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Fotossíntese Profa. Dra. Amanda Cristina Esteves Amaro Fisiologia Vegetal 1. Introdução; 2. Luz; 3. Fases da fotossíntese; 4. Organização do aparelho fotossintético; 5. Reações dependentes da luz (Fases I e II); 6. Reações de fixação de carbono (Fase III); 7. Fotorrespiração; 8. Fisiologia comparada entre plantas C3 e C4; Plano de aula • Fotossíntese “síntese utilizando a luz”; • Organismos fotossintetizantes: Utilizam a energia luminosa para sintetizar carboidratos e liberar O2, a partir de CO2 e H2O; Energia luminosa em energia química; • Princípio físico-químico: processo de óxido-redução: • Síntese orgânica (carboidrato): Elétrons H2O; Energia luz. CO2 + H2O (CHO)n + O2 Luz 1. Introdução 1.1 Plantas C3 e C4: • Produtos 1° fotossíntese: 3C Plantas C3 4C Plantas C4: o 0,4% Angiospermas C4; o Monocotiledôneas (maioria) e eudicotiledôneas; o Ex.: cana-de açúcar, milho e sorgo. http://agroevento.com/agenda/i-simposio-stab-plantas-daninhas/; http://hortas.info/como-plantar-milho; http://www.sindpzoo.org/news/bovinos-principais-plantas-toxicas-causadoras-de-mortes-no-brasil-/ • Propaga-se por ondas eletromagnéticas: Propriedade de onda propagação no espaço; Partícula = fóton emitida ou absorvida. • A energia (E) de um fóton depende de sua frequência (ν): 2. Luz (Taiz; Zeiger, 2013) 2.1 Princípios de absorção de luz: • A luz só tem atividade fotoquímica se for absorvida: Pigmentos fotossintéticos. • Lei da equivalência fotoquímica de Starck-Einstein: 1 molécula 1 fóton 1 elétron 2.2 Eficiência do vermelho: absorve excita e- e- e- Estado de maior excitação Estado de menor excitação Estado basal (Kerbauy, 2004) 2.3 Efeito Émerson: •Plantas de Elodea sp. aquário O2; •Diferentes comprimentos de onda: λ 710nm = vermelho longo = 10 λ 640nm = vermelho curto = 42,2 λ 710nm + λ 640nm = 72,2 Luz branca = 100 • Radiação policromática mais eficiente que monocromática. • Fase I – Absorção da luz; • Fase II – Transformação energia da luz em energia química; • Fase III – Utilização da energia química para síntese orgânica. Reações luminosas Reações de carboxilação (Taiz; Zeiger, 2013) 3. Fases da Fotossíntese 4. Organização do aparelho fotossintético 4.1 Folhas: • Interceptação de luz e trocas gasosas: Luz Absorvida Refletida Transmitida (Kerbauy, 2004)Corte transversal de folha 4. Organização do aparelho fotossintético 4.1 Folhas: • Interceptação de luz e trocas gasosas: Mesofilo (Kerbauy, 2004)Corte transversal de folha 4.2 Cloroplastos Plantas C3: • Forma discoide; • Cercado por membranas duplas; • Estroma material amorfo, semelhante a um gel rico em enzimas: Reações de carboxilação (Fase III); Possui grãos de amido: Cloroplasto de folha da gramínea Phleum pratense (T ai z; Z ei ge r; 2 0 1 3 ) • Além das membranas internas e externas, possuem outro sistema de membranas tilacoides (Fases I e II): 1 pilha de tilacoides = granum (plural grana); Pigmentos fotossintéticos; Reações luminosas. • Lúmen Cavidade entre duas membranas do