Obtenção de matéria pelos seres autotróficos- fotossíntese

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1 Obtenção de matéria pelos seres autotróficos- fotossíntese 1 - Seres autotróficos produzem as moléculas orgânicas a partir de material inorgânico. Energia luminosa Nutrição autotrófica Energia química Fotossíntese Quimiossíntese (plantas, algas, cianobactérias) (algumas bactérias bactérias nitrificantes) Seres fotoautotróficos ou Seres quimioautotróficos ou quimiossintéticos fotossintéticos 1.1 Seres fotoautotróficos ou fotossintéticos As plantas são fotoautotróficas porque usam a luz como fonte de energia para produzirem moléculas orgânicas a partir de material inorgânico. A este processo chama-se fotossíntese. Além das plantas, a fotossíntese ocorre nas algas (e outros protistas, como a euglena) e nalguns procariontes (cianobactérias). Plantas: Todos os tecidos verdes têm clorofila (pigmento verde), mas as folhas são os locais onde se efetua a fotossíntese por excelência. Os cloroplastos existem sobretudo nas células do mesófilo (tecido verde no interior das folhas). 2 Fotossíntese: do sol à glicose 6CO H 2 O Luz Pigmentos C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O 3 Ultra-estrutura do cloroplasto Uma célula típica do mesófilo tem cerca de 30 a 40 cloroplastos. Os cloroplastos são os organelos onde ocorre a fotossíntese. O cloroplasto é constituído por uma dupla membrana, pelo estroma, pelas membranas dos tilacóides que formam os grana (singular granum) e intergrana. A clorofila está presente nas membranas tilacoidais. Gabriela Gonçalves 1

2 CO 2 (dióxido de carbono) entra na folha e o O 2 (oxigénio) sai desta por poros microscópicos chamados estomas. 3.1 Formatos dos cloroplastos

3 4 Pigmentos fotossintéticos Os pigmentos fotossintéticos mais abundantes são as clorofilas. No entantos, estão presentes nos cloroplastos outros tipos de pigmentos. Pigmentos fotossintéticos Clorofilas a, b, c, d Carotenóides Ficobilinas (algas vermelhas) Carotenos Xantófilas Pigmento primário Pigmentos secundários Designação Coloração Ocorrência Clorofila a Verde-azulado Todos os seres eucariontes fotossintéticos e cianobactérias. Clorofila b Verde-amarelado Plantas e algas verdes Carotenóides Alaranjado (carotenos) Todos os seres eucariontes (carotenos e xantofilas) Amarelado (xantófilas) fotossintéticos e cianobactérias. Ficobilinas Vermelho (ficoeritrina) Azul (ficocianina) Algas vermelhas e cianobactérias. Os pigmentos fotossintéticos, moléculas capazes de absorver radiações luminosas, são essenciais para o processo fotossintético. São as clorofilas que conferem a cor verde característica das folhas. A cor das folhas no Outono deve-se à destruição das clorofilas, passando a ser visíveis outros pigmentos (xantofilas e carotenos) que existem em menor quantidade e que se encontravam mascaradas pelas clorofilas. Gabriela Gonçalves 3

4 4.1 Extração e separação dos pigmentos fotossintéticos A maioria dos pigmentos fotossintéticos são solúveis em solventes orgânicos (álcool, acetona, éter, ). Após a sua extração, estes poderão ser separados por cromatografia (em papel ou em coluna). 5 Captação da energia luminosa Da luz que incide sobre as folhas das plantas, uma parte é refletida, outra é transmitida (atravessando os tecidos) e uma pequena fração é absorvida, fornecendo energia para o processo fotossintético. Porque razão as folhas têm, em regra, cor verde? A cor verde corresponde à faixa do especto cujas radiações não são absorvidas e, por isso, a cor que é visível aos nossos olhos.

5 Quais as zonas do espectro onde as bactérias se localizam preferencialmente? As bactérias concentram-se nas zonas do espectro correspondentes às radiações azul-violeta e vermelho-laranja. As bactérias concentram-se nas regiões em que há maior libertação de oxigénio, ou seja, em que ocorre uma maior taxa fotossintética. Que ligação pode ser estabelecida relativamente ao tipo de radiações absorvidas pelos pigmentos fotossintéticos? Os pigmentos fotossintéticos têm maior capacidade de absorção em comprimentos de onda nas zonas do azulvioleta e do vermelho-laranja. 6 Oxigénio libertado pelas plantas O oxigénio libertado na fotossíntese provém da molécula de água. 7 Fotossíntese Atualmente admite-se que a fotossíntese compreende duas fases sucessivas, estreitamente ligadas: Uma fase em que as reações dependem diretamente da luz fase fotoquímica; Uma fase não dependente diretamente da luz fase química, ciclo de Calvin, ou ciclo do carbono. Gabriela Gonçalves 5

