2. ENERGIA CELULAR parte II Fotossíntese

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1 2. ENERGIA CELULAR parte II Fotossíntese Sumário: Introdução e perspectiva histórica Pigmentos fotossintéticos Reacções da fase luminosa Fixação do CO 2 Ciclo de Calvin Fotorrespiração Plantas C3, C4 e CAM 1

2 Na fotossíntese, plantas, algas e bactérias fotossintetizantes, através dos pigmentos fotossintéticos, captam a energia do sol e utilizam-na para converter moléculas simples CO 2 e H 2 O em moléculas orgânicas complexas (açucares). Toda energia que entra na biosfera provém da fotossíntese. 2

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4 Fotossíntese equação simplificada e balanceada 6 CO H 2 O + luz C 6 H 12 O 6 * + 6 O H 2 O Biologia Celular e Molecular Van Niel Bactérias sulfurosas púrpuras * * Na Na realidade realidade o o produto produto imediato imediato são são trioses trioses (hidratos (hidratos de de carbono carbono com com 3 3 C) C) CO 2 + 2H 2 S + luz (CH 2 O) + H 2 O + 2S A água, e não o dióxido de carbono, é a fonte de oxigénio na fotossíntese Robin Hill Quando expostos à luz, os clorolastos isolados são capazes de produzir O 2 na ausência de CO 2 reacção de Hill 4

5 A reacção de Hill ocorre quando os cloroplastos iluminados eram supridos com um receptor artificial de electrões. A reacção de Hill não só corrobora a o facto de que o O 2 libertado na fotossíntese provém da oxidação da H2O, como também indica a existência de dois conjuntos de reacções independentes: I ) Reacções da fase luminosa conjunto de reacções químicas directamente dependentes da luz; ocorre a captação da energia da luz e são sintetizadas moléculas com potencial redutor (NADPH) e energético (ATP). II) Reacções da fase não luminosa ou ciclo de Calvin a energia e potencial redutor das moléculas sintetizadas na fase luminosa são utilizadas para fixar o CO 2 e sintetizar açucares com 3C (trioses fosfato). 5

6 Membranas dos tilacóides Estroma do cloroplasto 6

7 A luz visível representa uma pequena porção do espectro electromagnético. Todas as radiações do espectro viajam em ondas. A radiação de cada comprimento de onda possui associado um determinado valor de energia quanto menor o comprimento de onda (λ), maior a sua energia. A luz tem propriedades de partícula A luz é constituída por partículas de energia, os fotões ou quanta de luz. E= hc /λ h constante de Planck c velocidade da luz 7

8 Pigmentos fotossintéticos Clorofila a Clorofilas Corofila b Carotenóides Ficobilinas 8

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10 Quando as moléculas de clorofila ou de outros pigmentos absorvem a energia dos fotões da luz, os electrões passam a um estado orbital de energia mais elevada estado excitado. Quando o electrão excitado regressa ao estado de energia basal, a energia libertada poderá ser: i) Dissipada sob a forma de calor ii) iii) Transferida por ressonância indutiva; O electrão de alta energia poderá ser transferido para uma molécula receptora de electrões que faz parte de uma cadeia transportadora de elctrões. 10

11 Pigmentos fotossintéticos Biologia Celular e Molecular Clorofila a: eucariotas fotossintetizantes e cianobactérias Clorofila b: plantas, algas verdes e euglenas; Clorofila c: substitui a clorofila b nalgumas algas Bacterioclorofila: bactérias púrpura Carotenóides: além de permitirem ampliar a faixa do espectro luminoso utilizável na fotossíntese, têm um efeito antioxidante, impedindo danos fotooxidativos sobre as moléculas de clorofila e as membranas dos tilacóides. Carotenos: ex. beta-caroteno, fonte de vitamina A Xantofilas Ficobilinas: cianobactérias e algas vermelhas. Clorofila b, carotenóides e ficobilinas são pigmentos acessórios permitem permite ampliar a faixa de luz que pode ser utilizada na fotossíntese. 11

