O IC G LÓ IO B O EIX

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1 EIX BILÓGI

2 Unidade 12 rocessos Biológicos na aptação e Transformação de Matéria e Energia Metabolismo energético I: Fotossíntese e Quimiossíntese Autora: rofessora onsuelo Medeiros Rodrigues de Lima I Introdução II Fotossíntese III Quimiossíntese IV Referências

3 #M2U12 I Introdução Você, prezado(a) aluno(a), que está adquirindo conhecimentos na área biológica, já pensou na definição de vida? Será que já existe uma definição exata desse fenômeno? estudo da vida, na verdade, da manutenção de um estado que nós chamamos de vida, sempre foi e sempre será foco natural do interesse dos cientistas Murphy e Neill fazem uma abordagem interessante desse tema no livro que é vida?, o qual menciono como importante sugestão de leitura Além disso, o estudo do conteúdo do Módulo 1 e a leitura do texto-base deste módulo, certamente, estimularam-no a refletir sobre as questões relativas à vida e endereçaram-no à busca de informações sobre tal tema Essa atividade enriquecerá, e muito, sua capacidade de compreensão de cada uma das unidades deste módulo Atividade complementar 1 1 Reflita sobre a seguinte frase: conhecimento adquirido por meio das investigações na área biológica permite a identificação de características comuns à matéria animada, aos seres vivos Aproveite essa questão para pesquisar e elaborar uma lista das características dos seres vivos 2 om as características listadas por você, vamos fazer um outro exercício reflexivo arl Sagan foi um dos cientistas que ajudou na elaboração das mensagens sobre a vida no planeta Terra, as quais foram lançadas no espaço por meio da ioneer 10 e 11 (em 1972 e 1973, respectivamente) Se você precisasse explicar o que é vida para alguém que não conhecesse a Terra, como você faria? Redija uma carta de, no mínimo, uma lauda com essa explicação Após essa atividade, discuta quais foram as facilidades e dificuldades que sentiu para cumprir a tarefa ara manter a vida, realizando as diversas funções biológicas, um organismo (ou mesmo uma célula) necessita de matéria e energia Assim, antes de passar à leitura desta unidade, seria interessante reler o conteúdo da unidade 5 deste módulo, que trata das estratégias de captura e obtenção de matéria pelos organismos conteúdo desta unidade pretende apresentar os processos básicos de síntese de biomoléculas utilizados pelos organismos, considerando a fonte de energia que dirige tal 430 Módulo II rocessos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia

4 Biológico BS processo ara tanto, é importante que consideremos primeiro a classificação dos organismos de acordo com as fontes de matéria e de energia Em função da fonte de carbono, os organismos podem ser heterotróficos (do grego heteros, outro, e trophos, alimentador, isto é, alimentados por outros ), os quais obtêm seus carbonos a partir de compostos orgânicos (mais reduzidos que o 2), produzidos por fontes externas ou autotróficos (que se auto-alimentam ou nutrem ) Esses utilizam o 2 como fonte única de carbono para a biossíntese celular Animais, fungos e muitos organismos unicelulares, como a maioria das bactérias e protistas, são heterotróficos, enquanto plantas, algas, cianobactérias e algumas bactérias são autotróficas Quanto à obtenção de energia os organismos podem ser fototróficos, se a fonte de energia para o metabolismo for a luz solar, ou quimiotróficos, se a energia é obtida a partir da oxidação de substâncias químicas Se a substância química usada como fonte de energia for um composto orgânico (glicose, acetato, etc), o organismo é denominado quimiorganotrófico e se for inorgânica (como o íon amônio (N4+), o 2S, o ferro ferroso (Fe2+), etc), é quimiolitotrófico s organismos quimiorganotróficos são, invariavelmente, heterotróficos or outro lado, muitos quimiolitotróficos e, praticamente, todos os fototróficos são autotróficos (Figura 1) RGANISMS AUTTRÓFIS RGANISMS ETERTRÓFIS RGANISMS FTTRÓFIS RGANISMS QUIMITRÓFIS Figura 1: rganismos autotróficos, heterotróficos, quimiotróficos e fototróficos A maioria dos organismos autotrótroficos obtém energia para suas funções metabólicas a partir da luz e são denominados fotoautotróficos ou fotossintetizantes utros autótrofos obtêm energia a partir da oxidação de compostos inorgânicos e são denominados quimioautotróficos ou quimiolitotróficos Ambos os grupos são capazes de crescer em meio totalmente inorgânico s fotoautotróficos compreendem um grupo bastante diverso, que inclui eucariotos (plantas superiores e algas) e procariotos (cianobactérias e outras bactérias), enquanto os quimioautotróficos compreendem apenas algumas espécies de bactérias e nenhum eucarioto Atividade complementar 2 Agora, que tal tentar classificar os seres humanos, a bactéria Escherichia coli e as cianobactérias utilizando as definições acima? onsórcio Setentrional de Ensino a Distância 431 B

5 # M2U12 rocessos Biológicos na aptação e Transformação de Matéria e Energia Metabolismo energético I: Fotossíntese e Quimiossíntese Ao realizar essa tarefa você poderá observar o compartilhamento de fontes de energia e de carbono mesmo entre organismos tão diversos quanto o homem e uma bactéria Nós, humanos, por exemplo, somos classificados como quimioheterotróficos, mais especificamente, quimiorganotróficos, visto que utilizamos a energia conservada a partir da oxidação de compostos orgânicos De fato, no caso da fonte de energia ser um composto químico, ocorre a oxidação (remoção de elétrons) de tal composto e a conservação de parte da energia liberada na forma de coenzimas reduzidas (potencial redutor) e de adenosina trifosfato (AT), um composto rico em energia (Figura 2) Quando a fonte de energia é a luz solar, primeiro ocorre a conversão da energia dos fótons na energia química do AT (e, muitas vezes, também em potencial redutor) A energia do AT e também o potencial redutor são utilizados em processos que requerem energia, como por exemplo, a geração de biomassa por meio da fixação dos carbonos do 2 em compostos orgânicos (como veremos posteriormente) Figura 2: Molécula do AT (Adenosina Trifosfato) Dessa forma, podemos dizer que todos os organismos vivos compartilham a necessidade de energia química na forma da molécula de AT para realizar suas funções e que o processo de obtenção dessa forma de energia é a base para a classificação dos organismos nos dois grandes grupos mencionados acima, quimiotróficos e fototróficos Entretanto, apesar das diferenças na fonte de energia, há uma característica comum na evolução de todos os sistemas viáveis: o AT, gerado a partir de AD e i, é um meio universal de troca de energia bioquímica; energia que pode ser usada para realizar o trabalho celular Neste ponto, caberia a análise da estrutura da molécula de AT para ajudá-lo(a) a compreender sua função nos processos metabólicos Atividade complementar 3 esquise e responda: que características tem a molécula de AT que a habilita a exercer a função de moeda metabólica? Existem outras moléculas capazes de exercer tal função? Essa diversidade nas fontes de energia e carbono envolve aspectos evolutivos interessantes, inclusive os relacionados à competição por determinados nutrientes or exemplo, os organismos que usam como fonte de energia compostos químicos inorgânicos, ao invés de compostos orgânicos, reduzem a questão da competição com organismos organotróficos com os quais convive Além disso, podem aproveitar muitos compostos 432 Módulo II rocessos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia

6 Biológico BS B inorgânicos, como o 2 S, gerados pelo metabolismo de organismos quimiorganotróficos e excretados para o meio Tal estratégia, desenvolvida por determinados organismos quimiolitotróficos, reflete uma forma de manutenção da vida que envolve a exploração de recursos não utilizáveis por outros organismos No caso dos organismos fototróficos, há a grande vantagem da disponibilidade da fonte de energia que utilizam (luz solar), além de não haver competição com os organismos quimiotróficos Em uma terminologia mais ecológica, os organismos autotróficos recebem também a denominação de produtores primários, visto que têm a capacidade de sintetizar matéria orgânica a partir de 2, propiciando matéria e energia para os quimiorganotróficos e, também, para si mesmos A tabela 1 resume as informações referentes a tais classificações, considerando a natureza da fonte de energia e da fonte de carbono Tabela 1: lassificação de autótrofos e heterótrofos conforme a fonte de energia Fonte de arbono Fonte de arbono Fonte de Energia Substâncias Químicas Luz Dióxido de carbono ( 2 ) (autotróficos) Quimioautotróficos Bactéria do hidrogênio, bactéria sulfurosa incolor, bactéria nitrificante, bactéria do ferro Fotoautotróficos lantas verdes, maioria das algas, bactéria sulfurosa púrpura, bactéria sulfurosa verde ompostos orgânicos (heterotróficos) Quimioheterotróficos Animais, maiorias das bactérias, fungos, protozoários Fotoheterotróficos oucas algas e a bactéria não sulfurosa púrpura Saiba mais á, entretanto, certa versatilidade quanto às fontes de matéria e energia, permitindo que alguns organismos aproveitem o que estiver mais prontamente disponível em seu ambiente Essa versatilidade reflete uma competência metabólica que resulta em aumento das chances de sobrevivência frente a mudanças em seu ambiente omo já mencionado, a energia química e a energia luminosa podem ser conservadas nas células na forma de AT e é esta forma de energia que dirige as reações biossintéticas e outros processos celulares que requerem energia (processos ativos) Vamos iniciar nossa empreitada conhecendo os mecanismos envolvidos no processo geral em que a fonte de energia é a luz, denominado fotossíntese #M2U12 II Fotossíntese É bem provável que você já tenha ouvido, inúmeras vezes, a palavra fotossíntese Entretanto, talvez não tenha pensado no por que desse nome, na sua importância, quais organismos podem realizá-la, etc u será que pensou? Afinal, esse é um dos temas mais instigantes da área biológica De qualquer forma, boa parte do conteúdo desta unidade deverá ajudá-lo(a) a responder tais questionamentos e, é claro, a formular novas questões desenvolvimento de organismos mais complexos na terra ocorreu atrelado à capacidade de realizar a biossíntese; especialmente quando houve a aquisição da capacidade de absorver e aproveitar a energia luminosa (em princípio, fonte inesgotável de energia) Esse foi um evento evolutivo crucial, visto que permitiu o surgimento de sistemas vivos sustentáveis Assim, um bom ponto de partida para entender a importância do processo fotossintético é a leitura de textos que apresentem uma perspectiva histórica desse tema (disponíveis na maioria dos livros-texto de bioquímica) onsórcio Setentrional de Ensino a Distância 433

7 # M2U12 rocessos Biológicos na aptação e Transformação de Matéria e Energia Metabolismo energético I: Fotossíntese e Quimiossíntese Fotossíntese, de forma geral e bem resumida, é a síntese de compostos orgânicos a partir de 2, utilizando a energia luminosa absorvida por pigmentos, especialmente as clorofilas Esse processo envolve a redução do 2 e requer um doador de elétrons Se esse doador for a 2, resultará na liberação de 2 e o processo será designado fotossíntese oxigênica lantas, cianobactérias e algas, por exemplo, realizam a fotossíntese oxigênica; desta forma, além de serem fonte de alimento e biomassa para os demais níveis tróficos, também liberam oxigênio ( 2 ), que fica disponível para organismos aeróbios aso o doador de elétrons seja outro composto, não haverá liberação de 2, caracterizando a fotossíntese anoxigênica Isso ocorre, por exemplo, no caso da bactéria púrpura, que utiliza 2 S como doador de elétrons, liberando enxofre elementar Relembrando, os organismos que realizam a fotossíntese são denominados fotossintetizantes ou fotoautotróficos, visto que utilizam a luz como fonte de energia e podem crescer tendo o 2 como fonte única de carbonos lantas, algas (eucariotos unicelulares) e muitas bactérias (procariotos) são seres fotossintetizantes e realizam a fotossíntese através de mecanismos básicos essencialmente iguais, diferindo apenas em alguns detalhes Em função da complexidade do processo e da relação mais direta que temos com as plantas, daremos ênfase à fotossíntese que ocorre nas células fotossintéticas de vegetais A energia luminosa é, efetivamente, a força que impulsiona a ciclagem de elementos químicos essenciais aos organismos vivos, como o carbono e o oxigênio A figura 3 ilustra a ciclagem de 2 e 2 entre seres fotossintetizantes e heterotróficos e a luz solar como fonte primária de energia Esse processo garante a manutenção da maioria dos organismos autotróficos (produtores de material orgânico), como também a dos consumidores heterotróficos s organismos fotossintetizantes convertem a energia dos fótons de luz em AT e potencial redutor (nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato na forma reduzida NAD) e usam essa energia para sintetizar compostos orgânicos, a partir de 2 e 2, liberando 2 para a atmosfera s organismos heterotróficos com metabolismo aeróbio (que inclui o homem e as próprias plantas) obtêm energia na forma de AT, utilizando o 2 atmosférico para oxidar os produtos ricos em energia, também oriundos do processo fotossintético Em resumo, na maioria dos sistemas biológicos, a síntese de moléculas orgânicas é dirigida, direta ou indiretamente, pela energia luminosa; um dos aspectos que reflete a sua importância para os seres vivos ( 2 ) ( 2 ) ( 2 ) fotoautotrófico (arboidato) heterotrófico Figura 3: Relação entre energia solar, os fototróficos e os heterotróficos 434 Módulo II rocessos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia

8 Biológico BS B Fotossíntese em plantas processo fotossintético em vegetais ocorre em duas fases A primeira envolve a absorção da energia luminosa e é denominada fase ou reações dependentes de luz, também conhecida como fase clara A segunda é denominada fase ou reações de assimilação de carbono, também conhecida pela denominação equivocada (embora amplamente difundida) de fase escura A primeira fase depende diretamente da incidência de energia luminosa, que é absorvida pelas clorofilas e outros pigmentos e conservada nas moléculas de AT e NA- D, com liberação de 2 A energia química do AT e do NAD é utilizada na segunda fase para dirigir a redução de 2, gerando inicialmente trioses fosfato que poderão tomar diversos caminhos metabólicos, principalmente a síntese de amido e sacarose, como também outros compostos orgânicos processo geral de fotossíntese oxigênica pode ser representado pela equação abaixo, que descreve uma reação de oxido-redução, em que a 2 doa potencial redutor (elétrons) para a redução do 2 a carboidratos: Equação F Energia Luminosa 2 + ( 2 ) Em células eucarióticas fotossintéticas, tanto as reações de absorção de energia luminosa quanto a redução do 2 acontecem em organelas especializadas denominadas cloroplastos A figura 4 apresenta um esquema da estrutura básica de um cloroplasto Sua estrutura compreende duas membranas, uma externa (menos seletiva) e uma interna (mais seletiva), que delimita a fase aquosa interna do cloroplasto, o estroma Esse compartimento interno contém os tilacóides, vesículas membranosas achatadas, geralmente arranjadas em pilhas (grana) As membranas tilacóides (também chamadas lamelas) contêm toda a maquinaria (pigmentos, complexos enzimáticos, etc) envolvida na absorção e conversão de energia luminosa em energia química, enquanto o estroma contém a maior parte das enzimas requeridas para a assimilação do 2 Lamela Grana (ila de Tilacóides) Espaço Intermembranas Membrana externa Membrana interna Tilacóide Estroma Figura 4: Esquema da estrutura de um cloroplasto onsórcio Setentrional de Ensino a Distância 435

9 # M2U12 rocessos Biológicos na aptação e Transformação de Matéria e Energia Metabolismo energético I: Fotossíntese e Quimiossíntese Atividade complementar 4 1 esquise e discuta a inadequação da terminologia fase escura usada para denominar a fase de assimilação de carbono 2 esquise e compare as estruturas de mitocôndrias e cloroplastos rimeira fase: reações dependentes da luz A compreensão da absorção da energia luminosa requer conhecimento sobre o espectro eletromagnético disponível no conteúdo da unidade 10, do Módulo I, deste curso A radiação eletromagnética absorvida pelos pigmentos de organismos fotossintetizantes corresponde à luz visível (pequena faixa do espectro eletromagnético que corresponde aos comprimentos de onda (λ) ente 400 e 700 nm, que varia do violeta ao vermelho) onsiderando que quanto menor o λ maior a quantidade de energia dos fótons de luz, a energia dos fótons da região do violeta do espectro é maior do que na região do vermelho Afinal o que acontece quando a energia luminosa é absorvida? A absorção de um fóton de luz visível por uma molécula implica a promoção de um elétron desta molécula para um orbital de maior energia A quantidade de energia associada a esse fóton (um quantum de energia) precisa ser exatamente igual à necessária para a transição eletrônica para que o evento ocorra Ao absorver um fóton, a molécula passa a um estado excitado, instável elétron tende a retornar rapidamente para o seu orbital normal de menor energia, tornando-se mais estável decaimento ou retorno da molécula para o estado basal é acompanhado de liberação da energia absorvida como luz (fluorescência), calor ou, em determinadas condições, pode ser conservada para realizar o trabalho químico decaimento também pode envolver a transferência direta de energia de excitação (exciton) de uma molécula excitada para uma próxima, caracterizando um processo denominado transferência de exciton, que também ocorre durante a fotossíntese No caso da fotossíntese, esses fotopigmentos estão arranjados de uma forma tal que permite que parte da energia absorvida seja conservada na forma de AT e NAD s fotopigmentos são essenciais para que ocorra a absorção de energia luminosa Entre estes, as clorofilas são os mais importantes, pois são pigmentos verdes, que apresentam estrutura característica constituída por uma longa cadeia lateral fitol e um sistema heterocíclico de anéis, como mostrado na figura 5: Saiba mais Um mol de fótons (6 x fótons) de luz visível contém entre 170 a 300kJ; quantidade de energia, mais que suficiente para a síntese de 1 mol de AT, a partir de adenosina difosfato (AD) e fosfato inorgânico (i), que requer entre 30 e 50kJ 3 na bacterioclorofila 2 2 na clorofila b Ligação saturada na bacterioclorofila 3 N Mg N cadeia lateral do fitol N 3 N 3 lorofila α Módulo II rocessos biológicos na captação e na transformação da 3 matéria e da energia