tilacoide; • Lamelas do estroma Conectam os grana adjacentes. (Taiz; Zeiger; 2013) 4.3 Plantas C4: Anatomia Kranz: • Bainha do Feixe Vascular (BFV): Parenquimática; Paredes grossas células lignificadas; Rica em mitocôndrias; Rica em cloroplastos fotossinteticamente funcional. Secções transversal do limbo foliar de cana-de-açúcar (Saccharum officinarum) AB AD Bainha do feixe vascular mesofilo (Oliveira et al., 2009) Secção transversal do limbo foliar de milho (Zea mays) Bainha do feixe vascular mesofilo estômato AB AD (Cutler; Botha; Stevenson, 2011) • 2 tipos de cloroplastos: Cloroplastos do mesofilo: Morfologicamente semelhantes aos da C3, mas fisiologicamente diferentes; Pequenos, com grana, não possuem grãos de amido; Fases I e II. Cloroplastos do mesofilo de milho (Zea mays). (C o ll et a l., 2 0 0 3 ) Cloroplastos da BFV: Morfologicamente diferentes aos da C3, mas fisiologicamente semelhantes; Grandes, sem grana (tilacoides livres), com grão de amido e arranjados concentricamente. Os tilacoides não são empilhados em granum Fase I, II e III. Cloroplastos da BFV de milho (Zea mays). (C o ll et a l., 2 0 0 3 ) Cloroplastos da BFV de capim colchão (Digitaria sanguinalis). (S al is b u ry ; R o ss , 2 0 1 2 ) 4.4 Pigmentos fotossintéticos: • Encontram-se nos tilacoides e lamelas: 4.4.1 Pigmentos clorofilianos: • Cla, Clb, Clc, Cld, Cle; • 1 anel porfirina, com Mg central, ligado a uma cadeia fitol (20C); • Essencial para a fotossíntese absorve a energia da luz e a direciona para os fotossistemas. Cl a Cl b (T ai z; Z ei ge r; 2 0 1 3 ) (Kerbauy, 2004) 4.4.2 Pigmentos carotenoides: • Pigmentos acessórios: Absorção de luz; Fotoproteção do aparelho fotoquímico. • Carotenos (alaranjados); • Xantofilas (amarelo brilhante). β-caroteno (Ta iz ; Z ei ge r; 2 0 1 3 ) 4.5 Unidade básica fotossintética (UBF): • Cada antena absorve 1 quantum; • Cada centro de reação recebe energia de 20 antenas = 20 quanta; • Molécula aprisionadora recebe 200 quanta; • 1 fotossistema = 1 UBF. Centro de reação (Cla; Clb) Moléculas antenas: Cla, Clb e carotenoides Aprisionador (Cla) Luz Luz Luz Luz • Cada UBF é um fotossistema; • Existem 2 conhecidos: PSI e PSII. Fotossistema I (PS I): • Aprisionador P700: Absorve e transforma energia de radiação λ ≤ 700nm. • Sistema de antenas LHC I (“light harvest colector”): Cla : Clb (4:1). • Ferredoxina (Fdx); • Ao = Cla especial; • A1 = Vitamina K1. Estroma Lúmen Luz (B u ch an an n et a l., 2 0 0 0 ) Fotossistema II (PS II): • Aprisionador P680: Absorve e transforma energia de radiação λ ≤ 680nm. • Sistema de antenas LHC II (“light harvest colector”): Cla : Clb (≅). • Plastoquinonas (QA QB); • Feofitina (PHEO). (B u ch an an n et a l., 2 0 0 0 ) Lúmen Estroma Luz 4.6 Complexo citocromo b6-citocromo f (cyt b6-f): • 4 polipeptídios integrais: Citocromo cyt b6 ; Citocromo f; Proteína 2Fe-2S; Componente IV. • Plastocianina (PC). (B u ch an an n et a l., 2 0 0 0 ) Lúmen Estroma • Fase I: Absorção de luz. • Fase II: Transporte dos elétrons no cloroplasto; Produção de ATP e NADPH + H+ ; Liberação de O2. 5. Reações dependentes da luz (Fase I e Fase II) 5.1 Transporte de e- no cloroplasto: (Taiz; Zeiger; 2013) (Kerbauy, 2004) Membranas empilhadas dos tilacoides Membranas não empilhadas dos tilacoides Membranas não empilhadas (Lamelas do estroma) D2 D1 P680 PS II PS I Cyt b6-f A n t e n a s A n t e n a s LuzLuz 2PHEO 2e- 2e- 2QA 2QB 2e- 2TYR 2 H2O O2 + 4e - + 4H+ 2e- 2e- 4Mn2+ 4Mn+ 2PHEO P680P680 Luz 4Mn+ 2e- 2TYR 2e- 2e- 2e- 2e- 4Mn2+ 2e- 2e - 2QB PQ2- PQ2- PQ PQ H+ H+ H+ H+H + PQH2 PQH2 H+ H+ A n t e n a s A n t e n a sP700 H+ Cyt b6 Cyt f 2Fe-2S Cyt b6 Cyt f 2Fe-2S 2e- 2e- 2e-2e - PCox PCred 2e- 2e-2e- 2e- 2PHEO 2TYR 2QA 4Fe-4S P680 2 H2O P680P680 2QA 2QB PCred PCox A1 A0 4Fe-4S A1 Luz Luz Fd P700P700 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- A0A0 A1 2 NADPH + H+ 2 NADP+ Estroma Lúmen m. externa m. interna • Condições para que a fotólise da água ocorra: Alta instabilidade elétrica do P680; Estrutura polar da água; Alto nível energético do PSII; Ação dos íons Mn2+ . 2Fe-2S Cyt b6 D1 D2 D2 D1 P680 PS II PS ICyt b6-f A n t e n a s A n t e n a s 2PHEO 2e- 2e- 2QA 2QB 2e- 2TYR 2 H2O O2 + 4e - + 4H+ 2e- 2e- 4Mn2+ 4Mn+ P680P680 4Mn+ 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e - PQ2- PQ2- PQ PQ H+ H+ H+ H+H + PQH2 PQH2 H+ H+ A n t e n a s A n t e n a sP700 H+ Cyt b6 Cyt f 2Fe-2S 2e- 2e- 2e-2e - PCox PCred 2e- 2e-2e- 2e- 4Fe-4S P680 PCred PCox A1 A0 Fd 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2e- 2 NADPH + H+ 2 NADP+Estroma Lúmen m. externa m. internaD1 D2 5.1.1 Transporte não cíclico de elétrons no cloroplasto: •Balanço Para a fotólise de 2 H2O e liberação de 1 O2; 2 NADPH + H+ ; 8 H+ no lúmen 4 H+ fotólise da H2O e 4 H + da PQH2 . D2 D1 P680 PS II Cyt b6-f A n t e n a s A n t e n a s 2QB P680P680 PQ2- PQ H+ H+ H+ PQH2 A n t e n a s A n t e n a sP700 H+ Cyt b6 Cyt f 2Fe-2S 2e- 2e- 2e- PCox PCred 2e- 2e- 2e- 4Fe-4S P680 PCred PCox A1 A0 2e- 2e- 2e- NADP+ Estroma Lúmen m. externa m. interna Fd Fd 2e- Cyt b6 Fd 2Fe-2S Cyt f Luz Luz P700 4Fe-4S A1 A0 P700 NADPH + H+ NADP+ Fd D1 D2 5.1.2 Transporte cíclico de elétrons no cloroplasto: • Ocorre quando não há NADP+ disponível; • Balanço Para a fotólise de 2 H2O e liberação de 1 O2 5.1.3 Transporte total: 2 NADPH + H+ ; 8 H+ no lúmen 4 H+ fotólise da H2O e 4 H + da PQH2 (Transporte não cíclico) ou 10 H+ no lúmen 4 H+ fotólise da H2O e 6 H + da PQH2 (Transporte não cíclico + 1 volta cíclicaMais comum) ou 12 H+ no lúmen 4 H+ fotólise da H2O e 8 H + da PQH2 (Transporte não cíclico + 2 voltas cíclicas) 5.1.4 Funções do transporte de e-: • Energização dos elétrons da H2O nos fotossistemas I e II; • ↑ [H+] no lúmen; • Síntese de NADPH + H+ no estroma; • Transporte dos elétrons altamente energizados da H2O para síntese orgânica (fase III). 