6 NAPH nicotinamida adenina dinucleótido fosfato ATP adenosina trifosfato ADP adenosina difosfato Como captam os pigmentos fotossintéticos a energia luminosa? A energia é considerada como uma dualidade partícula-onda: a radiação é formada por partículas fotões que se propagam sob a forma de ondas com diferentes comprimentos. Quando um fotão encontra uma molécula, a energia que contém é absorvida por um dos electrões, o qual transita para um nível energético elevado o electrão está no estado excitado. O estado excitado de um electrão é transitório. O electrão pode regressar ao estado fundamental (nível energético inicial), havendo libertação da energia absorvida sob a forma de luz (fluorescência) e/ou de calor. Quando uma solução de clorofila bruta é exposta à luz, emite luz vermelha (fluorescência). Quando se expõe uma suspensão de cloroplastos intactos à luz, não se observa fluorescência. Como explicar esta diferença? Na solução de clorofila bruta, as moléculas dos pigmentos isoladas captam a energia dos fotões mas libertam-na de imediato sob a forma de luz vermelha. Nos cloroplastos intactos, contendo os pigmentos bem organizados, os eletrões excitados, em vez de regressarem ao estado fundamental, são captados por moléculas acetoras de eletrões. Nesta reação química a molécula excitada perde eletrões fica oxidada e a molécula que recebe os eletrões fica reduzida. Ocorre pois uma reação de oxirredução/ de oxidação-redução ou reação redox.

7 7.1 Fase fotoquímica (reações dependentes da luz) Nos cloroplastos das células vegetais ocorre a conversão de energia luminosa em energia química. As reações diretamente dependentes da luz têm lugar ao nível da membrana dos tilacóides. Este processo inicia-se com a captação da energia luminosa nos fotossistemas. Fotossistema agregado de moléculas de clorofila, moléculas aceitadoras de eletrões, pigmentos acessórios e enzimas. Quando a clorofila a dos centros de reação fica excitada pelos fotões, liberta eletrões, ficando oxidada. Esses eletrões são captados por moléculas aceptoras de eletrões que ficam reduzidas. Ocorre nas membranas dos tilacóides. A energia luminosa captada pelos pigmentos fotossintéticos do fotossistema I é transferida para a clorofila a. A clorofila a excitada pela energia luminosa perde eletrões, ficando oxidada. Os eletrões são captados por um acetor de eletrões (ficando este reduzido). Os eletrões são depois transferidos ao longo de uma cadeia transportadora de eletrões. Os eletrões são, finalmente, captados pelo NADP+, provocando a sua redução a NADPH. A clorofila a do fotossistema II, excitada pela energia luminosa, também perde eletrões (fica oxidada), que são captados por um acetor de eletrões e depois por uma cadeia transportadora de eletrões. Finalmente, são captados pela clorofila a do fotossistema I que, assim, readquire os eletrões perdidos (ficando reduzida). No interior do tilacóide, a absorção de energia luminosa, por parte dos pigmentos do fotossistema II, leva à quebra da molécula H 2 O fotólise da água. Gabriela Gonçalves 7

8 Fotólise dissociação de moléculas pela radiação eletromagnética. A energia libertada pelos eletrões, ao longo da cadeia transportadora, é utilizada para bombear H +, criando-se um gradiente de protões (H + ), necessário para sintetizar ATP. Ou seja, a energia libertada pelos eletrões, ao longo da cadeia transportadora, vai ser usada, indiretamente, para a síntese de ATP. Fosfoliração da molécula de ATP Enzima ADP + P + energia ATP + H 2 0 Na presença de luz também ocorre a fotólise da água dissociação da molécula de água em oxigénio e hidrogénio (protões). A água é o dador primário de eletrões. H 2 0 2H + + 2e - + ½ O 2 Os protões (H + ) juntamente com os eletrões, provenientes da fotólise da água, vão reduzir o NADP + A NADPH. NADP + + 2H + + 2e - NADPH + H Fase química ou Ciclo de Calvin ou Ciclo das Pentoses (reações independentes da luz)

9 Ocorre no estroma. O Ciclo de Calvin inicia-se pela combinação de CO 2 com a ribulose difosfato (composto com 5 átomos de carbono), originando um composto instável com 6 átomos de carbono (esta reação química é catalizada pelo rubisco, uma enzima). Este composto, por ser isntável, desdobra-se imediatamente em duas moléculas de ácido fosfoglicérico ou 3-fosfoglicerato (PGA) que possui três átomos de carbono. O PGA vai ser fosforilado pelo ATP e reduzido pelo NADPH, dando origem a um composto chamado aldeído fosfoglicérico (PGAL). O PGAL vai seguir dois caminhos: -Parte vai regenerar a ribulose difosfato. -Parte é utilizado para diversas sínteses no estroma, entre as quais se destaca a síntese de glicose ou frutose. Estes dois monossacarídeos ligam-se e originam sacarose, para ser transportada para as várias partes do organismo. -No ententao, 1/3 da glicose é usada para sintetizar amido (reserva). -Os glícidos são usados também para produzir lípidos e proteínas. É necessário fixar 6 moléculas de CO 2 para produzir uma molécula de glicose. São necessárias 2 moléculas de PGAL para produzir uma molécula de glicose. 8 Fotossíntese nas cianobactérias As cianobactérias são seres procariontes portanto não possuem cloroplastos. Nestes seres, a fotossíntese ocorre em lamelas internas fotossintéticas, que são invaginações da membrana plasmática, onde se localizam os pigmentos e as enzimas fotossintéticas. Estas lamelas são consideradas percursores dos tilacóides vegetais e não existem nas restantes bactérias fotossintéticas. Fonte de energia Dador inicial de e - e H + Fase inicial Fase final Fotossíntese Sol Água -Redução das moléculas transportadoras de electrões. -Transformação do ADP em ATP -Ciclo de redução de carbono. -Formação de matéria orgânica. Gabriela Gonçalves 9

10 Resumo: