uma única molécula de clorofila absorve apenas uns poucos fótons a cada segundo. Se houvesse um centro de reação completo associado a cada molécula de clorofila, as enzimas do.
Centro de reação estariam ociosas na maior parte do tempo, sendo ativadas apenas ocasionalmente pela absorção de um fóton. Entretanto, se um centro de reação receber energia de muitos pigmentos de uma só vez, o sistema é mantido ativo por uma grande fração de tempo. A conversão de energia durante a fotossíntese. Eles forneceram brevíssimos flashes (10–5 s) de luz a uma suspensão aquosa da alga verde Chlorella pyrenoidosa e mediram a quantidade de oxigênio produzido. Os flashes foram separados por cerca de 0,1 s, intervalo que Emerson e Arnold determinaram em experimentos anteriores como longo o suficiente para que as etapas enzimáticas do processo fossem completadas antes da chegada do flash seguinte. Os pesquisadores variaram a energia dos flashes e descobriram que, em energias altas, a produção de oxigênio não aumentava quando um flash mais intenso era fornecido: o sistema fotossintetizante estava saturado com luz. Em suas medições da relação entre a produção de oxigênio e a energia do flash, Emerson e Arnold se surpreenderam ao descobrir que, sob condições de saturação luminosa, apenas 1 molécula de oxigênio era produzida para cada 2.500 moléculas de clorofila na amostra. Hoje, sabe-se que centenas de pigmentos estão associadas a cada centro de reação e que cada centro de reação necessita operar quatro vezes para produzir 1 molécula de oxigênio – daí o valor de 2.500 clorofilas por O2. Os centros de reação e a maior parte dos complexos antena são componentes integrais da membrana fotossintética.
Nos organismos eucarióticos fotossintetizantes, tais membranas estão localizadas dentro dos cloroplastos; nos procariotos fotossintetizantes, o sítio da fotossíntese é a
membrana plasmática ou as membranas dela derivadas. Outro parâmetro importante das reações luminosas da fotossíntese, a produtividade quântica. A produtividadequântica da fotoquímica (Φ) é definida da seguinte forma: Φ =
Número de produtos da fotoquímica
Número total de quanta absorvidos.
A reação química da fotossíntese é impulsionada pela luz
É importante considerar que o equilíbrio da reação química e direção dos reagentes. A constante de equilíbrio para a Equação 7.4, calculada a partir dos valores tabulados de energia livre para a formação de cada composto envolvido, é de cerca de 10–500. Esse número está tão próximo de zero que se pode ter certeza quase absoluta de que, em toda a história do universo, nunca uma molécula de glicose foi formada espontaneamente da combinação de H2O e CO2 sem o provimento de energia externa. A energia necessária para impulsionar a reação fotossintética vem da luz.
Aqui se tem uma forma mais simples da Equação 7.4: Luz, planta CO2 + H2O ––––––––→ (CH2O) + O2 (7.6) onde (CH2O) é um sexto de uma molécula de glicose. Cerca de 9 ou 10 fótons de luz são necessários para acionar a reação da Equação 7.6. Embora a produtividade quântica fotoquímica sob condições ótimas seja de quase 100%, a eficiência da conversão da luz em energia química é muito menor. Se luz vermelha de comprimento de onda de 680 nm for absorvida, a entrada total de energia (ver Equação 7.2) é de cerca de 1.760 kJ por mole de oxigênio formado. Essa quantidade de energia é mais do que suficiente para impulsionar a reação na Equação 7.6, a qual possui uma energia livre para mudança do estado-padrão de +467 kJ mol– Assim, a eficiência de conversão de energia luminosa, no comprimento de onda ideal, em energia química é de cerca de 27%. A maior parte dessa energia armazenada é utilizada em processos de manutenção celulares; a quantidade direcionada à formação de biomassa é muito menor Não há conflito com o fato de a eficiência quântica fotoquímica (produtividade quântica) ser de cerca de 1,0 (100%), a eficiência de conversão de energia ser de apenas 27% e a eficiência total de conversão da energia solar ser de apenas uns poucos pontos percentuais. A eficiência quântica é uma medida da fração dos fótons absorvidos que participam da fotoquímica; a eficiência energética é uma medida de quanto da energia dos fótons absorvidos é estocado como produtos químicos, e a eficiência de estocagem da energia solar é uma medida de quanta energia no espectro solar global é convertida em forma utilizável. Os números indicam que quase todos os fótons absorvidos participam da fotoquímica, mas apenas cerca de um quarto da energia de cada fóton é estocado, o restante é convertido em calor, e apenas aproximadamente metade do espectro solar é absorvida pela planta. A eficiência energética global de conversão em biomassa, incluindo todos os processos de perda e considerando o espectro solar global como fonte de energia, é significativamente menor ainda – cerca de 4,3% para plantas C3 e 6% para plantas C4. A luz impulsiona a redução do NADP+ e a formação do ATP
O processo global da fotossíntese é uma reação química redox, na qual elétrons são removidos de uma espécie química, oxidando-a, e adicionados a outra espécie, reduzindo- a. Em 1937, Robert Hill descobriu que, na luz, tilacoides de cloroplastos isolados reduzem uma diversidade de compostos, como sais de ferro. Esses compostos servem como oxidantes no lugar do CO2, conforme mostrado na seguinte equação: 4 Fe3+ + 2 H2O → 4 Fe2+ + O2 + 4 H+ (7.7)
Desde então, tem se demonstrado que muitos compostos atuam como receptores artificiais de elétrons no que ficou conhecido como reação de Hill. A utilização de aceptores artificiais de elétrons tem sido valiosa na elucidação das reações que precedem a redução do carbono. A demonstração da liberação do oxigênio ligada à redução de aceptoresartificiais de elétrons forneceu as primeiras evidências de que a liberação de oxigênio poderia ocorrer na ausência de dióxido de carbono. Além disso, ela levou à ideia, agora aceita e comprovada, de que o oxigênio na fotossíntese se origina da água, e não do dióxido de carbono. Hoje, sabe-se que, durante o funcionamento normal dos sistemas fotossintéticos, a luz reduz a nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato (NADP+), que, por sua vez, serve com agente redutor para a fixação do carbono no ciclo de Calvin-Benson (ver Capítulo 8). O ATP também é formado durante o fluxo de elétrons da água ao NADP+, e este também é utilizado na redução do carbono. As reações químicas em que a água é oxidada a oxigênio, o NADP+ é reduzido a NADPH e o ATP é formado são conhecidas como as reações dos tilacoides, porque quase todas, até a redução do NADP+, acontecem dentro dos tilacoides. A fixação do carbono e as reações de redução são chamadas de reações do estroma, porque as reações de redução do carbono acontecem na região aquosa do cloroplasto, o estroma. Embora essa divisão seja arbitrária, ela é conceitualmente útil.