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2018 1 Resumo 2ª prova – VET18 Julia Louzada BIOQUÍMICA – BQI 103 – P3 Livro – Princípios de Bioquímica de Lehninger – NELSON, COX FOTOSSÍNTESE – Cap 19 e 20 19 - FOTOSSÍNTESE: CAPTURANDO ENERGIA LUMINOSA Na fotossíntese ocorre reações na qual o fluxo de elétrons está acoplado à síntese de ATP fosforilação utilizando a energia da luz. A fotoss. é a fonte elementar de quase toda a energia biológica da Terra. Os organis- mos fotossintéticos capturam a energia solar e formam ATP e NADPH, usados como fonte de energia para sintetizar CHO e outros compostos orgânicos a partir de CO2 e H2O; simultaneamente, eles liberam O2 na atmosfera. Heterótro- fos aeróbios (humanos e plantas durante períodos escuros, entre outros) usaenm o O2 formado desse modo para degradar os produtos orgânicos ricos em energia da fotossíntese em CO2 e H2O, gerando ATP. O CO2 retorna à atmosfera. A fotoss ocorre em várias bactérias e em eucariotos unicelu- lares (algas). O processo se difere em alguns detalhes, porém os mecanismos básicos são semelhantes. A equação geral da fotoss descreve uma reação de oxidação-redução na qual H2O doa elétrons (como H) para a redução de CO2 a carboi- drato (CH2O). CARACTERÍSTICAS GERAIS DA FOTOFOS- FORILAÇÃO Ao contrário do NADH (principal doador de elétrons na fosfo- rilação oxidativa), a H2O é uma fraca doadora de elétrons. A fotofosforilação requer o acréscimo de energia na forma de luz para criar um bom doador e um bom aceptor de elétrons. Na fotofosforilação, os elétrons fluem por uma série de carre- gadores ligados a membranas, incluindo citocromos, quino- nas e proteínas ferro-enxofre, enquanto prótons são bombe- ados através de uma membrana para criar um potencial ele- troquímico. A transferência de elétrons e o bombeamento de prótons são catalisados por complexos de membrana análo- gos em estrutura e função ao complexo III das mitocôndrias. O potencial eletroquímico que eles produzem é a força pro- pulsora para a síntese de ATP a partir de ADP e Pi, catalisada por um complexo de ATP-sintase ligado à membrana, muito similar àquele de mitocôndrias e bactérias. A fotoss em plantas engloba dois processos: reações depen- dentes de luz (fase clara - cap 19) e as reações de assimi- lação de carbono (cap 20). Nas reações luminosas, a cloro- fila e outros pigmentos de céls fotossintéticas absorvem ener- gia luminosa e a conservam como ATP e NADPH; simultane- amente, o O2 é liberado. Nas reações de assimilação de car- bono, ATP e NADPH são usados para reduzir CO2 para for- mar trioses-fosfato, amido e sacarose e outros produtos deles derivados. - A fotossíntese em plantas ocorre nos cloroplastos Em céls euc fotossintéticas, tanto as reações dependentes de luz quanto as de assimilação de carbono ocorrem nos cloro- plastos. Tilacoides vesículas achatadas comumente ar- ranjadas em pilhas chamadas de grana. Embebidos nas memb tilacoides (lamelas) estão os pigmentos fotossintéticos e os complexos enzimáticos que realizam as reações lumino- sas e a síntese de ATP. O estroma (a fase aquosa delimitada pela memb interna) contém a maioria das enzimas necessá- rias para as reações de assimilação de carbono. - A luz impulsiona o fluxo de elétrons nos cloroplas- tos A energia luminosa absorvida faz os elétrons fluírem da água para um aceptor de elétrons (NADP+) ABSORÇÃO DE LUZ Luz visível pequena parte do espectro eletromagnéticos, variando do violeta ao vermelho; a energia de um único fóton (um quantum de luz) é maior na extremidade violeta, compri- mentos de ondas mais curtos (e com maior frequência) cor- respondem a uma maior energia. Quanto um fóton é absorvido, um elétron na moléc que ab- sorve