5.2 Síntese de ATP no cloroplasto: • Consequência do transporte de e- ; • ↓ [H+] estroma e ↑[H+] lúmen; • ↑pH estroma e ↓ pH lúmen; • Potencial transmembrana abre canal iônico; • Cada 3H+ que retornam para o estroma 1 ATP. (B u ch an an n et a l., 2 0 0 0 ) Lúmen Estroma 5.2.1 Balanço energético para 2 H2O: • 8 H+ 3 ATP; • 10 H+ 3 ATP; • 12H+ 4 ATP. 6. Reações de fixação de carbono (Fase III) • Independentes da luz estroma do cloroplasto; • ATP e NADPH + H+ conversão do CO2 em carboidrato; • Enzima de carboxilação Rubisco (Ribulose 1,5-difosfato carboxilase); • Plantas C3: Ciclo de Calvin ocorre no estroma dos cloroplastos do mesofilo. 6.1 Síntese orgânica: (Taiz; Zeiger; 2013) 6.1.1 Síntese orgânica Plantas C3: CO2 Cetoácido (6C) RuBP (5C) 2 (3-PGA) (3C) 2 (1,3-PGA) (3C) 2 (3-PGALD) (3C) R-5-P (5C) 2 ATP 2 ADP 2 Pi 2 NADP+ 2 NADPH + H+ ATP ADP Pi Rubisco CO2 1C Hexose 6 x H2O Ciclo de Calvin Carboxilação Redução Regeneração 6.1.2 Síntese orgânica Plantas C4: • Mecanismo concentrador de CO2 ; • Anatomia foliar diferenciada tipo Kranz: 2 tipos de cloroplastos: o Cloroplastos do mesofilo; o Cloroplastos da bainha fotossinteticamente funcional. Corte transversal de uma folha de planta C4 (milho) (K er b au y, 2 0 0 4 ) • Mesofilo transportador de CO2 + enzima de carboxilação fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPcase); • Bainha enzima de carboxilação Rubisco Rotas do transporte de CO2: Enzima de descarboxilação Local Enzima málica dependente de NADP+ Cloroplasto Enzima málica dependente de NAD+ Mitocôndria PEP Carboxiquinase Citossol A) Enzima málica dependente de NADP+: CO2 HCO3 - PEP (3C) Oxaloacetato (4C) Oxaloacetato (4C) Malato (4C) Malato (4C) Piruvato (3C)Piruvato (3C) PEP (3C) NADPH + H+ NADPH + H+ NADP+ NADP+ ADP ATP Pi PEPcase Ciclo de Calvin CO2 Cloroplasto Cloroplasto Citossol Citossol Enzima málica/ NADP+ CO2 Célula do mesofilo Célula da bainha Malato desidrogenase Piruvato fosfato diquinase B) Enzima málica dependente de NAD+: CO2 HCO3 - PEP (3C) Oxaloacetato (4C) PEPcase Aspartato (4C) Glutamato α-cetoglutaratoAlanina (3C) Piruvato (3C) Piruvato (3C) PEP (3C) ADP ATP Pi Piruvato fosfato diquinase Alanina aminotransferase Cloroplasto Citossol Célula do mesofilo Célula da bainha Mitocôndria Cloroplasto Citossol Aspartato (4C) Oxaloacetato (4C) Piruvato (3C) CO2 Malato (4C) Piruvato (3C) Alanina (3C) CO2 NADP+ NADPH + H+ Glutamato α-cetoglutarato Malato desidrogenase Alanina aminotransferase Enzima málica/NAD+ Aspartato aminotransferase Ciclo de Calvin CO2 NAD+ NADH + H+ CO2 HCO3 - PEP (3C) Oxaloacetato (4C) PEPcase Aspartato (4C) Glutamato α-cetoglutaratoAlanina (3C) Piruvato (3C) Piruvato (3C) PEP (3C) ADP ATP Pi Piruvato fosfato diquinase Alanina aminotransferase Cloroplasto Citossol Célula do mesofilo Célula da bainha Cloroplasto Citossol Aspartato (4C) Oxaloacetato (4C) Piruvato (3C) CO2 PEP (3C) Alanina (3C) CO2 ADP ATP Glutamato α-cetoglutarato Piruvato quinase Alanina aminotransferase PEP carboxiquinase Aspartato aminotransferase Ciclo de Calvin CO2 ADP ATP C) PEP-Carboxiquinase: 6.1.3 Síntese orgânica Plantas CAM (MAC): Metabolismo ácido das crassuláceas: • Espécies que vivem em climas áridos, folhas grossas (suculentas), cutícula grossa, ↓transpiração: Cactaceae, Orchidaceae, Bromeliaceae, Liliaceae, Euphorbiaceae. • Abrem seus estômatos durante a noite (↑UR; ↓T°C): Acumulam malato durante a noite; Ciclo de Calvin ocorre durante o dia. CO2 HCO3 - PEP (3C) Oxaloacetato (4C) PEPcase CO2 Malato (4C) NAD(P)H + H+ NAD(P)+ Malato desidrogenase ↑↑↑[Malato] (4C) Vacúolo Citossol ↑↑↑[Malato] (4C) Vacúolo Malato (4C) NAD(P)H + H+ NAD(P)+Enzima Málica NAD+ ou NADP+ Piruvato (3C) CO2 PEP (3C) CO2 Ciclo de Calvin 3-PGA (3C) Hexose Hexose ADPPi Piruvato fosfato diquinase ATP Respiração Cloroplasto Citossol Dia Noite 7.1 Base bioquímica da fotorrespiração: • Fotossíntese é inibida por [O2] crescentes; • Em plantas C3 taxa fotossintética diminui em 50%, quando [O2] atmosférica é dobrada; 7. Fotorrespiração • Fotossíntese é estimulada quando ↓[O2]; • Espécies C4 não são significativamente afetadas pelas [O2]; • Ocorre sob folhas iluminadas. Inibição da fotossíntese nos pés de soja (C3) pelo O2 (S al is b u ry ; R o ss , 2 0 1 2 ) • Dos pontos de vista bioquímico e fisiológico fotorrespiração ≠ respiração; • A fotorrespiração causa uma perda parcial do CO2 fixado pelo ciclo de Calvin-Benson e a simultânea captação de O2 pelas folhas fotossinteticamente ativas. Propriedades cinéticas da Rubisco: • Rubisco Ribulose-1,5-bifosfato: Também possui a função oxigenase. • CO2 e O2 competem pelo sítio ativo da Rubisco e pelo substrato RuBP (Ribulose-1,5-bifosfato); • Afinidade por CO2 é muito maior do que por O2; • Em condições atmosféricas normais e sob temperaturas moderadas (20-25°C), proporção carboxi./oxi. 3:1; • ↑T°Cmaior fixação de O2. 7.2 Ciclo oxidativo fotossintético Ciclo C2: • A atividade oxigenase da Rubisco produz: 2 2-fosfoglicolato 1 CO2 + 1 3-fosfoglicerato. • Enzimas localizadas nos cloroplastos, peroxissomos e mitocôndrias. • A fotorrespiração tem perda de 25%, pois, para regenerar 2 RuBP, são necessários 4 3-PGA, porém durante a fotorrespiração são formados 3 3-PGA; • 2 Glicolato (4C) Apenas 3C retornam ao ciclo C3 (3- PGA), 1C é perdido sob a forma de CO2. Rubisco oxigenase 2 RuBP 2 2-fosfoglicolato 1 Fosfoglicolato fosfatase 2 2-fosfoglicolato 2 glicolato + 2 Pi 2 Glicolato transportado para o peroxissomo Glicolato oxidase 2 Glicolato + 2 O2 2 Glioxalato + 2 H2O2 3 5 Transaminação 2 Glioxalato 2 Glicina 4 Serina é transaminada formando hidroxipiruvato Hidroxipiruvato reduzido a glicerato 6 2 glicina 1 serina + 1 CO2 + 1 NH4 + + 1 NADH Glicerato é fosforilado a 3-PGA, incorporado no ciclo C3 7 NH4 + difunde-se para o cloroplasto; Glutamina sintetase impulsiona sua incorporação ao glutamato, dependente de ATP, produzindo glutamina; Glutamato sintetase Glutamina + 2-Oxoglutarato Glutamato. 8 (T ai z; Z ei ge r, 2 0 1 3 ) 7.3 Papel da fotorrespiração: • Evolução: Inicialmente atmosfera rica em CO2 e pobre em O2 . • Promove a recuperação do carbono que seria perdido na forma de 2-fosfoglicolato; • Minimiza a fotoinibição do aparato fotossintético pelo excesso de ATP e NADH, em situações de estresse: ↑ Luz; ↑ T°C; ↓ H2O; “Válvula de escape” para dissipaçãoda energia metabólica excedente. 8. Fisiologia comparada plantas C3 e C4 Característica Planta C4 Planta C3 Anatomia foliar Tipo Kranz Mesofilo em camadas: - P. Paliçádico; - P. lacunoso. Dimorfismo cloroplastos Presente Ausente 1° composto que reage com CO2 PEP RubiP 1° composto formado após captação CO2 Ác. oxaloacético 3-PGA Enzimas carboxilação - PEPcase (mesofilo); - Rubisco (BFV). Rubisco Enzimas descarboxilação - Málica dependende de NADP+; - Málica dependente de NAD+; - PEP carboxiquinase. Ausente Característica Planta C4 Planta C3 Localização feixe vascular Produção CHO na BFV Produção de CHO no mesofilo Secção transversal da folha dorsiventral de Buxus sempervirens. Secção transversal do limbo foliar de milho (Zea mays) (Oliveira et al., 2009) (Cutler; Botha; Stevenson, 2011) Característica Planta C4 Planta C3 Localização feixe vascular Produção CHO na BFV Produção de CHO no mesofilo Temperatura ótima da Anet 30-45°C 15-25°C H2O necessária para produzir 1g MS 250-350 mL H2O 1g MS 450-1000mL H2O 1g MS PSL Alto ( > 2000µmol m-2 s-1) Baixo (200-800µmol m-2 s-1) Fotorrespiração Não mensurável mensurável Ponto compensação de CO2 Baixo (0-10µL CO2 L -1 ar) Alto (30-70µL CO2 L -1 ar) Relação CO2: ATP : NADPH+H+ 1 mol CO2 absorvido consome: 5 ATP + 2 NADPH+H+ (2 ATP transporte de CO2) 1 mol CO2 absorvido consome: 3 ATP + 2 NADPH+H+ Alterações na fotossíntese em função da temperatura, em [CO2] normais. (Taiz; Zeiger, 2013) Temperatura ótima: Fluxo de fótons fotossinteticamente ativos (µ mol m-2 s-1) Ta xa d e as si m ila çã o lí q u id a d e C O 2 (µ m o l C O 2 m -2 s -1 ) (Kerbauy, 2004) PSL Curvas de resposta à luz (A/DFFFA): CO2 HCO3 - PEP (3C) AOA (4C) PEPcase CO2 Ciclo de Calvin CO2 Malato/Aspartato (4C) CHO CHO Rubiscocarbox Rubiscoox O2 Fotorres- piração CO2 Mesofilo BFV FV Plantas C4 Fotorrespiração: Curvas de resposta à concentração interna de CO2 na câmara subestomática (A/Ci) (Taiz; Zeiger, 2013) Ponto de saturação ao CO2 9. Referências Bibliograficas • FLOSS, E.L. Fisiologia das Plantas Cultivadas: o estudo do que está atrás do que se vê. 5ª ed. Passo Fundo: Universidade de Passo Fundo, 2011. 734p. • KERBAUY, G. B. Fisiologia Vegetal. 2ª Ed. São Paulo: Guanabara Koogan: Rio de. Janeiro, 2012. 452p. • LOPES, N. F.; LIMA, M. G. S. Fisiologia da Produção. Viçosa: Editora UFV, 2015. 492p. • TAIZ, L.; ZEIGER, E. Fisiologia Vegetal . 5ª ed. Porto Alegre: Artmed, 2013. 918p. • CASTRO, P.R.C.; KLUGE, R.A.; SESTARI, I. Manual de Fisiologia Vegetal: Fisiologia de cultivos. São Paulo: Ceres, 2008. 864p. • LARCHER W. Ecofisiologia vegetal. São Carlos: RiMa, 2006. 550p. • MARENCO, R.A.; LOPES, N.F. Fisiologia Vegetal. 3ª Ed. Viçosa: UFV, 2009. 486 p. • RAVEN, P.H.; EVERT, R.F.; EICHHORN, S.E. Biologia Vegetal. 8ª ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan. 2014. 876p. • SALISBURY, F.B.; ROSS, C.W. Fisiologia das Plantas. 4ª Ed. Cengage Learning: América Latina, 2012. 858p.
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