10 3 3 cadeia lateral do fitol lorofila α Biológico BS B β-caroteno na ficocianina N N N N Ficoeritrina Ligação insaturada na ficocianina Figura 5: Estrutura da molécula de clorofila a e b Atividade complementar 5 A estrutura das clorofilas confere a elas uma grande habilidade em absorver energia na região visível do espectro esquise e justifique essa afirmativa As clorofilas a e b, embora sejam verdes, apresentam diferenças significativas no espectro de absorção de luz s cloroplastos contêm ambos os tipos de clorofila, as quais atuam de forma complementar na absorção de energia do espectro visível, aumentando a eficiência do processo A figura 6 mostra o espectro de absorção de luz visível pelos fotopigmentos s pigmentos acessórios, denominados carotenóides, também estão embebidos na membrana tilacóide s principais são o β caroteno e a luteína Absorção l b ß-caroteno Luz solar que atinge a Terra Ficoeritrina Ficocianina l a Atividade complementar esquise e avalie a estrutura e o espectro de absorção dos carotenóides Após, justifique a presença dos carotenóides nas membranas tilacóides Qual é o papel desses pigmentos? omprimento de onda (nm) Temos então a seguinte situação: a luz visível é absorvida por fotopigmentos (especialmente as clorofilas) que estão embebidos na membrana dos tilacóides, os quais são estruturas vesiculares que estão no interior dos cloroplastos de células fotossintetizantes das plantas Mas, isso é só o começo s fotopigmentos não estão inseridos ao acaso nas membranas tilacóides Ao contrário, estão organizados em arranjos funcionais denominados fotossistemas (S) onsórcio Setentrional de Ensino a Distância 437

11 # M2U12 rocessos Biológicos na aptação e Transformação de Matéria e Energia Metabolismo energético I: Fotossíntese e Quimiossíntese s S (Figura 7) estão embebidos nas membranas tilacóides e são constituídos por moléculas-antena ou coletoras de luz (clorofilas, carotenóides e outros pigmentos acessórios ligados a proteínas) e um centro de reação fotoquímica (RF) As moléculasantena absorvem a energia luminosa e transmitem rapidamente a excitação (transferência de exciton) até o centro de reação fotoquímica, onde, efetivamente, ocorre a transdução de energia luminosa em energia química Moléculas antenas Luz A luz excita uma molécula antena (clorofila ou pigmento acessório), elevando um elétron a um nível de energia maior lorofila do centro de reação * A molécula antena excitada passa energia a uma molécula de clorofila vizinha, excitando-a (transferência de energia ressonante) * Esta energia é transferida a uma clorofila do centro de reação,excitando-a A clorofila do centro de reação excitada passa um elétron a um receptor de elétrons A cavidade do elétron no centro da reação é preenchida por um elétron de um doador de elétrons * Doador de elétrons - + Receptor de elétrons A absorção de um fóton provoca a separação de cargas no centro de reação entro de reação excitado perde e - para um receptor de elétrons (a) h SII 680* Z h Z e o substitui com e - retirado de um doador de um doador de elétrons h Z (b) SI A o 700* A o A o Figura 7: Esquema da organização de um fotossistema 438 Módulo II rocessos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia

12 Biológico BS B ode-se observar, experimentalmente, como já mencionado, que uma molécula de fotopigmento, como a clorofila, excitada pela luz visível, pode liberar a energia absorvida como fluorescência e calor ontudo, quando tais pigmentos estão arranjados em estruturas como as dos complexos coletores de luz dos S, apenas uma quantidade insignificante de energia é liberada nestas formas Ao invés disso, a energia de excitação é transferida até o RF, onde é desencadeado um processo de transferência de elétrons, que culmina na geração de potencial redutor e AT Assim, a incidência de luz visível no S dispara uma seqüência de eventos, que podem ser descritos como se segue: uma molécula-antena absorve luz e passa a um estado excitado (um elétron é promovido para um orbital de maior energia); a energia dessa molécula excitada é transferida (transferência de exciton) para uma molécula vizinha, que passa ao estado excitado, enquanto a primeira retorna ao seu estado basal; essa transferência de energia de ressonância ocorre sucessivamente entre moléculas vizinhas até alcançar a molécula especial de clorofila do RF, promovendo um elétron dessa clorofila para um orbital de maior energia; a clorofila excitada transfere seu elétron para um aceptor de elétrons próximo, que adquire carga negativa, enquanto a clorofila do RF fica vacante de um elétron; a vacância da clorofila do RF é preenchida por um doador de elétrons próximo, o qual se torna positivamente carregado Resumindo: a excitação promovida pela absorção de energia luminosa nos S é canalizada para o RF, gerando um forte agente redutor e um forte agente oxidante, criando condições para iniciar um conjunto de reações de oxido-redução Atividade complementar 7 Saiba mais s números indicados como índices dos RF ( 680 e 700 ) referem-se aos comprimentos de onda (λ) em que ocorre o descoramento máximo dos pigmentos dos SII e I, respectivamente Esse descoramento é resultante da impossibilidade temporária dos pigmentos de absorver energia luminosa nestes λ específicos (680 e 700nm), devido à perda de um elétron do RF Vamos lá, caro estudante Exercite sua imaginação esquematizando o processo de transferência de energia em um S: a transferência de exciton entre moléculasantena vizinhas, a transferência de energia para o RF e a geração de um forte aceptor e de um forte doador de elétrons nosso conhecimento atual sobre a fotossíntese em plantas resulta de estudos conduzidos em cloroplastos, como também em algas e bactérias evento central do processo fotossintético é o fluxo de elétrons dirigido pela luz e este é realizado por sistemas multienzimáticos, embebidos na membrana tilacoideana ertamente, as plantas, as cianobactérias e as algas contam com um aparato fotossintético mais complexo que aquele de bactérias, que geralmente têm apenas um S As membranas tilacóides dos cloroplastos de células vegetais apresentam dois tipos de S (I e II), que parecem ter evoluído a partir da combinação de sistemas bacterianos mais simples ada um desses S tem seu próprio RF e suas moléculas-antena, e exercem funções distintas e complementares No fotossistema II (SII) a razão clorofila a/clorofila b é igual a 1 e o seu RF é denominado 680 fotossistema I (SI) contém mais clorofila a do que b e seu RF denomina-se 700 onsórcio Setentrional de Ensino a Distância 439

13 # M2U12 rocessos Biológicos na aptação e Transformação de Matéria e Energia Metabolismo energético I: Fotossíntese e Quimiossíntese SI e o SII estão dispostos em grande número nas membranas tilacóides dos cloroplastos e seus RF agem em seqüência para viabilizar a transferência de elétrons, a qual é dirigida pela luz da 2 até o NAD + esquema Z, apresentado na figura 8, ilustra esse movimento unidirecional de elétrons e as relações de energia nas reações dependentes de luz -1,6-1,4-1,2-1,0 Fotossistema II Fotossistema I 700* A o A 1 Fe-S -0,8-0,6 680* h QA Via íclica Fd F NAD + -0,4 QB NAD -0,2 Luz omplexo it bf Luz 0 0,2 0,4 [ 700 0,6 0,8 1,0 2 omplexo Mn que cinde a ] Translocação de prótons Figura 8: esquema Z, SI e SII A excitação de 680 no SII gera 680 *, um excelente agente redutor que, em picossegundos (10-12 s), transfere elétrons para a feofitina (heo), que adquire uma carga negativa (heo - ) Essa transferência de elétrons converte 680 * em um radical catiônico ( 680+ ) A heo - transfere seu elétron sobressalente para plastoquinona A (Q A ), que o repassa para a plastoquinona B (Q B ) Q B recebe dois elétrons e, quando isso ocorre a partir de duas transferências de Q A, ao retirar dois prótons do estroma do cloroplasto, fica na forma totalmente reduzida (Q B 2 ) Similarmente, a excitação de 700 no SI gera 700 *, que pela perda de um elétron para A 0 (provavelmente uma forma especial de clorofila), gerando A 0 - e 700+ A 0 - é um excelente doador de elétrons e inicia a transferência de elétrons por uma cadeia de transportadores (filoquinona proteína Ferro-enxofre ferrodoxina e ferrodoxina NAD + oxido-redutase) até o NAD + que é reduzido a NAD 440 Módulo II rocessos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia

14 Biológico BS B Finalmente, os elétrons que geraram a Q B 2, a partir da excitação de 680, são conduzidos até SI, onde a excitação gerou 700+, um forte agente oxidante s elétrons de Q B 2 passam, um a um, do complexo citocromo b6f para a plastocianina e terminam preenchendo a vacância do SI complexo citocromo b 6 f, similarmente ao que ocorre para o complexo III na mitocôndria, transfere elétrons de um carreador de dois elétrons (Q B 2 ) para um carreador de um elétron (plastocianina), utilizando um mecanismo complexo que envolve proteína, ferro, enxofre, grupos heme, etc, forma o ciclo Q Esse ciclo Q resulta em um bombeamento de prótons (até 4 + /par de elétrons) do estroma do cloroplasto para o lúmen do tilacóide, gerando um gradiente de + através da membrana tilacoideana durante o fluxo de elétrons do SII para o SI A força prótonmotriz resultante desse gradiente dirige a síntese de AT, denominada fotofosforilação (que será discutida posteriormente) A excitação do SII resultou em vacância de elétrons no seu centro de reação fotoquímica (RF) Assim, precisa adquirir um elétron para retornar ao seu estado basal e estar pronto para uma nova excitação ara tanto, o SII contém um complexo de cisão da água, o qual catalisa a clivagem fotolítica de duas moléculas de 2 em quatro prótons (liberados no lúmen do tilacóide), quatro elétrons e uma molécula de oxigênio Essa clivagem fotolítica (processo de quebra da molécula de 2 mediado pela energia luminosa) requer a absorção de quatro fótons s quatro elétrons retirados da 2 não passam diretamente para 680+, que só pode receber um elétron por vez Na verdade, um resíduo de tirosina (Tyr) de uma proteína do SII doa um elétron para e perde também um próton para o meio, resultando no radical livre Tyr ( Tyr) elétron e o próton doados são repostos quando ocorre a oxidação de um agregado de quatro íons de manganês (Mn) do complexo de cisão da água grau de oxidação do Mn pode variar de +2 a +7 Dessa forma, o agregado de quatro íons Mn pode perfeitamente aceitar quatro elétrons da 2 e transferir, um a um, para o resíduo de Tyr oxidado Assim, na fotossíntese oxigênica, a fonte última de elétrons que resulta na redução de NAD + a NAD é a água Esse fluxo de elétrons descrito pelo Esquema Z pode ser traduzido pela equação abaixo: Equação F NAD+ + 8 fótons NAD ara cada quatro fótons absorvidos (dois por S) dois elétrons são transferidos da 2 para o NAD + ara haver liberação de oxigênio molecular são necessárias duas moléculas de 2, a absorção de oito fótons (4 por S), gerando assim quatro elétrons que se reduzirão a duas moléculas de NAD + Fotofosforilação A síntese AT por fotofosforilação (figura 9), da mesma forma que a fosforilação oxidativa mitocondrial, é também explicada pela teoria quimiosmótica de eter Mitchell (ano) s elétrons fluem da água até o SII; deste para o SI através de uma cadeia transportadora de elétrons e do SI para o NAD + Durante o fluxo de elétrons do SII para o SI, parte da energia liberada é usada para bombear prótons do estroma do cloroplasto para o lúmen do tilacóide, gerando um gradiente de prótons A membrana tilacoideana, além de conter os S, carreadores de elétrons, etc, contém uma enzima muito similar à FoF1 AT sintase mitocondrial: a FoF 1 ATsintase onsórcio Setentrional de Ensino a Distância 441

15 # M2U12 rocessos Biológicos na aptação e Transformação de Matéria e Energia Metabolismo energético I: Fotossíntese e Quimiossíntese Saiba mais A teoria Quimiosmótica propõe que a energia potencial do gradiente eletroquímico gerado pelo movimento de prótons através de membranas (por exemplo, através da membrana mitocondrial interna, que compartimentaliza a matriz mitocondrial e o espaço entre a membrana mitocondrial interna e externa) é, em parte, conservada na forma de AT Figura 9: Fluxo de elétron, bombeamento de prótons e fotofosforilação no tilacóide Essa enzima viabiliza o retorno dos prótons ao estroma do cloroplasto e catalisa a síntese de AT utilizando a energia do gradiente de prótons gerado pela transferência de elétrons dirigida pela luz Esse mecanismo de síntese de AT é denominado fotofosforilação Atividade complementar 8 esquise sobre a fotofosforilação que ocorre nos cloroplastos e compare com a fosforilação oxidativa mitocondrial De acordo com estimativas para a estequiometria da fotofosforilação, para cada 2 formado durante o fluxo de elétrons fotossintético, 12 prótons são conduzidos para o lúmen do tilacóide: quatro bombeados pelo complexo de cisão da 2 e oito pelo complexo citocromo b 6 f A força próton-motriz, associada ao gradiente gerado, é de -17 kj/mol onsiderando 12 moles, teríamos, em princípio, aproximadamente, 200 kj de energia disponíveis para a síntese de AT (ou seja, cerca de 6 mols de AT) Resultados experimentais têm estimado 3 AT s por 2 produzido Assim, a equação geral para a fotofosforilação (não cíclica) pode ser escrita como se segue: Equação F NAD + + ~3 AD + ~3 i + 8 fótons 2 + ~3 AT + 2 NAD Módulo II rocessos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia

16 Biológico BS B Fotofosforilação cíclica Até agora consideramos o fluxo não cíclico de elétrons da 2 até o NAD +, que resulta em síntese de AT e de NAD e liberação de 2 Alternativamente pode ocorrer o fluxo cíclico de elétrons, que envolve apenas o SI e resulta em síntese de AT (denominada fotofosforilação cíclica), mas não de NAD Nesse processo também não há liberação de 2 A excitação de 700 no SI resulta em 700 *, que transfere seu elétron como já descrito orém a ferrodoxina da cadeia de transportadores associada ao SI não continua até o NAD +, mas conduz o elétron de volta ao SI através do complexo citocromo b 6 f e da plastocianina A equação abaixo descreve a fotofosforilação cíclica: Equação F4 AD + i + energia luminosa AT Atividade complementar 9 rocure mais informações sobre o fluxo cíclico de elétrons que justificaria esse fluxo alternativo de elétrons? onsiderações importantes processo de transferência de elétrons dirigido pela luz é, realmente, muito complexo e precisa ser muito bem regulado No caso de organismos que realizam a fotossíntese oxigênica, que envolve dois S diferentes, há necessidade de uma integração perfeita entre os dois RF, o que requer uma organização espacial bem definida dos integrantes do processo fotossintético na membrana do tilacóide Se os dois S estivessem dispostos de forma contígua, a energia absorvida pelos complexos-antena do SII poderia ser desviada para o RF do SI, comprometendo seriamente a excitação do SII e a atuação seqüencial dos dois S Esse tipo de problema é contornado pela separação espacial de SI e SII na membrana tilacoideana SI localiza-se principalmente nas regiões da lamela estromal (regiões em que não há membranas tilacoideanas adjacentes e comprimidas), onde também se encontra a FoF 1 AT sintase Essa disposição facilita o acesso a AD e NAD + do estroma do cloroplasto or outro lado, SII localiza-se quase que exclusivamente nas regiões da lamela granal, onde há justaposição de membranas s complexos coletores de luz (LII), associados à SII, também ficam nessa região Alterações nessa associação interferem, como veremos, no grau de associação de membranas adjacentes do grana onsiderando que a energia associada a comprimentos de onda aumenta na medida em que este diminui, podemos afirmar que a quantidade de energia requerida para excitar o SII ( 680 ) é maior do que a necessária para excitar o SI ( 700 ) Quando há luz intensa (sol brilhante), há maior incidência do componente de luz azul e SII absorve mais luz que SI; se a luminosidade é menos intensa há um maior componente de luz vermelha e SI é mais excitado que SII Esse descompasso poderia inviabilizar a integração entre os dois S se não houvesse um ajuste proporcionado por alterações na associação de LII ao SII induzidas pela intensidade e comprimento de onda da luz Se SII for mais excitado que SI (o que ocorre quando a luminosidade é intensa) haverá acúmulo de Q 2, pois este é produzido mais rápido do que o SI pode oxidar Q 2 ativa uma enzima (proteína cinase), a qual onsórcio Setentrional de Ensino a Distância 443

17 # M2U12 rocessos Biológicos na aptação e Transformação de Matéria e Energia Metabolismo energético I: Fotossíntese e Quimiossíntese catalisa a fosforilação de um resíduo de treonina (Thr), no LII, enfraquecendo sua interação com SII Isso facilita a dissociação de LII, que então pode mover-se para a lamela estromal, onde se localiza SI Essa nova disposição facilita a transferência da energia dos fótons absorvida por LII para SI excitando-o e aumentando a velocidade de oxidação de Q 2 Se SI absorver mais luz que SII (quando há menor intensidade luminosa), SI terá capacidade de oxidação maior do que a quantidade de Q 2 produzida por SII, resultando em acúmulo de Q (plastoquinona oxidada), que ativa uma enzima (proteína fosfatase) que catalisa a defosforilação de LII, revertendo a situação promovida pela fosforilação ertamente, esse é apenas um, entre os muitos mecanismos de regulação que ajustam o trabalho dos atores biológicos para garantir sua atuação seqüencial e a integração adequada com outros processos Segunda fase: reações de assimilação de 2 recisamos agora compreender como a energia conservada na forma de AT e de NAD, produtos da primeira fase da fotossíntese, é utilizada para fixar e reduzir carbonos sintetizando compostos orgânicos simples u seja, como ocorre a síntese fotossintética de carboidratos carbono é disponibilizado para as plantas na forma de 2 e este tem acesso às células fotossintetizantes por meio de aberturas especiais, denominadas estômatos Essa fase ocorre no estroma dos cloroplastos e, em muitas espécies vegetais, se dá, diretamente, por meio de um conjunto de reações denominado ciclo de alvin (ou ciclo de redução fotossintética do carbono) Nesse ciclo, da mesma forma que em outras vias metabólicas cíclicas, (como o ciclo do ácido cítrico mitocondrial), ao fim de cada volta, o composto inicial precisa ser regenerado No caso do ciclo de alvin, esse composto é a ribulose 1,5-bifosfato (RuB), uma pentose bifosforilada Estudos, utilizando carbono marcado ( 14 2 ), desenvolvidos na década de 1940 por Melvin alvin e colaboradores, forneceram fortes indícios de que o primeiro composto detectável contendo carbono radiativo era o 3-fosfoglicerato (GA), um composto contendo três átomos de carbono Dessa forma, o ciclo de alvin (Figura 10) também recebe a designação de Via 3 Essa terminologia é utilizada também para diferenciar plantas em que esse composto de três carbonos é o primeiro intermediário desse processo, plantas 3, daquelas denominadas plantas 4, que serão discutidas mais adiante Estágio 3: regeneração do receptor AT (3) AD (3) (3) Estágio 1: fixação Liberação de energia na via glicolítica; síntese de amido ou açucar (1) (5) 2 Gliceraldeído-3-fosfato (6) Ribulose-1,5- bifosfato (3) fosfoglicerato (6) i (6) Estágio 2: redução AT NAD + (6) AD NAD + + (6) (6) (6) Figura 10: ciclo de alvin e os seus três estágios 444 Módulo II rocessos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia

18 Biológico BS B ciclo de alvin pode ser dividido três estágios: fixação, redução e regeneração do aceptor No primeiro estágio (Figura 11), o 2 é, enzimaticamente, condensado ao aceptor de cinco carbonos, a RuB, formando um intermediário instável de seis carbonos (que permanece ligado à enzima); este é, imediatamente, hidrolisado em duas moléculas de 3- fosfoglicerato (GA), uma delas contendo a molécula de 2 incorporada A enzima que catalisa essa conversão é a ribulose 1,5-bifosfato carboxilase/oxigenase, abreviadamente, RUBIS A atividade carboxilase da RUBIS é evidenciada pela reação do estágio de fixação do ciclo de alvin As características da RUBIS, sua regulação e sua atividade oxigenase serão descritas posteriormente Ribulose-1,5-bifosfato Intermediário enediol fosfoglicerato - - arbanion fosfoglicerato 2-2 2`-carboxi-3-ceto- D-arabinitol-15-bifosfato (intermediário α - cetoácido) Intermediário hidratado 2 Intermediário da reação com seis carbonos ligados à ribulose-1,5-bifosfato carboxilase (rubisco) Figura 11: rimeiro estágio do ciclo de alvin onsórcio Setentrional de Ensino a Distância 445

19 # M2U12 rocessos Biológicos na aptação e Transformação de Matéria e Energia Metabolismo energético I: Fotossíntese e Quimiossíntese Atividade complementar 10 Se você é daqueles que têm interesse especial nos mecanismos químicos envolvidos nos processos biológicos, a análise da reação de carboxilação catalisada pela RU- BIS é um bom modelo para você explorar Aproveite e discuta com colegas que tenham o mesmo tipo de interesse No segundo estágio (Figura 12), que ocorre em dois passos, a primeira reação é a fosforilação do GA em 1,3-bifosfoglicerato, à custa de AT Esse intermediário é, então, reduzido a gliceraldeído 3-fosfato (uma triose-fosfato), utilizando o potencial redutor do NAD A enzima que catalisa o primeiro passo é uma cinase (3-fosfoglicerato cinase) e a do segundo passo uma desidrogenase (gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase) Esse estágio é, essencialmente, o reverso das reações correspondentes na glicólise (via do catabolismo de carboidratos descrita na unidade que trata da respiração celular) e as reações são catalisadas por isoenzimas daquelas citossólicas gliceraldeído 3-fosfato pode ser convertido em seu isômero, diidroxiacetona fosfato, pela ação de uma isomerase Saiba mais As cinases e as desidrogenase são duas famílias de enzimas que desempenham um papel metabólico estratégico, catalisando reações de transferência de grupo fosfato e de transferência potencial redutor, respectivamente Figura 12: Segundo estágio do ciclo de alvin terceiro estágio (Figura 13) é constituído por um conjunto de reações, envolvendo o rearranjo do esqueleto carbônico de trioses-fosfato geradas no segundo estágio, que permite a regeneração da ribulose 1,5-bifosfato, utilizada no estágio de fixação do 2 Essa regeneração é essencial para garantir a continuidade da incorporação de 2 em um composto orgânico de três carbonos, o 3-fosfoglicerato (primeiro estágio do ciclo de alvin), garantindo assim a síntese de carboidratos e outras biomoléculas Essa conversão de trioses-fosfatos em pentoses bifosfato requer a participação de inúmeras enzimas, como transcetolases e transaldolases, e o gasto de um AT por pentose-bifosfato regenerada 446 Módulo II rocessos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia

20 Biológico BS B 2 Gliceraldeído-3- fosfato (a) Diidroxiacetonafosfato 6 Trioses fosfato Gliceraldeído-3- fosfato i 6NAD + 6NAD Diidroxiacetonafosfato Diidroxiacetonafosfato Gliceraldeído-3- fosfato Gliceraldeído-3- fosfato Gliceraldeído-3- fosfato 6AD AT 3 2 Reações de fixação do i 2 Frutose-1,6-bifosfato 2 2 Frutose-6-fosfato 2 T Rebulose-15- bifosfato (3) 2 Eritrose-4- fosfato 1 T-2 Xilulose-5- fosfato 2 3AD 3AT T 4 T-2 2 Sedoeptulose-1,7- bifosfato Sedoeptulose-7- bifosfato 5 3 Ribose-5- fosfato 2 2 Ribulose-5- fosfato Ribulose-5- fosfato 2 Xilulose-5- fosfato Ribulose-5- fosfato 2 i (b) Figura 13: Terceiro estágio do ciclo de alvin ara que se tenha como resultado líquido a síntese de uma triose-fosfato, são necessárias três moléculas de 2 e uma de fosfato inorgânico (i) e, é claro, três voltas no ciclo de alvin, o que significa o consumo de nove moléculas de AT e seis de NAD A figura 14 ilustra a estequiometria do ciclo de alvin para a síntese de uma triose fosfato; processo que pode ser resumido pela equação geral apresentada abaixo: onsórcio Setentrional de Ensino a Distância 447

