UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. FÍSICA PARA CIÊNCIAS BIOLÓGIAS.

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Osvaldo Farias Chaplin
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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL. FÍSICA PARA CIÊNCIAS BIOLÓGIAS. ASPECTOS FÍSICO-QUÍMICOS DA ABSORÇÃO DE ENERGIA SOLAR NA FOTOSSÍNTESE. Professor: Thomas Braun. Graduando: Carlos Santos Costa.

2 FOTOSSÍNTESE E A FÍSICA. No processo de fotossíntese, a absorção de energia eletromagnética pela planta é regida pela física. A fase clara da fotossíntese, que ocorre nas membranas dos tilacóides, comporta um conjunto de componentes moleculares acoplados, responsáveis pela conversão da energia solar em energia fotoquímica, a qual representa o início do processo fotossintético. Os componentes moleculares responsáveis por essa conversão são as clorofilas e os carotenóides. Mas por que essas moléculas são capazes de absorver energia solar e as transformar em energia fotoquímica? Como ocorre esse processo? Essas perguntas são as que se propõe o presente estudo a responder. Para tanto, entender aspectos relacionados a energia eletromagnética da luz, a definição de átomos e moléculas em ressonância molecular é essencial, o que se pretende a seguir. A LUZ. A luz foi primeiramente considerada como uma onda eletromagnética. O que importa para o presente estudo é que a luz absorvida pela clorofila está na faixa do visível, ou seja, do violeta ao vermelho. A luz pode ser considerada uma onda eletromagnética, que transporta energia. A luz branca possui todas as cores. Newton fez esse teste: pegou um prisma de vidro e fez a luz atravessá-lo, adquirindo do outro lado do prisma um espectro da luz com todas as cores. Isso ocorreu porque a luz, ao atravessar o vidro, refrata de acordo com a velocidade de cada cor. O espectro eletromagnético é classificado normalmente pelo comprimento da onda, como as ondas de rádio, as microondas, a radiação infravermelha, a luz visível, os raios ultravioletas, os raios X, até a radiação gama. O comportamento da onda eletromagnética depende do seu comprimento de onda. Freqüências altas correspondem a comprimentos de ondas curtos, e freqüências baixas a comprimentos de onda longos. Quando uma onda interage com uma única partícula ou molécula, seu comportamento depende da quantidade de fótons por ela carregada.

3 Nesses termos, tem-se a energia de um quantum expressa de acordo com a seguinte equação 4 : E = h.ν Onde h corresponde à constante de Planck e ν à frequência da respectiva radiação eletromagnética. Por outro lado, de acordo com o conceito corpuscular da radiação eletromagnética, tem-se a seguinte equação: E = m.c 2 Sendo m a massa corpuscular e c a velocidade da luz. Então, é possível estabelecer o seguinte conceito dual enegia-massa, isto é, uma relação onda- partícula para a radiação eletromagnética (transformação energia-massa e vice-versa): h. ν = m.c 2 considerando que c = λ/t e ν = 1/T, tem-se que c = λ.ν ; ν = c/ λ então h. c/ λ = m.c 2 ; e h/ λ = m.c equação que mostra, agora, uma relação de comprimento de onda (propriedade ondulatória) com a respectiva massa (propriedade corpuscular). da luz Portanto, a clorofila, quando absorve energia, deverá fazê-lo sob forma de absorção de fótons com seus respectivos quanta de energia dados por E = h.ν. Os elétrons π do sistema conjugado que interagem com o cátion magnésio na clorofila, estão num estado fundamental de nível de energia muito próximo do estado excitado. Desse modo, a energia para os saltos quânticos entre os respectivos orbitais moleculares será baixa, correspondendo a fótons com comprimentos de onda maiores, ou seja, na região do espectro eletromagnético da luz visível. 2 A luz propriamente dita corresponde à faixa que é detectada pelo olho humano, entre 400nm a 700nm (um nanômetro vale 1, metros).

Espectro de absorção (emissão) da luz da clorofila Neste espectro 3 observa-se picos intensos nas regiões de 430 nm e 680 nm, exatamente próximos dos extremos do espectro da região da luz visível!

4 Espectro de absorção (emissão) da luz da clorofila Neste espectro 3 observa-se picos intensos nas regiões de 430 nm e 680 nm, exatamente próximos dos extremos do espectro da região da luz visível! As clorofilas são eficientes fotorreceptores porque elas contem uma cadeia de ligas duplas (π) e simples (σ) alternadas. Tais compostos são denominados polienos. Eles têm bandas de absorção muito fortes na região do visível no espectro, apresentando coeficiente de absorção molar (ε) maior do que 10 3 M -1.cm -1, um dos valores mais altos observados em compostos orgânicos. Na fotossíntese, o espectro de ação da luz solar corresponde ao espectro de absorção da clorofila. A intensa cor verde da clorofila se deve a suas fortes absorções

5 das regiões do azul (430 nm) e do vermelho (690 nm) do espectro eletromagnético, e por causa dessas absorções a luz que ela reflete e transmite parece verde. Ela é capaz de canalizar a energia da luz solar em energia química através do processo de fotossíntese. Neste processo a energia absorvida pela clorofila transforma dióxido de carbono e água em carboidratos e oxigênio. Como dito acima, além do comportamento ondulatório da luz, ela também pode ter caráter corpuscular, onde entra a noção de quanta de energia, ou pacotes de energia transportados pela luz, os fótons. ESTRUTURA MOLECULAR E PROCESSO DE ABSORÇÃO DE ENERGIA SOLAR PELA CLOROFILA A luz é absorvida pelas moléculas de clorofila. O local onde é absorvida a luz nos cloroplastos é chamada complexo antena, conjunto de dezenas de clorofila e carotenóides, que, após absorção de energia solar, transferem essa energia para os centros de reação, através de transferência de energia por ressonância e/ou de transferência de elétrons. A fórmula molecular da clorofila a é a seguinte 1 :

6 O sítio de absorção da energia solar da molécula de clorofila a encontra-se na região molecular que circunda o átomo de Magnésio. Como pode ser visto nessa estrutura molecular, as interações ligantes entre o Magnésio e o Nitrogênio e as ligações covalentes que ligam ciclicamente o Nitrogênio aos Carbonos, são alternadas entre ligações simples, (σ), e duplas, (π). Por elas conterem uma cadeia de ligas duplas (π) e simples (σ) alternadas, as clorofilas são eficientes fotorreceptores. Tais compostos são denominados polienos. Eles tem bandas de absorção muito fortes na região do visível no espectro, apresentando coeficiente de absorção molar (ε) maior do que 10 3 M -1.cm -1, um dos valores mais altos observados em compostos orgânicos. Para entender esse coeficiente de absorção tão alto, devemos analisar o efeito sobre os orbitais moleculares de duplas ligações (π) isoladas quando elas entram em conjugação entre si. Os orbitais moleculares mais altos ocupados (π) vão interagir entre si, formando 2 outros orbitais moleculares Ψ 1 e Ψ 2, enquanto que os mais baixos desocupados antiligantes (π * ) formam 2 outros orbitais moleculares antiligantes Ψ * 3 e * Ψ 4, conforme demonstrado no diagrama abaixo:

7 Ψ 4 * (LUMO) π* π* Ψ 3 * (LUMO) (HOMO) π E 1 E 2 Ψ 2 (HOMO) π Ψ 1 Portanto, a transição eletrônica entre os orbitais π π* (HOMO- LUMO), orbitais moleculares de duplas ligações isoladas, tem uma energia E 1 muito maior que a energia E 2 da transição HOMO-LUMO dos novos orbitais moleculares Ψ 2 Ψ * 3, formados pela conjugação entre as duplas ligações. 5 A medida que aumentam as duplas ligações conjugadas, diminuirá ainda mais a diferença energética entre esses dois orbitais Ψ 2 Ψ * 3, aumentando proporcionalmente o valor do comprimento de onda, indo, portanto, para a região da luz visível! DETERMINAÇÕES EMPÍRICAS E APROXIMAÇOES MATEMÁTICAS PARA DETERMINAÇÃO DE COMPRIMENTO DE ONDA DE SISTEMAS DE DUPLAS LIGAÇÕES CONJUGADAS Para pigmentos com sistemas conjugados mais simples, tais como os β-carotenos (provitamina A), em que as transições eletrônicas na região da luz visível é aproximadamente 500 nm, é possível usarmos processos empíricos na determinação do comprimento de onda 5 (λ calculado na previsão: 534 nm) e, também, aproximações matemáticas para solução da Equação de Scrödinger na determinação dos níveis de energia 6 e, em consequência, as respectivas frequências e comprimentos de onda (λ calculado na previsão: 529 nm). Entretanto, para a clorofila, que tem uma organização de duplas ligações conjugadas, envolvendo 4 átomos de nitrogênio complexados com

8 um cátion de magnésio em um sistema cíclico, esses cálculos são de aplicação inviável! Deste modo, então, esses métodos só podem ser aplicados nesses pigmentos (cromóforos) com sistemas conjugados mais simples, tais como os β-carotenos (provitamina A). CONCLUSÃO Conclui-se, desse modo, que a estrutura de duplas ligações conjugadas longas da clorofila difere de outras moléculas quanto à condição de absorver a luz solar, o que permite a conversão da energia solar em energia fotoquímica, que irá reger a produção de carboidratos e oxigênio, ao fim do processo fotossintético. BIBLIOGRAFIA A. P. Maiztegui. Física, Vol.2, Buenos Aires, 5 a Ed., D. H. Williams and I. Fleming, Spectroscopic Methods in Organic Chemistry, Cambridge, 5 a Ed., (Colourants, dyes)

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