é elevado para um nível de maior energia. Uma moléc que absorve um fóton está em estado excitado, que geral- mente é instável. Um modo alternativo de decaimento impor- tante na fotoss. envolve a transferência direta de energia de excitação de uma moléc excitada para uma moléc vizinha. - As clorofilas absorvem energia luminosa para a fotossíntese Os pigmentos absorvedores de luz mais importantes nas memb tilacoides são as clorofilas. Os quatro átomos de ni- trogênio orientados para dentro da clorofila são coordenados com o Mg2+. Todas as clorofilas têm uma longa cadeia lateral de fitol, esterificada a um grupo carboxil. O sistema heterocíclico de 5 anéis que circunda o Mg2+ tem uma estrutura estendida de polieno, com ligações simples e duplas alternadas. Tais polienos mostram, caracteristica- mente, forte absorção na região visível do espectro; as cloro- filas têm coeficientes de extinção molar altos, sendo particu- larmente aptas a absorver a luz visível durante a fotoss. Os cloroplastos sempre contêm clorofila a quanto clorofila b, ambas são verdes porem seus espectros de absorção são diferentes, de modo a complementarem a faixa de absorção de luz uma da outra na região visível. A maioria das plantas contém 2x mais a do que b. A clorofila está sempre associada a proteínas específicas de ligação, formando complexos coletores de luz (LHC), nos 2018 2 Resumo 2ª prova – VET18 Julia Louzada quais as moléc de clorofila estão fixas em relação umas às outras. As cianobactérias e as algas vermelhas utilizam ficobilinas como seus pigmentos de captura de luz. Esses tetrapirróis de cadeia aberta têm o sistema de polieno estendido encontrado nas clorofilas, mas não sua estrutura cíclica e seu Mg2+. - Os pigmentos acessórios estendem a faixa de ab- sorção de luz Além das clorofilas, as memb tilacoides contêm pigmentos secundários de absorção de luz, ou pigmentos acessórios, chamados de carotenoides. Os pigmentos carotenoides ab- sorvem luz em comprimentos de onda não absorvidos pelas clorofilas, sendo assim receptores de luz suplementares. - A clorofila canaliza a energia absorvida para os centros de reação pela transferência de éxcitons Os pimentos absorvedores de luz das memb tilacoides ou bacterianas estão arranjados em estruturas funcionais deno- minadas fotossistemas. Todas as moléc de pigmentos em um fotossistema podem absorver fótons, as apenas poucas moléc de clorofila, associadas ao centro de reação fotoquí- mica, são especializadas na transdução de luz em química. As outras moléculas de pigmento em um fotossistema são chamadas de moléculas coletoras de luz ou antenas mo- leculares. Elas absorvem a energia luminosa e transmitem de modo rápido e eficiente ao centro de reação. As moléc de clorofila nos complexos coletores de luz têm pro- priedades de absorção de luz que são sutilmente diferentes daquelas da clorofila livre. A clorofila excitada que funciona como antena molecular transfere energia diretamente a uma molécula de clorofila vizinha, a qual se torna excitada à me- dida que a primeira molécula retorna ao seu estado basal. Essa transferência de energia, a transferência de éxciton, se estende a uma terceira, quarta ou subsequente vizinha, até que um par especial de moléc de clorofila a no centro de rea- ção fotoquímica seja excitada. EVENTO FOTOQUÍMICO CENTRAL: FLUXO DE ELÉTRONS PROMOVIDO PELA LUZ A transferência de elétrons promovida pela luz em cloroplas- tos vegetais durante a fotossíntese é realizada por sistemas multienzimas na membrana tilacoide. - Nas plantas, dois centros de reação agem em se- quência As memb tilacoides dos cloroplastos têm dois tipos diferentes de fotossistemas, cada um com seu próprio tipo de centro de reação fotoquímico e o de conjunto de moléculas antenas. Os dois sistemas têm funções distintas e complementares. O fo- tossistema II (PSII) é um sistema do tipo feofitina-quinina, contendo quantidades aproximadamente iguais de clorofilas a e b. A excitação de seu centro de reação P680 impulsiona os elétrons pelo complexo de citocromos b6f, com movimento concomitante de prótons através da memb tilacoide. O fotos-sistema I (PSI) tem um centro de reação denominado de P700 e uma alta razão entre clorofila a e b. O P700 excitado passa elétrons à proteína Fe-S ferredoxina e então para o NADP+, produzindo NADPH. Esses dois centros de reação em plantas agem em sequência para catalisar o movimento de elétrons promovido pela luz, de H2O para NADP+. Os elétrons são carregados entre os dois fotossistemas pela prot plastocianina. Para repor os elétrons que se movem do PSII ao NADP+ por meio do PSI, as cianobactérias e as plantas oxidam H2O produzindo O2. Esse processo é chamado de fotossíntese oxigênica. To- das as céls fotossintéticas produzem O2e contêm tanto PSI quanto PSII; organismos com apenas um fotossistema não produzem O2. Para cada dois fótons absorvidos (um em cada fotossistema), um elétron é transferido da água ao NADP+. Para formar uma molécula de O2, que exige a transferência de 4 elétrons de H2O a NADP+, oito fótons precisam ser absorvidos no total, quatro por cada fotossistema. - As clorofilas antenas são fortemente integradas com os carregadores de elétrons Os cofatores carregadores de elétrons no PSI e os complexos coletores de luz são parte de um complexo supramolecular. A proteína consiste em 3 complexos idênticos. Nessa estru- tura as várias moléculas de clorofilas antenas e carotenoides estão precisamente arranjadas ao redor do centro de reação. Os cofatores carregadores de elétrons do centro de reação estão, portanto, firmemente integrados com as clorofilas an- tenas. Esse arranjo permite a transferência muito rápida e efi- ciente de éxcitons das clorofilas antes p/ o centro de reação. - O fluxo cíclico de elétrons entre o PSI e o com- plexo de citocromos b6f aumenta a produção de ATP em relação a NADPH O fluxo de elétrons do PSII pelo complexo de citocromos, pelo PSI até o NADP+ é chamado de fluxo acíclico de elétrons, para distingui-lo do fluxo cíclico de elétrons, que ocorre em graus variáveis dependendo das condições de luz. A via ací- clica produz um gradiente de prótons, utilizado em processos biossintéticos redutores. O fluxo cíclico de elétrons envolve apenas o PSI, não o PSII. Os elétrons que passam do P700 para a ferredoxina não continuam até o NADP+, retornando pelo complexo do citocromos b6f até a plastocianina. A plas- tocianina então doa elétrons ao P700, que transfere à ferre- doxina. Dessa forma, os elétrons são reciclados repetidas ve- zes pelo complexo de citocromos b6f e do centro de reação do PSI, cada elétron impulsionado ao redor do ciclo pela ener- gia de um fóton. O fluxo cíclico de elétrons não é acompa- nhado pela formação liquida de NADPH ou pela liberação de O2. No entanto, é acompanhado pelo bombeamento de pró- tons pelo complexo de citocromos b6f e pela fosforilação de ADP a ATP, referida como fotofosforilação cíclica. SÍNTESE DE ATP PELA FOTOFOSFORILA- ÇÃO A atividade combinada dos dois fotossistemas vegetais move elétrons da água ao NADP+, conservando parte da energia da luz absorvida como NADPH. Simultaneamente, prótons são bombeados através da membrana tilacoide e energia é conservada na forma de um potencial eletroquímico. 2018 3 Resumo 2ª prova – VET18 Julia Louzada - Um gradiente de prótons acopla o fluxo de elé- trons e a fosforilação Diversas propriedades da transferência fotossintética de elé- trons e da fotofosforilação em cloroplastos indicam que um gradiente de prótons desempenha o mesmo papel que na fos- forilação oxidativa mitocondrial. Moléculas transferidoras de elétrons na cadeia de carregado- res que conecta o PSII e o PSI são assimetricamente orien- tadas na membrana tilacoide, de forma que o fluxo fotoindu- zido de elétrons resulta no movimento líquido de prótons atra- vés da membrana, do lado estromal para o lúmen do tilacoide. CAP 20 SÍNTESE FOTOSSINTÉTICA DE CHO A síntese de carboidratos em céls animais utiliza precursores contendo sempre pelo menos 3C, todos eles menos oxidados do que o C no CO2. Em contrapartida, plantas e microrganis- mos fotossintéticos podem sintetizar carboidratos a partir de CO2 e água, reduzindo o CO2 às custas da energia e do poder redutor fornecidos pelos ATP e pelo NADPH gerados pelas reações dependentes de luz da fotossíntese. As plantas po- dem usar CO2 como a única fonte dos átomos de C necessá- rios para a biossíntese de celulose e de amidos, de lip e de prot e de muitos outros componentes orgânicos nas céls ve- getais. As plantas verdes contêm em seus cloroplastos uma maqui- naria enzimática singular, que catalisa a conversão de CO2 em compostos orgânicos simples (reduzidos), um processo denominado assimilação de CO2. O dióxido de carbono é assimilado por uma via cíclica, seus intermediários-chave são constantemente regenerados, essa via chama ciclo de redução fotossintética do carbono ou ciclo de Calvin. O metabolismo de carboidratos é mais complexo em céls ve- getais. Além das vias universais da glicólise e da glicogênese, as plantas apresentam as sequências de reações únicas para a redução do CO2 a trioses-fosfato e a via redutora associada da pentose-fosfato - e todas essas vias precisam ser coorde- nadamente reguladas para assegurar a alocação adequada e carbono para a produção de energia e a síntese de amido e sacarose. - Os plastídeos são organelas exclusivas das célu- las vegetais e das algas A maioria das atividades biossintéticas em plantas ocorre em plastídeos cloroplastos e amiloplastos. Cloroplastos -> cé- lulas de folhas verdes. Amiloplastos ->tecidos não fotossinté- ticos que armazenam grandes quantidades de amido, ex: tu- bérculos de batata. - A assimilação do CO2 ocorre em três estágios O primeiro estágio na assimilação do CO2 em biomoléculas é a reação de fixação de carbono: a condensação de CO2 com um aceptor de 5C, a ribulose-1,5-bifosfato, para formar duas moléculas de 3-fosfoglicerato. No segundo estágio, o 3-fosfoglicerato é reduzido a trioses-fosfato. Ao todo, 3 moléc de CO2 são fixadas a 3 moléc de ribulose-1,5-bifosfato, para formar 6 moléc de gliceraldeído-3-fosfato (18C) em equilíbrio com a di-hidroxiacetona-fosfato. No terceiro estágio, 5 das 6 moléc de triose-fosfato (15C) são usadas para regenerar 3 moléc de ribulose-1,5-bifosfato (15C), o material de partida. A sexta molécula de triose-fosfato, o produto líquido da fotos- síntese, pode ser usada para produzir hexoses para combus- tível e blocos construtivos, sacarose para transporte para te- cidos não fotossintéticos ou amido p/ armazenamento. Assim, o processo global é cíclico. A via da hexose-fosfato até a pentose-bifosfato envolve muitas das mesmas reações usadas em céls animais para a conversão de pentoses-fosfato em hexoses-fosfato durante a fase não oxidativa da via da pentose-fosfato. Na assimila- ção fotossintética de CO2, essencialmente o mesmo conjunto de reações operar na outra direção, convertendo hexoses- fosfato em pentoses-fosfato. Esse ciclo redutor da pentose- fosfato usa as mesmas enzi- mas que a via oxidativa e mui- tas outras enzi- mas que tornam o ciclo redutor e irreversível. To- das as traze en- zimas da via es- tão no estroma do cloroplasto. .Estágio 1: fixação de CO2 em 3-fosfoglicerato 3-fosfoglicertato é um intermediário inicial da fotossíntese. As muitas plantas nas quais esse composto de 3C é o pri- meiro intermediário são chamadas de plantas C3. Rubisco enzima que catalisa a incorporação do CO2 em forma orgânica, ou seja, produção de biomassa a partir do CO2. Como carboxilase, a rubisco catalisa a ligação covalente do CO2 ao açúcar de 5C ribulose-1,5-bifosfato e a clivagem do intermediário instável de 6C resultante, formando duas moléculas de 3-fosfoglicertao, uma das quais aloja o C intro- duzido como CO2 em seu grupo carboxila. Existem duas formas distintas de rubisco. Forma Iencon- trada em plantas vasculares, algas e cianobactérias; forma II bactérias fotossintéticas. A enzima vegetal tem um número de renovação baixo, apenas 3 moléculas de CO2 são fixadas por segundo por moléc de rubisco a 25ºC. Portanto, para atin- gir altas taxas de fixação de CO2, as plantas precisam de grande quantidade dessa enzima. A rubisco, constitui quase 2018 4 Resumo 2ª prova – VET18 Julia Louzada 50% da proteína solúvel nos cloroplastos e provavelmente seja uma das enzimas mais abundantes na biosfera. .Estágio 2: conversão de 3-fosfoglicerato em glice- raldeído-3-fosfato O 3-fosfoglicerato formado no estágio 1 é convertido em gli- ceraldeído-3-fosfato em duas etapas que são análogas as da glicólise. A maior parte das trioses fosfato produzidas são usadas para regenerar ribulose-1,5-bifosfato; o restante é convertido em amido no cloroplasto e armazenado para uso futuro, ou é ex- portado imediatamente ao citosol e convertido em sacarose para transporte às regiões em crescimento da planta. Em fo- lhas em desenvolvimento, uma porção significativa das trio- ses-fosfato pode ser degrada pela glicólise para fornecer energia. .Estágio 3: regeneração da ribulose-1,5-bifosfato a partir das trioses-fosfato A primeira reação na assimilação de CO2 em trioses-fosfato consome ribulse-1,5-bifosfato e, para um fluxo contínuo de CO2 para carboidrato, a ribulose-1,5-bifosfato precisa ser constantemente regenerada. - A síntese de cada triose-fosfato a partir do CO2 re- quer 6 NADPH e 9 ATP O resultado líquido de três voltas do ciclo de Calvin é a con- versão de 3 moléc de CO2 e 1 moléc de fosfato em 1 moléc de triose-fosfato. 3 moléc de ribulose-1,5-bifosfato (15C) se condensam com 3 CO2 (3C) para formar 6 moléc de 3-fosfo- glicerato (18C). Essas 6 moléc de 3-fosfoglicerato são redu- zidas a seis moléc de gliceraldeído-3-fosfato, com o gasto de 6 ATP (na síntese de 1,3-bifosfoglicerato) e 6 NADPH (na re- dução de 1,3-bifosfoglicerato a gliceraldeído-3-fosfato). Uma moléc de gliceraldeído-3-fosfato é o produto líquido da via de assimilação de carbono. As outras cinco moléculas de triose-fosfato (15C) são rearranjadas para formar 3 moléc de ribulose-1,5-bifosfato (15C). A última etapa nessa conversão requer um ATP por ribulose-1,5-bifosfato, ou um total de 3 ATP. Assim para cada molécula de triose-fosfato produzida pela assimilação fotossintética de CO2 6 NADPH e 9 ATP. Por causa de 3 enzimas os animais não conseguem realizar a conversão líquida de CO2 em glicose. - Um sistema de transporte exporta trioses-fosfato do cloroplasto e importa fosfato A memb interna do cloroplasto é impermeável à maioria dos compostos fosforilados. Entretanto, ela tem um antiportador específico que catalisa a troca, na produção de um por um, de Pi por triose-fosfato. Esse antiportador mova simultanea- mente Pi para dentro do cloroplasto, onde ele é usado na fo- tofosforilação, e triose-fosfato para o citosol, onde ela pode ser usada para sintetizar