21 # M2U12 rocessos Biológicos na aptação e Transformação de Matéria e Energia Metabolismo energético I: Fotossíntese e Quimiossíntese Equação F AT + 6 NAD Gliceraldeído NAD AD + 8 i Figura 14: Estequiometria de assimilação de três moléculas de 2 no ciclo de alvin onsiderações importantes A maior parte das trioses-fosfato geradas (considerando o resultado líquido) pelo ciclo de alvin é convertida em amido, no cloroplasto, e estocada ou exportada para o citossol da célula, onde é convertida em sacarose para ser transportada para outros tecidos vegetais (não fotossintéticos ou regiões em crescimento) No caso de folhas em desenvolvimento, uma parte significativa dessas trioses será oxidada no citossol, pela via glicolítica, gerando AT para atender a demanda do tecido Então, boa parte das trioses geradas precisa ser exportada para o citossol Nas reações da primeira fase da fotossíntese, AT e NAD são sintetizados na mesma proporção (3/2) que são consumidos no ciclo de alvin A cada três voltas no ciclo, nove moléculas de AT são hidrolisadas liberando nove moléculas de AD e 8 de i, considerando que uma molécula de i foi incorporada na geração de uma triose-fosfato Assim sendo, é necessário que a célula disponha de mecanismos para garantir a demanda de i livre no estroma; caso contrário a síntese fotossintética de AT ficaria comprometida e, conseqüentemente, a assimilação de 2 utro ponto importante é que a alta seletividade da membrana interna do cloroplasto impede, inclusive, a passagem livre de compostos fosforilados, como os produtos da fotossíntese Entretanto, a membrana interna do cloroplasto contém um sistema de transporte específico, denominado antiporte fosfato inorgânico triose-fosfato, que mede a troca, um para um, de i e triose-fosfato Isso viabiliza o movimento simultâneo de i citossólico para o estroma do cloroplasto e de triose-fosfato do estroma para o citossol da célula Dessa forma, esse sistema de co-transporte contorna os problemas que poderiam advir da depleção de i no estroma ou do fato dos produtos da fotossíntese não serem exportados 448 Módulo II rocessos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia

22 Biológico BS B para o citossol, evitando desencadar uma cascata de conseqüências danosas para os vegetais e para os organismos que deles dependem É importante ressaltar que a regulação do metabolismo de carboidratos em plantas é muito complexa e o destino metabólico das trioses-fosfato sintetizadas por meio da fotosíntese requer uma regulação muito fina Um regulador importante é a frutose 2,6-bifosfato A concentração desse intermediário metabólico na planta é regulada pelos produtos da assimilação de carbonos, dirigida pela luz Quando a taxa fotossintética está alta (como ocorre na presença de luz), há uma diminuição da concentração de frutose 2,6- bifosfato por mecanismos que envolvem a regulação da atividade de cinases e fosfatases, ocorrendo o inverso em ausência de luz Assim, a concentração de frutose 2,6-bifosfato na planta reflete sua taxa fotossintética Atividade complementar 11 A regulação é um ponto fundamental para o entendimento do metabolismo Assim, caro estudante, seria interessante procurar saber mais sobre a regulação do metabolismo de carboidratos em plantas, especialmente os mecanismos que envolvem a frutose 2,6 bifosfato Saiba mais termo turnover referese ao número de moléculas de substrato convertidas em produto, por uma única molécula de enzima, em uma unidade de tempo definida, considerando a condição de saturação da enzima pelo substrato Ribulose 1,5-Bifosfato arboxilase/xigenase RUBIS A RUBIS é uma enzima realmente especial É uma das principais responsáveis por uma atividade fundamental para todos os organismos heterotróficos (como nós) e é uma das enzimas mais abundantes da biosfera A RUBIS de plantas tem uma estrutura complexa de dezesseis subunidades, sendo oito subunidades grandes idênticas e oito subunidades pequenas, também idênticas A função catalítica é exercida pelas subunidades grandes (cada subunidade contém um sítio catalítico), enquanto a função das subunidades pequenas ainda permanece incerta A atividade carboxilase da RUBIS está diretamente relacionada à produção de biomassa pelos vegetais ada molécula de RUBIS pode fixar apenas três moléculas de 2 por segundo, a 25, evidenciando um baixo número de turn over Assim, para garantir altas taxas de fixação de 2, a célula requer uma grande quantidade dessa enzima, a qual constitui quase 50% das proteínas solúveis do cloroplasto de vegetais A RUBIS inicia o processo de assimilação de 2 e está sujeita à regulação por diversos mecanismos Vamos, então, conhecer alguns deles A conversão da RUBIS na sua forma ativa requer a carbamilação de um resíduo específico de lisina ( 201 Lys) e a ligação de um íon Mg +2 Esse íon é fundamental para a aproximação e orientação dos reagentes no sítio ativo ontudo, a ribulose 1,5-bifosfato (um dos substratos da RUBIS) inibe a carbamilação ao ligar-se ao sítio ativo da RUBIS, alterando a conformação da enzima e impedindo o acesso ao resíduo de 201 Lys (Figura 15) A enzima RUBIS ativase contorna essa inibição, deslocando a ribulose 1,5-bifosfato ligada, à custa da hidrólise de uma molécula de AT, deixando assim o resíduo de 201 Lys acessível para a carbamilação não enzimática por 2, seguida pela ligação do íon Mg +2 Algumas plantas, em ausência de luz, sintetizam um composto (2-carboxi-arabinitol 1-fosfato) muito similar ao β-cetoácido intermediário, formado na reação de carboxilação, catalisada pela RUBIS Esse composto, denominado inibidor noturno, é um potente inibidor da forma ativa da RUBIS Ele sofre hidrólise induzida pela luz ou é expulso do sítio ativo da enzima pela RUBIS ativase, deixando a RUBIS ativa Atividade complementar 12 esquise sobre outros fatores que interferem na atividade da RUBIS e também de outras enzimas que participam do ciclo de alvin onsórcio Setentrional de Ensino a Distância 449

23 # M2U12 rocessos Biológicos na aptação e Transformação de Matéria e Energia Metabolismo energético I: Fotossíntese e Quimiossíntese + 3 i - As plantas realizam a fotossíntese, a respiração (mitocôndrial) e, também, a fotorrespiração, que consiste em uma reação dispendiosa, colateral ao processo fotossintético, e que ocorre em função da incapacidade da RUBIS de discernir 2 de 2 Além da atividade carboxilase, a ribulose 1,5-bifosfato carboxilase/oxigenase (RUBIS), como o nome indica, apresenta também atividade oxigenase (Figura 16) Isso significa que a RUBIS não tem especificidade absoluta para o 2, podendo usar o 2 como substrato; mais ainda, como o sítio ativo é o mesmo para 2 e 2, esses dois substratos competem para ocupar o sítio ativo da enzima Se o 2, ao invés de 2, ocupar o sítio ativo da RUBIS, os produtos serão, ao invés de duas moléculas de 3-fosfoglicerato, uma molécula de 3-fosfoglicerato (três carbonos) e uma molécula de 2-fosfoglicolato (dois carbonos), um composto metabolicamente inútil onseqüentemente, a atividade oxigenase da RUBIS- compromete a fixação de 2 e gera uma perda líquida para a célula [ ] Módulo II rocessos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia