15 -Fotossíntese
15.1. Formas de obtenção de energia
Os seres vivos podem ser classificados pelas diferentes formas de obtenção de energia. De forma mais geral os organismos podem ser autotróficos ou heterotróficos, o termo autotrófico, mais simploriamente significa aquele organismo capaz de produzir seu próprio alimento, porém a explicação correta é, aquele organismo que utiliza o gás carbônico CO2 do ar como fonte de carbono. Por sua vez o termo heterotrófico, mais simploriamente significa aquele organismo que tem de obter seu alimento ingerindo outro ser vivo, porém a explicação correta é, aquele organismo que obtém como fonte de carbono o carbono orgânico de outros seres.
As formas corretas de obtenção de energia, devem levar em consideração além da obtenção de carbono, como explicado no parágrafo anterior, a forma de obter elétrons para a produção de energia (glicose, frutose ou ATP). Sendo assim podemos classificar os organismos como Fotoautotróficos, Fotoheterotróficos, Quimioautotróficos e Quimioheterotróficos (Fig.1).
Fotoautotrófico
Organismos que obtém elétrons (energia) a partir dos fótons obtidos da luz solar e carbono obtido do CO2 do ar, como por exemplo as plantas e algas.
Fotoheterotróficos
Organismos que obtém elétrons (energia) a partir dos fótons obtidos da luz solar e carbono obtido por meio de matéria orgânica, como por exemplo as bactérias purpura.
Quimioautotróficos
Organismos que obtém elétrons (energia) a partir da oxidação de compostos químicos e carbono obtido do CO2 do ar, como por exemplo as bactérias nitrossomonas e nitrobacter.
Quimioheterotróficos.
Organismos que obtém elétrons (energia) a partir da oxidação de compostos químicos (respiração celular) e carbono obtido por meio de matéria orgânica (alimento), como por exemplo os seres humanos, animais de modo geral.
Figura 1 - Esquema destacando as formas de obtenção de energia dos seres vivos.
15.2. Fotossíntese
A fotossíntese é uma processo fotoautotrófico realizado através da clorofila presente nas plantas verdes, que, através da energia da luz solar, absorvem água e dióxido de carbono da atmosfera que são transformados em energia química. Simultaneamente, há libertação de oxigênio na atmosfera, que renova e purifica o ar.
Este processo vai ocorrer nos cloroplastos, que são um tipo de cromoplastos que contém pigmento chamado clorofila, que são capazes de absorver a energia eletromagnética da luz solar e a convertem em energia química.
As células vegetais e as algas verdes possuem um grande número de cloroplastos, de forma esférica ou ovóide, variando de tamanho de acordo com o tipo celular, e são bem maiores que as mitocôndrias (Fig.2).
Figura 2 - Cloroplasto, organela responsável pela fotossíntese.
A fotossíntese também chamada de assimilação clorofiliana, consiste na fabricação de substâncias orgânicas a partir de substâncias inorgânicas, utilizando a luz como fonte de energia para a realização da reação.
A substância orgânica sintetizada é a glicose, um importante alimento orgânico utilizado como fonte de energia.
Assim, os seres fotossintetizantes são capazes de fabricar esse tipo de alimento em seu próprio corpo, a partir de substâncias inorgânicas obtidas do meio ambiente. Trata-se, portanto, de um mecanismo de nutrição autótrofa (autotrófica), realizado pelas algas, pelas plantas e por algumas espécies de bactérias.
A fotossíntese realizada pelas algas e pelas plantas (briófitas, pteridófitas, gimnospermas e angiospermas) pode ser representada pela seguinte equação geral:
6CO2 + 12H2O ===> C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
luz
O CO2, um dos reagentes do processo, normalmente é obtido a partir do meio ambiente. As plantas terrestres o absorvem da atmosfera, enquanto as plantas aquáticas submersas o obtêm do meio aquoso (absorvem o CO2 que se encontra dissolvido na água). Vale lembrar, entretanto, que, dependendo da intensidade luminosa recebida pela planta, o CO2 utilizado na fotossíntese pode ser proveniente da reação da respiração aeróbia realizada pelas próprias células do vegetal.
A água (H2O), outro reagente do processo, também é obtida a partir do meio ambiente. As plantas terrestres geralmente a absorvem do solo por meio de suas raízes, enquanto as aquáticas a retiram do próprio meio aquoso em que se encontram.
A luz utilizada como fonte de energia é a solar, embora já se tenha demonstrado experimentalmente que a reação fotossintética também pode ocorrer com luz artificial, porém de maneira pouco intensa.
A clorofila é um pigmento verde dos vegetais que contém magnésio (Mg) em sua molécula. Exerce um papel fundamental para a realização da fotossíntese, uma vez que é a substância responsável pela absorção da luz.
Existem diferentes tipos de clorofila (a, b, c, d), sendo as mais comuns a clorofila "a" e a clorofila "b". Todas são muito parecidas quimicamente, apresentando apenas pequenas diferenças na estrutura molecular e no grau de tonalidade da cor verde. Veja os exemplos a seguir:
Como sabemos, a luz branca, na realidade, resulta da combinação de diversas radiações (infravermelha, vermelha, laranja, amarela, verde, azul, anil, violeta e ultravioleta), que possuem diferentes comprimentos de onda.
As radiações vermelha, laranja, amarela, verde, azul, anil e violeta compõem o chamado “espectro visível”, porque são as radiações que conseguimos enxergar quando a luz se decompõe ao atravessar um prisma.
Quando a luz solar incide na planta, as moléculas de clorofila não absorvem toda a radiação presente com a mesma intensidade. Através de um aparelho chamado espectrofotômetro, constatou-se que os comprimentos de onda vermelho e azul são os mais intensamente absorvidos pela clorofila, enquanto os comprimentos de onda verde e amarelo são os menos absorvidos. Aliás, a absorção da luz verde é quase nula.
A clorofila reflete quase toda radiação verde e, por isso, nós a enxergamos dessa cor.
Figura 3. Esquema representando os diferentes comprimentos de onda da luz visível, e a capacidade de absorção das clorofilas "a" e "b".
A fabricação da glicose (C6H12O6) é o principal objetivo da reação, uma vez que a planta utiliza essa substância como alimento. A planta a usa na respiração celular e também como matéria-prima para fabricação de outros compostos orgânicos de que necessita, como por exemplo na produção de parede celular (celulose). Em certas situações, a planta produz mais glicose do que consome. Nesse caso, o excesso da produção é armazenado sob a forma de amido que, quando houver necessidade, será também utilizado. Lembre-se de que o amido é o material de reserva dos vegetais.
Para facilitar o estudo da fotossíntese o processo será divido em fase clara e fase escura.
Fase clara (fase luminosa, etapa fotoquímica)
Esta é a primeira etapa da reação de fotossíntese e só se realiza em presença de luz, este processo ocorre nas membranas dos tilacóides, graças a uma série de proteínas de membrana chamadas de fotossitemas. Os principais fenômenos que ocorrem nessa etapa são: absorção e utilização da luz, fotólise da água com liberação de O2, e íons H + , síntese de ATP através das fotofosforilações cíclica e acíclica e formação de NADPH2 (NADPH + H + ).
A luz absorvida é utilizada na fotólise da água e nas fotofosforilações.
Fotólise da água (reação de Hill) – Consiste na decomposição (“quebra”) das moléculas de água, utilizadas como reagentes, sob a ação da luz, conforme mostra a equação representada a seguir:
H2O ===> 2H + + 2e – + ½O2
Luz
Fotofosforilação – É um processo de formação de ATP que usa energia primariamente originária da luz para unir o ADP a um Pi (fosfato inorgânico). Neste processo a luz é captada pelo fotossistema 2 (PSII) e a energia obtida do fóton é empregada na fotólise da água, que promoverá a liberação de energia sob a forma de elétrons. Os elétrons produzirão um gradiente de concentração de H + no lúmen do tilacóide, este gradiente será necessário para a produção de ATP. No fotossistema 1 (PSI) o elétron é reenergizado e será empregado na produção de NADPH.
O ATP produzido na fotofosforilação será degradado em ADP + Pi, na 2ª etapa da fotossíntese, para fornecer energia às reações da fase escura. Já o NADP (nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato) receberá os hidrogênios liberados da fotólise da água, levando-os para a fase escura, onde esses hidrogênios serão liberados e utilizados na síntese da glicose. O NADP, portanto, é um aceptor e transportador de hidrogênios.
Figura 4: Esquema da seção de uma membrana do tilacóide, destacando os fotossitemas I e fotossistema II.
Figura 5: Esquema simplificado do ciclo de Calvim, ciclo de fixação do carbono.
Fase escura (Ciclo de Calvin, fase enzimática, etapa química)
É a segunda etapa da reação de fotossíntese independe da luz para ocorrer, porém depende dos produtos da primeira etapa. Nesta etapa a enzima RUBISCO é responsável pela fixação das moléculas de CO2 , utilizando o ATP como energia e o NADPH para hidrogenação (entrega de hidrogênios).
As moléculas de 3CO2 são capturadas pela enzima rubisco e inseridas em 3 moléculas de Ribulose-1,5-bifosfato, após inúmeras reações são produzidas 6 moléculas de Gliceraldeido-3-fosfato. Esta molécula é extremamente versátil.
Um destes Gliceraldeido-3-fosfato deixa o ciclo de Calvin para da origem a inúmeras moléculas, como por exemplo a glicose, frutose, aminoácidos, ácidos graxos e até celulose.
Podemos resumir a interação entre a fase clara e a fase escura segundo a Figura 6.
Figura 6: Esquema representativo da interação entre a fase clara e escura da fotossíntese.
O ciclo de Calvin para produzir uma molécula de glicose (C6H12O6) terá de fazer dois ciclos de produção, pois cada ciclo, como visto na figura 5, produz apenas 1 gliceraldeido-3-fosfato (C3H6O3), logo dois gliceraldeido-3-fosfato produzirão uma molécula de glicose, fechando assim a equação simplificada da fotossíntese:
6CO2 + 12H2O ===> C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
luz glicose
Referências:
JUNQUEIRA, Luis C. & CARNEIRO, J. "Biologia Celular e Molecular". Editora Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 1991. 5ª Edição. Cap. 1.
OLIVEIRA, Óscar; RIBEIRO, Elsa & SILVA, João Carlos "Desafios Biologia". Editora ASA, Porto, 2007. 2ª Edição. Cap.1.
AMABIS, JOSÉ MARIANO; MARTHO, GILBERTO RODRIGUES. Volume 1: Biologia das células – 3. Ed. – São Paulo: Moderna, 2010.
NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger: Princípios de Bioquímica. 3ª ed., Sarvier, 2003
Crédito imagens:
botão externo: Please, copy this code on your website to accredit the author: <a href="http://www.freepik.com">Designed by brgfx / Freepik</a>
Cabeçalho: Imagem de <a href="https://pixabay.com/pt/users/dmarr515-16334776/?utm_source=link-attribution&utm_medium=referral&utm_campaign=image&utm_content=5169796">dmarr515</a> por <a href="https://pixabay.com/pt/?utm_source=link-attribution&utm_medium=referral&utm_campaign=image&utm_content=5169796">Pixabay</a>
Figura 2: <a href="https://www.freepik.com/vectors/background">Background vector created by brgfx - www.freepik.com</a>
Figura 3: <a href="https://pt.vecteezy.com/vetor-gratis/prisma">Prisma Vetores por Vecteezy</a>