sacarose, a forma na qual o carbono fixado é transportado para tecidos vegetais distantes. A síntese de sacarose no citosol e a síntese de amido no clo- roplasto são as principais vias pelas quais o excesso de tri- ose-fosfato da fotossíntese é utilizado. O ATP e o NADPH não podem cruzar a memb do cloroplasto. O sistema antiporte tem o efeito indireto de mover equivalen- tes de ATP e equivalentes redutores do cloroplasto para o citosol. - Quatro enzimas do ciclo de Calvin são indireta- mente ativadas pela luz O amido sintetizado e armazenado durante o dia é degradado para alimentar a glicólise à noite. FOTORESPIRAÇÃO E AS VIAS C4 E CAM Na fase escura as plantas também realizam respiração mi- tocondrial, a oxidação de substratos até CO2 e a conversão de O2 em H2O. Existe um outro processo em plantas que, da mesma forma que a respiração mitocondrial, consome O2 e produz CO2 e, assim como a fotossíntese, é promovido pela luz. Esse processo, a fotorrespiração, é um lado dispendi- oso da fotossíntese, resultado da falta de especificidade da enzima rubisco. - A fotorrespiração resulta da atividade de oxige- nasse da rubisco A rubisco não tem especificidade absoluta pelo CO2 como substrato. O oxigênio molecular (O2) compete com o CO2 no sítio ativo e, cerca de uma vez a cada 3 ou 4 rodadas, a ru- bisco catalisa a condensação do O2 com a ribulose-1,5-bifos- fato para formar 3-fosfoglicerato e 2-fosfoglicolato, produto metabolicamente inútil. Essa é a atividade da oxigenasse. A dependência em relação à temperatura das solubilidades do O2 e do CO2 é tal que, em temperaturas mais elevadas, a razão de O2 para CO2 na solução aumenta. Além disso, a afi- nidade da rubisco por CO2 diminui com o aumento da tempe- ratura, exacerbando sua tendência de catalisar a reação de desperdício da oxigenasse. - A via de resgate do fosfoglicolato é onerosa Sob luz solar brilhante, o fluxo pela via de resgate do glicolato pode ser muito alto, produzindo cerca de cinco vezes mais CO2 do que costuma ser produzido por todas as oxidações do ciclo do ác cítrico. As atividades combinadas da rubisco-oxigenase e da via de resgate do glicolato consomem O2 e produzem CO2 - daí o nome fotorrespiração. Ao contrário da respiração mitocôn- dria, a fotorrespiração não conserva energia. - Em plantas C4, a fixação do CO2 e a atividade da rubisco são espacialmente separadas Em muitas plantas que crescem nos trópicos, evoluiu um me- canismo que contornou o problema da dispendiosa fotorres- piração. A etapa na qual o CO2 é fixado em um produto de 3C, o 3-fosfoglicerato, é precedia por várias etapas, uma das quais é a fixação temporária de CO2 em um composto de 4C. As plantas que utilizam esse processo são chamadas de plantas C4. As plantas que utilizam o método de assimilação de C, onde a 1ª etapa é a reação do CO2 com a ribulose-1,5- bifosfato para formar 3-fosfoglicerato, são plantas C3. A fotossíntese nas folhas de plantas C4 envolve dois tipos de células: céls do mesófilo e céls da bainha vasicular. 2018 5 Resumo 2ª prova – VET18 Julia Louzada Em plantas de origem tropical, o primeiro intermediário no qual o 14 CO2 é fixado é o oxaloacetato, um composto de 4C. O oxaloacetato então formado é reduzido a malato à custa de NADPH, ou convertido em aspartato por transaminação. Nas plantas C4 as céls do mesófilo realizam a assimilação de CO2 pela via C4, e as céls da bainha vascular sintetizam amido e sacarose pela via C3. A via de assimilação de CO2 tem um custo energético maior em plantas C4 do que em plantas C3. As plantas C4 precisam de 5 moléc de ATP para assimilar uma molécula de CO2, en- quanto as plantas C3 precisam de apenas 3.
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