Fotossíntese. Etapa química (Fase Escura) FISIOLOGIA VEGETAL. Profº: MSc. André Sellaro Frigoni

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1 1 Fotossíntese Etapa química (Fase Escura) FISIOLOGIA VEGETAL Profº: MSc. André Sellaro Frigoni

2 Etapas da fotossíntese Fase fotoquímica 2

3 Etapas da fotossíntese Fase química 3

4 4 RuBisCo Classificação da Comissão de Enzimas Número e Código: E.C Nome Sistemático: 3-Fosfo-D-glicerato carboxilase (dimerizante) Nome Trivial: Ribulose bisfosfato carboxilase ou Ribulose bisfosfato carboxilase/oxigenase Siglas: RuBisCo; RuBPCase; RuBP carboxilase

5 5 RuBisCo - a proteína mais importante da Terra A RuBisCo é conhecida como a proteína mais importante e mais abundante da Terra, uma vez que praticamente toda a vida depende direta ou indiretamente dela. Esta proteína ocorre nas plantas superiores, nas plantas inferiores e em uma grande variedade de bactérias fotossintéticas. A RuBisCo representa normalmente mais de 50% da proteína das folhas das plantas superiores, pelo menos quando nos referimos a plantas do tipo C3*. Graças a esta proteína, as plantas terrestres fixam cerca de kg de carbono, mas para tal necessitam de grandes quantidades de RuBisCo. Podemos dizer que por cada pessoa do nosso planeta existem cerca de 10 kg desta proteína nas plantas terrestres. *Nota: existem plantas do tipo C3, C4 e CAM que diferem nos mecanismos fotossintéticos, e as C3 necessitam de muitas RuBisCo porque nestas as proteínas estão em contacto com o oxigénio que compete com o CO2 como veremos mais à frente.

6 6 RuBisCo - a proteína mais importante da Terra Em 1947, Wildman e Bonner descobriram a atividade carboxilase, que catalisa a reação inicial de fixação do dióxido de carbono (CO2) da fotossíntese. Em 1971, Ogren e Bowes, descobriram uma segunda atividade, a atividade oxigenase que catalisa a reação inicial de fixação de oxigênio da fotorrespiração.

7 7 RuBisCo - a proteína mais importante da Terra A primeira atividade referida atribui à RuBisCo o papel principal no processo da fotossíntese, daí resultando a sua grande importância, por outro lado esta proteína tem uma ação que dá inicio à fotorrespiração que é um processo metabólico muito considerado pelos fisiologistas, que o consideram mesmo a mais importante restrição metabólica à produtividade vegetal. Todas as RuBisCo apresentam estas duas atividades, mesmo as bactérias anaeróbias que realizam a fotossíntese, mas não libertam oxigênio, nem vivem em meios com O2, têm RuBisCos com a actividade oxigenásica, se bem que não seja realizada porque não entra em contato com O2 para o fixar. Esta proteína é uma grande alvo da engenharia genética, mas ainda não se conseguiu nenhuma forma prática de estimular a carboxilação e inibir a oxigenação, o que aumentaria a produtividade vegetal, que seria muito importante para a agricultura.

8 8 As reações enzimáticas envolvidas no processo de fixação e redução do carbono ao nível de carboidratos foram estudados por Melvin Calvin e colaboradores usando técnicas radioisotópicas ( 14 C) e cromatografia bidimensional de papel. Pelo seu trabalho na elucidação do processo de fixação do carbono na fotossíntese, Calvin recebeu o Prêmio Nobel de Química em Os trabalhos de Calvin foram realizados com algas verdes unicelulares Chlorella e Scenedesmus, em virtude de sua similaridade bioquímica com as plantas superiores e também pelo fato de poderem ser cultivadas sob condições uniformes e mortas rapidamente após ensaios de curta duração a que eram submetidas. Atualmente, o ciclo do carbono descoberto por Calvin é denominado Ciclo de Calvin ou Ciclo Fotossintético Redutivo do Carbono de Plantas C 3 porque o primeiro composto estável formado é um composto de 3 carbonos (ácido fosfoglicérico)