12 Reacções da fotossíntese Biologia Celular e Molecular i) Reacções da fase luminosa: a energia da luz é utilizada para gerar ATP e NADPH ii) Reacções de fixação do carbono reacções não luminosas ou ciclo de Calvin: a energia química do ATP e NADPH é utilizada para fixar o CO 2 atmosférico, com produção de hidratos de carbono. 12

13 Reacções luminosas Biologia Celular e Molecular No cloroplasto, as clorofilas e os outros pigmentos estão inseridos nos tilacóides em unidades discretas de organização designadas fotossistemas Cada fotossistema inclui um conjunto de 250 a 400 moléculas e consiste em dois componentes intimamente associados: um complexo antena e um centro de reacção O complexo antena inclui moléculas de pigmentos (clorofilas e carotenóides) que captam e canalizam energia para o centro de reacção. A energia é canalizada por ressonância indutiva até ao centro de reacção. 13

14 O centro de reacção é constituído por proteínas e moléculas de clorofila que que permitem converter a energia luminosa em energia química Na parte central do centro de reacção existe possivelmente um par de moléculas especiais de clorofila a que podem utilizar a energia captada pelos pigmentos antena numa reacção fotoquímica. Quando uma molécula de clorofila a do centro de reacção recebe energia, um dos seus electrões passa a um nível energético mais elevado e é transferido para uma molécula receptora de electrões para iniciar um fluxo de elctrões. Tipos de fotossistemas Fotossitema I: P 700 Fotossistema II: P 680 P pigmento Pico de absorção óptimo das clorofilas a de cada fotossistema 14

15 Nas reacções luminosas os electrões passam da água para o fotosistema II, deste para o fotossistema I e finalmente vão reduzir o NADP + a NADPH (fluxo não cíclico de electrões) Fotólise: oxidação da água dependente da luz 15

16 Esquema em Z representando o fluxo de electrões na fase luminosa da fotossíntese 16

17 Transporte de electrões na fase luminosa e hipótese quimiosmótica da fotofosforilação 17

18 hipótese quimiosmótica da fotofosforilação Dois fotões precisam de ser absorvidos pelo fotossistema II e dois pelo fotossistema I sequencialmente para reduzir uma molécula de NADP + a NADPH 18

19 Fluxo acíclico ou não cíclico de electrões Fluxo cíclico de electrões 19

20 Acíclico ou não cíclico fotofosforilação acíclica Fluxo de electrões Cíclico fotofosforilação cíclica não há oxidação da água, não há libertação de O 2 e não é produzido NADPH. Apenas é produzido ATP. Reacções de fixação do carbono (ciclo de Calvin) O ATP e NADPH gerados na fase luminosa, são utilizados para fixar o CO 2 atmosférico Em muitas espécies vegetais a a redução do carbono ocorre exclusivamente no estroma do cloroplasto por uma série de reacções frequentemente designadas de ciclo de Calvin (prémio Nobel em 1961). No ciclo de Calvin, o CO 2 é fixado através de uma via de três carbonos. 20

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22 Estágios do Ciclo de Calvin i) Fixação do carbono: O CO 2 é fixado na molécula ribulose 1,5 bifosfato (RuBP), por acção da enzima ribulose 1,5 bifosfato carboxilase oxigenase (RuBisCo); ii) Redução do ácido 3-fosfoglicérico: ocorre a redução do 3- fosfoglicerato (PGA) a gliceraldeído 3-fosfato. A formação de 3 moléculas de gliceraldeído 3-fosfato implica a fixação de 6 CO 2 ; iii) Regeneração da RuBP: cinco das seis moléculas de gliceraldeído 3- fosfato são utilizadas para regenerar 3 moléculas de RuBP, o aceitador para o dióxido de carbono. Fixação de 1 CO 2 3 ATP + 2 NADPH 3 CO ATP + 6 NADPH + 6 H + Gliceraldeído 3-P + 9 ADP + 8 Pi + 6 NADP H 2 O 22

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24 Fixação do carbono 24

25 Fixação de 1 CO 2 3 ATP + 2 NADPH 25

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27 O produto imediato do ciclo de Calvin é o gliceraldeído 3-fosfato, a molécula primária transportada do estroma cloroplasto para o citosol. No citosol o gliceraldeído 3-fosfato é transformado no dissacarídeo sacarose, a principal forma de transporte de açucares nas plantas. O gliceraldeído-3-fosfato não utilizado que permanece nos cloroplastos é transfomado no polissacarídeo amido, o qual é armazenado temporariamente como grãos de amido no estroma do cloroplasto. Fotorrespiração (ciclo do glicolato) A fotorrespiração ocorre quando a RuBisCo utiliza O 2 em vez de CO 2 Na presença de grande quantidade de CO 2, a RuBisCo cataliza a carboxilação da ribulose 1,5-bifosfato com alta eficiência. Contudo o oxigénio compete pelo sítio activo da enzima com o CO 2. Quando a enzima cataliza a fixação de O 2 na Ribulose 1,5-bifosfato, resulta a produção de 1 molécula de 3-fosfoglicerato e 1 molécula de fosfoglicolato. 27

28 Na fotorrespiração nenhum carbono é fixado e é gasta energia para recuperar os carbonos do fosfoglicolato, que não é um metabolito útil. A via de recuperação é longa e envolve três organelos celulares: cloroplasto, peroxissoma e mitocôndria. 28

29 Fotorrespiração Biologia Celular e Molecular CO 2 A actividade oxigenásica da Rubisco, combinada com a via de recuperação, consome O 2 e liberta CO 2, um processo designado fotorrespiração 29

30 Contrariamente à respiração mitocondrial, a fotorrespiração (que ocorre apenas na presença de luz) é um processo de desperdício não produzindo ATP nem NADPH. Nalgumas espécies vegetais, até 50% do carbono fixado na fotossíntese pode ser reoxidado a CO 2 durante a fotorrespiração. Aparentemente a evolução da Rubisco originou um sítio activo incapaz de descriminar entre o O 2 e o CO 2, talvez porque a maior parte da sua evolução tenha decorrido antes de o O 2 ser um importante componente da atmosfera. 30

31 A via em C4 de fixação do CO2 Biologia Celular e Molecular O ciclo de Calvin não é a única via de fixação do CO 2. Nalgumas espécies vegetais o primeiro produto detectável da fixação do carbono não é uma molécula com 3C, o 3-fosfoglicerato, mas uma com 4C, o oxaloacetato. As plantas que utilizam esta via C4, juntamente com o ciclo de Calvin, são normalmente designadas plantas C4 (devido ao produto com 4C), para distinguir das plantas C3, que utilizam somente o ciclo de Calvin. Tipicamente as folhas das plantas C4 são caracterizadas pelo arranjo ordenado das células do mesófilo envolvendo uma camada de grandes células da bainha, sendo que as duas formam camadas concêntricas que circundam os feixes vasculares. Este tipo de anatomia, particular das plantas C4, é designado anatomia Kranz. O oxaloacetato é formado quando o CO 2 é fixado ao fosfoenolpiruvato (PEP) numa reacção catalisada pela fosfoenolpiruvato carboxilase (PEP carboxilase), enzima que se encontra no citosol das células do mesófilo das C4. 31

32 Células do Feixe vascular mesófilo Câmara estomática Células da bainha Anatomia Kranz O oxaloaceato é então reduzido a malato ou convertido, com a adição de um grupo amino, ao aminoácido aspartato O malato (ou aspartato dependendo da espécie) move-se das células do mesófilo para as células da bainha, onde é descarboxilado para produzir piruvato e CO 2. O CO 2 entra então no ciclo de Calvin através da reacção com RuBP para formar 3-fosfoglicerato. O piruvato retorna às células do mesófilo onde reage com o ATP e regenera o fosfoenolpiruvato. 32

33 Via em C4 A anatomia das folhas das plantas C4 estabelece um separação espacial entre a a via C4 e o ciclo de Calvin 33

34 Via em C4 34

35 Na fixação do carbono a PEP carboxilase utiliza a forma hidratado do dióxido de carbono, o ião HCO 3 - (bicarbonato) como substrato, enquanto que a Rubisco utiliza CO 2. A PEP carboxilase possui uma elevada afinidade para o seu substrato, operando muito eficientemente mesmo quando a concentração de substrato é baixa. A fixação de carbono em plantas C4 possui um custo energético superior aquele que se verifica nas plantas C3. Plantas C4 Fixação de 1 CO 2 consumo de 5 ATP Plantas C3 Fixação de 1 CO 2 consumo de 3 ATP Apesar de terem um custo energético maior, nas plantas C4 o carbono fixado é bombeado das células do mesófilo para as células da bainha. A alta concentração de CO 2 e baixa de O 2 nas células da bainha, onde actua a Rubisco, limitam a fotorrespiração. Além disso, qualquer CO 2 libertado pela fotorrespiração, é refixado nas células do mesófilo pela via em C4 35

36 Biologia Celular e Molecular Nas plantas C4 a taxa de fotossíntese líquida pode ser duas a 3 vezes superior relativamente às plantas C3. O milho (Zea mays), a cana do açucar (Saccharum officinale) e o sorgo (Sorghum vulgare) são exemplos de gramíneas C4. O trigo (Triticum aestivum), o centeio (Secale cereale), a aveia (Avena sativa) e o arroz (Oryza sativa) são exemplos de gramíneas C3. As plantas C4 evoluíram primariamente nos trópicos e estão especialmente adaptas a elevadas intensidades luminosas e a altas temperaturas. São mais sensíveis ao frio que as C3. Devido à utilização mais eficiente do dióxido de carbono, as plantas C4 podem realizar a mesma taxa de fotossíntese líquidas das plantas C3, com uma menor abertura estomática e consequentemente com menor perda de água. As plantas C4 têm três a seis vezes menos Rubisco do que as plantas C3, o conteúdo em azoto é menor nas folhas das plantas C4 do que nas C3. Portanto as plantas C4 apresentam uma maior eficiência de utilização do azoto. 36

37 As plantas C4 são todas angiospérmicas, estando distribuídas por 19 famílias, das quais 3 são monocotilédoneas e 16 dicotilédoneas. Contudo não se encontrou ainda nenhuma família que contenha apenas espécies C4. Metabolismo Ácido das Crassuláceas - plantas CAM Em muitas plantas suculentas, incluindo cactos e plantas de folhas espessas, existe uma outra estratégia de fixação de CO 2. As plantas CAM utilizam as vias C3 e C4, contudo apresentam uma separação temporal entre as duas vias, ao invés de uma separação espacial como acontece nas C4. As plantas CAM têm capacidade para fixar o CO 2 no escuro (durante a noite) por meio da actividade da PEP carboxilase no citosol. È durante este período que os estomas estão abertos. O produto da carboxilação inicial é o oxaloacetato o qual é imediatamente reduzido a malato. Durante a noite, o malato é armazenado como ácido málico no vacúolo. 37

38 Plantas em C4 vs. Plantas CAM Biologia Celular e Molecular 38

39 Durante o dia os estomas estão fechados para minimizar as perdas de água por transpiração. O ácido málico é transportado do vacúolo para o cloroplasto, é descarboxilado e o CO 2 é transferido para a RuBP do ciclo de Calvin, dentro da mesma célula. Como a fixação do CO 2 atmosférico ocorre durante a noite, estas plantas apresentam uma elevada eficiência de uso da água. Tipicamente uma planta CAM perde g de H 2 O por cada grama de CO 2 obtido, enquanto que nas plantas C4 os valores são g e nas plantas C g. Durante períodos de seca prolongada, algumas plantas CAM podem manter os estomas fechados dia e noite, mantendo baixos níveis metabólicos ao refixar o CO 2 produzido na respiração. As plantas CAM estão distribuídas por 23 famílias de angiospérmicas, principalmente dicotilédoneas, incluindo algumas plantas ornamentais. Nem todas as plantas CAM apresentam folhas suculentas, como por exemplo o ananás (Ananasus comosus), uma espécie da família das Bromeliáceas. 39

40 Plantas CAM Noite: estomas abertos Dia: estomas fechados 40