9 9 Após dos trabalhos de Calvin, outros pesquisadores (Hatch, Slack, Kortschak) determinaram que algumas espécies de gramíneas tropicais como cana de açúcar e milho, são capazes de fixar CO 2 em compostos de 4 carbonos, como malato e aspartato, além do que é feito pelo ciclo C 3 de Calvin. Essas plantas são denominadas atualmente "Plantas concentradoras de CO 2 " ou plantas C 4. Posteriormente, foi descoberto que algumas espécies de plantas de regiões áridas, como cactaceas por exemplo, abrem seus estómatos somente a noite e fixam CO 2 pelo mecanismo C 4. Durante o dia, essas plantas fecham seus estómatos para evitar a excessiva perda de água, mas apresentam o ciclo C 3, chamadas de plantas C3. As plantas com essas características são denominadas de plantas CAM (plantas de metabolismo ácido crasuláceo), plantas CAM.

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12 12 O ciclo começa com a reação de uma molécula de CO 2 com um açúcar de cinco carbonos conhecido como ribulose difosfato catalisada pela enzima rubisco (ribulose bifosfato carboxilase/oxigenase, RuBP), uma das mais abundantes proteínas presentes no reino vegetal.

13 13 O ciclo começa com a reação de uma molécula de CO 2 com um açúcar de cinco carbonos conhecido como ribulose difosfato catalisada pela enzima rubisco (ribulose bifosfato carboxilase/oxigenase, RuBP), uma das mais abundantes proteínas presentes no reino vegetal.

14 14 Forma-se, então, um composto instável de seis carbonos, que logo se quebra em duas moléculas de três carbonos (2 moléculas de ácido 3-fosfoglicérico ou 3- fosfoglicerato, conhecidas como PGA). O ciclo prossegue até que no final, é produzida uma molécula de glicose e é regenerada a molécula de ribulose difosfato.

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16 16 Forma-se, então, um composto instável de seis carbonos, que logo se quebra em duas moléculas de três carbonos (2 moléculas de ácido 3-fosfoglicérico ou 3- fosfoglicerato, conhecidas como PGA). O ciclo prossegue até que no final, é produzida uma molécula de glicose e é regenerada a molécula de ribulose difosfato.

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18 18...também conhecido como triose fosfato,3-fosfogliceraldeído,aldeído fosfoglicérico ou 3-fosfato de gliceraldeído, e abreviado como G3P, GADP, GAP ou PGAL, é um composto químico que ocorre como um intermediário em diversos vias metabólicas centrais de todos organismos. C 3 H 7 O 6 P Glicose Sacarose Maltose Podendo ser reciclado novamente

19 19 Forma-se, então, um composto instável de seis carbonos, que logo se quebra em duas moléculas de três carbonos (2 moléculas de ácido 3-fosfoglicérico ou 3- fosfoglicerato, conhecidas como PGA). O ciclo prossegue até que no final, é produzida uma molécula de glicose e é regenerada a molécula de ribulose difosfato.

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23 23 Fotossíntese Continuação Etapa química (Fase Escura) FISIOLOGIA VEGETAL Profº: MSc. André Sellaro Frigoni

24 24 (2) Etapa bioquímica: fixação do carbono As reações que catalisam a redução de CO2 para carboidratos são acopladas ao consumo de ATP e NADPH gerados no fluxo de elétrons fotossintético. Esta redução de CO 2 ocorre no estroma, fase aquosa do cloroplasto, onde estão localizadas as enzimas que catalisam tais reações. A relação entre as reações fotoquímicas e bioquímicas da fotossíntese (Taiz & Zeiger, 1998).

25 25 A fixação do CO 2, conhecida como Ciclo de Calvin-Benson, envolve uma série de reações: 1- Carboxilação 2- Redução 3- Regeneração Enzima: Ribulose 1,5-bisfosfato carboxilase/oxigenase- RUBISCO

26 26 3C PLANTAS C 3 Fonte: Taiz e Zeiger, 2004.

27 27 CARBOXILAÇÃO REGENERAÇÃO REDUÇÃO

28 Fonte: Taiz e Zeiger, Fosforilação REDUÇÃO

29 29 CARBOXILAÇÃO REGENERAÇÃO REDUÇÃO

30 30 Para cada 6 moléculas de CO 2 fixados Consumo 12 NADPH 18 ATP

31 Quando a concentração de O 2 é maior do que a de CO 2, a RUBISCO reage com o O 2, processo chamado de FOTORRESPIRAÇÃO. 31

32 32 A ribulose 1,5-bifosfato carboxilase é também oxigenase. Catalisa a adição de O 2 à ribulose 1,5 bifosfato para formar fosfoglicolato e 3-fosfoglicerato. Quando o O 2 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 hidrolizado para glicolato, que é o substrato para a fotorrespiração. Esquema simplificado da fotorrespiração.

33 C4, C3 e CAM 33

34 Plantas C 4 34

35 35 VANTAGENS DO CICLO C4: A enzima fosfoenolpiruvato carboxilase utiliza como substrato o HCO 3 - que não compete com O 2, ou seja, a fotorrespiração é suprimida no mesofilo; A enzima PEP carboxilase tem elevada afinidade pelo substrato (HCO 3- ), o que a permite atuar mesmo em concentrações baixas do substrato; A grande afinidade da enzima pelo substrato permite que as plantas C4 fotossintetizem com pequena abertura estomática e, consequentemente, com baixa perda de água. Uma conseqüência do exposto acima é que as plantas C4 sobrevivem bem em ambientes com altas temperaturas e climas semi-áridos (quentes e secos);

36 36 Existe alguma desvantagem? Mecanismo de regeneração do PEP consome dois ATP. Assim, as C 4 gastam 5 ATP para cada CO 2 fixado; As plantas C3 gastam apenas 3 ATP por CO2 fixado.

37 37 PLANTAS CAM Vanilla sp. Abacaxi Kalanchoe sp.

38 CAM(Metabolismo Ácido Crassuláceo) 38

39 39 Metabolismo CAM Embora bioquimicamente estes processo de fixação de CO2 seja igual ao realizado pelas plantas C4, uma das diferenças mais acentuadas entre ambos é a ocorrência da compartimentação temporal nas plantas CAM

40 40 O mecanismo CAM permite as plantas a serem mais eficientes no uso da água. C3 C4 CAM 400 a 500 g de água por cada grama de CO2 fixado 250 a 300 g de água por cada grama de CO2 fixado 50 a 100 g de água por cada grama de CO2 fixado

41 41 Fatores que afetam a fotossíntese Muitos fatores influenciam a fotossíntese: Água Luz Nutrientes Minerais CO 2 Temperatura Idade de planta Genótipo O fator que mais limita a fotossíntese em ecossistemas naturais e agrícolas é a água

42 Estresses ambientais X Fotossíntese 42

43 43 Excesso de Luz FOTOINIBIÇÃO (Reversível) FOTOOXIDAÇÃO (Irreversível)

44 44 A foto-inibição envolve danos aos centros de reação, especialmente PSII, quando eles são sobre-excitados. O que acontece no PSII é a perda da proteína envolvida na transferência de elétrons entre P680 e PQ. Esta proteína pode ser recuperada posteriormente. Resulta em uma baixa utilização quântica e em baixo rendimento assimilatório

45 45 Foto-oxidação envolve diretamente os pigmentos receptores de luz. Quando estes absorvem muita luz, ficam muito tempo excitados e interagem com o CO 2 produzindo radicais livres, como superóxido (O 2 -), o qual pode destruir os pigmentos. Há algumas defesas bioquímicas, como a enzima superóxido dismutase (SOD) que destrói os radicais livres, mas essas defesas são insuficientes se a exposição à alta luminosidade é prolongada.

46 Fonte: Magalhães et al., Pesq. agropec. bras., v.44, n.7, p , jul

47 47 Limitações estomáticas Estresse hídrico Limitações não estomáticas Redução da condutância estomática Danos no aparato fotossintético, gera ROS Reduz a absorção de CO2 Redução na eficiência carboxilativa Redução na fotossíntese Redução na fotossíntese

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