Atividade didático-experimental ORBITAIS DE ELÉTRONS, FLUORESCÊNCIA E FOTOSSÍNTESE. O objetivo desta atividade é proporcionar contato com alguns fenômenos e conceitos físicos e químicos que permitem avançar na compreensão da fotossíntese. A fotossíntese é um processo fundamental da Biologia. Para seu entendimento se faz necessário um enfoque interdisciplinar. Necessita conhecimentos de Física como, por exemplo, radiações eletromagnéticas, fluorescência, quantum... Necessita também conhecimentos de Química, como noções do modelo atômico e ligações químicas. Dessa forma, estudar fotossíntese permite navegar de forma integrada pelas Ciências da Natureza. Só mude de página quando indicado. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/89/fotoss%c3%adntese.jpg/275px-fotoss %C3%ADntese.jpg Vá para a próxima página.
Homogeneizando as plantas 1 Em um gral (Fig 1), coloque uma folha em 3 ml de água. Usaremos Tradescantia pallida purpurea, por que essa planta tem as folhas roxas e isto permitirá observarmos um fato interessante. Porém outras folhas de plantas poderiam ser usadas. 2- Com um pistilo, homogeneize as planta até obterem um líquido bem escuro. Neste processo os tecidos vegetais são comprimidos, muitas células irão se romper e seu conteúdo irá extravasar para o líquido (homogeneizado). 3- Com um a pipeta Pasteur (Fig 2), transfira 1 ml do homogeneizado para um tubo de microcentrífuga de 1,5 ml (Fig 3). Centrifugue por 1 minuto. Lembre que os tubos devem ser balanceados* para serem centrifugados. Ou seja, no rotor da centrífuga, em posições opostas, precisamos colocar tubos com o mesmo volume de líquido. 4- Retire o tubo da centrífuga e observe. precipitado** escuro. Veja que no fundo do tubo formou um 5- Com uma pipeta Pasteur transfira o sobrenadante ** para um novo tubo. 6- Acrescente 1 ml de água ao tubo com o precipitado. Ressuspenda*** o precipitado com agitação ou com uma pipeta. 7- Compare os dois tubos. Qual a diferença entre eles? No material de anotação recebido, desenhe o que você observou e escreva qual a sua explicação para as diferenças observadas entre os tubos (ao terminar, vá para a próxima página). * Balancear significa que volumes iguais precisam ser colocados em tubos que ficarão em posições opostas no rotor da centrifuga. ** Chamamos de precipitado o material que fica no fundo do tubo após a centrifugação e sobrenadante a todo o restante do líquido que não precipitou. *** Chamamos de ressuspender o precipitado, fazer com que o precipitado volte a ficar disperso pelo líquido que acrescentamos no tubo. Faz-se isto acrescentando algum líquido e agitando o tubo. Fig1 - Gral e Pistilo Fig2 - Pipeta Pasteur (plástica) Fig3 - Tubo de microcentrífuga
O observado Partículas insolúveis numa amostra sedimentam no fundo do tubo de centrífuga, restando o chamado sobrenadante (fase líquida) por cima do sedimento O que torna a folha da Tradescantia roxa é um pigmento chamado antocianina (Fig3). A antocianina é uma molécula pequena e hidrosolúvel. A centrifugação é um processo que separam substâncias que possuem densidades diferentes, principalmente substâncias sólidas sedimentam no fundo do tubo da centrífuga. Neste caso, como a antocianina não tem densidade significativamente diferente da água e também não esta presa em uma estrutura grande, ela fica no sobrenadante. Por isso o líquido no tubo fica roxo. Figura 3- Molécula de antocianina que proporciona a cor roxa em frutas, flores e folhas. Uma célula vegetal típica possui núcleos com diâmetro em torno de 5 µm e cloroplastos com 3 µm. Estas organelas vão ser precipitadas pois possuem massa suficiente para ser sedimentadas com a força aplicada na centrifugação. Ao ressuspender o precipitado, os cloroplastos ficarão suspensas no líquido. Por isso este fica verde. A B Figura 2- A -Fotomicrografia de células em que podem ser observados os cloroplastos. B- Desenho de um cloroplastos em que se pode observar suas estruturas internas. Observe que os cloroplastos ( esferas verdes dentro das células) são estruturas grandes, ainda que microscópicas. Por isso, ao serem centrifugados, precipitam. Você acertou? Ótimo! Se não, agora você já sabe. Vá para a próxima página
http://cmapspublic2.ihmc.us/rid=1hww5f1j1-18gkk2-n25/antocianinas2.png http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:and9gcreywi8pjteaicgjok3ihcmhuslovhqvcvdjucf3hcfb4pumrstow http://t1.gstatic.com/images?q=tbn:and9gctehk16suge-cd2wy9ev26jlua5o_btb7dwyfk1 MWxMsdrmi8 http://www.tudosobreplantas.net/wp-content/uploads/2009/03/clorofila-luz-solarmagia-do-cloroplasto.jpg De volta a bancada... 1- Fique agora só com o tubo que contém os cloroplastos. Passe em torno de 0,5 ml do líquido verde para dois diferentes tubos de microscentrífuga de 0,5 ml. Em um deles acrescente uma gota de detergente. Com uma caneta permanente, assinale o tubo que recebeu detergente. Agite por inversão várias vezes. 2 - Coloque os tubos, abertos, na cuba de acrílico vermelho. Com a iluminação de um LED*, ilumine o líquido no interior do tubo, um de cada vez (Figura abaixo). Observe pelo acrílico, em uma sala escura ou com pouca iluminação, como aparecem os líquidos em cada tubo. Figura 3 iluminação dos tubos com o LEG azul. Observe que as tampas dos tubos estão abertos No material de anotação recebido, descreva o que você observou. E formule uma explicação para as diferenças observadas nos dois tubos quando iluminados com luz azul. Feito isto, vá para a próxima página * LED violeta ou azul de alto brilho.
Ainda na bancada 1 - Centrifugue novamente os dois tubos (com e sem detergente) por 1 minuto. Para fazer isto, coloque o tubo de 0,5 ml dentro de um tubo de 1,5 ml sem tampa e coloque no rotor da microcentrífuga. 2 Observe o que aconteceu. 3- No tubo que não recebeu detergente, retire e descarte o sobrenadante com uma pipeta Pasteur. 4- Ressuspenda o precipitado com 1 ml de álcool 96 GL (álcool para uso doméstico). 5- Agite algumas vezes o tubo com álcool por inversão. 6- Coloque os dois tubos (álcool e detergente) na cuba de acrílico vermelho. Em uma sala escura ou pouco iluminada, ilumine os líquidos com o LED, como anteriormente. Observe e anote o observado no material de anotação recebido. 7- Centrifugue os dois tubos por 1 minuto novamente. Anote o observado no material de anotação recebido. Observe se formou precipitado. 8 - Como você explica os fenômenos que observou neste experimento? Anote suas hipótese no material de anotação recebido. Vá para a próxima página.
Explicando o observado 1- O que é fluorescencia? Por que a clorofila fluoresce? Radiação eletromagnética são ondas que se propagam no espaço. A luz é apenas apenas uma pequena parte de todo o espectro da radiação eletromagnética. Essas ondas carregam pacotes de energia, chamados fótons. A clorofila é uma molécula com a propriedade de fluorescência. Ou seja, esta molécula possui elétrons que podem receber energia da luz (fótons). Estes elétrons ao receber esta energia, irão ocupar um orbital mais externo (de maior energia). No momento seguinte, este elétron irá ser novamente atraído pelo núcleo do átomo. Mas para voltar ao seu orbital original, precisa liberar a energia recebida. Ele faz isto emitindo luz (fluorescência) e calor. Geralmente a luz emitida é de um comprimento de onda diferente do recebido. No nosso caso, a clorofila é excitada com luz azul e emite luz vermelha. Figura 3 Em A, um átomo é excitado pela luz. Um fóton de luz incide em um elétron, transferindo energia a este; B) o elétron muda de orbital, ocupando um orbital de maior energia; C) o elétron é novamente atraído para seu orbital original e libera a energia recebida na forma de luz. 2 Mas porque, no primeiro experimento, só a solução do tubo que recebeu detergente fluoresce? A molécula de clorofila tem uma região apolar e fica imersa dentro de camada lipídica dos cloroplastos. Mais do que isto, a clorofila esta imersa em um sistema chamado cadeia transportadora de elétrons que vai captar estes elétrons que saltam de seu orbital, por estarem carregando energia extra. Estes elétrons ricos em energia fluirão por essa cadeia de elétrons e serão usadas para síntese de moléculas ricas em energia (ATP e NADPH 2). Desta forma, a energia captada pela clorofila será acumulada nessas moléculas e não será disponibilizada na forma de fluorescência. A clorofila perde seus elétrons e precisa repor estes. Novos elétrons chegam a clorofila pela quebra da molécula da água. A água será quebrada em Oxigênio (liberado na atmosfera, como produto da fotossíntese) e o Hidrogênio que será separado em életron e prótons. Estes serão usados para síntese de ATP. Os prótons e elétrons acabarão reduzindo a molécula de NADP em NADPH2 Continua na próxima página
Figura 4 = Em A, é mostrado um cloloplasto e em seu detalhe, um tilacoide. As moléculas de clorofila estão na membrana do tilacoide. Na parte inferior da figura é mostrado um detalhe da membrana do tilacóide em que podemos ver a clorofila e a cadeia transportadora de elétrons. http://www.harunyahya.com/image/photosynthesis_thegreenmiracle/proton_p680_p700_nadp_nadph.jpg No tubo em que colocamos detergente as membranas dos cloroplastos serão solubilizadas pelo detergente. Colocamos no banho-maria porque a temperatura mais alta irá acelerar este processo. Ao desintegrar a bicamada lipídica da membrana, o detergente desmancha o cloroplasto e faz com que a clorofila fique nas micelas com o detergente e não mais com as proteínas e citocromos da cadeia transportadora de elétrons. Uma vez isoladas da cadeia transportadora de elétrons, quando a clorofila é excitada pelo luz, alguns dos seus elétrons saltam para orbitais de maior energia, mas retornam aos seu orbitais originais e liberam a energia recebida na forma de LUZ. Esta luz é do comprimento de onda do VERMELHO (fluoresce vermelho). OU SEJA: Se o cloroplasto está integro, o elétron na molécula de clorofila que salta do seu orbital, por receber energia da luz, será captado pela cadeia transportadora de elétrons e por isso não temos fluorescência. Quando desmanchamos o cloroplasto, a clorofila não tem mais a cadeia transportadora de elétrons para transferir estes elétrons que saltaram. Eles têm que voltar para a molécula de clorofila e dispensar a energia na forma de LUZ VERMELHA. O álcool também solubiliza a membrana do cloroplasto? Não. O que acontece é que a clorofila é solúvel no álcool e então, ao colocar o álcool a clorofila sai da membrana e vai para a solução com o álcool. Agora longe da cadeia transportadora de elétrons a clorofila fluoresce. Entretanto, o álcool não desmancha os cloroplastos como o detergente. Podemos constatar isto ao olhar o precipitado (esbranquiçado) no fundo do tubo, após a centrifugação. São cloroplastos descoloridos. Continua na próxima página
RESUMINDO (ENTENDENDO O QUE AS PLANTAS FAZEM!) 1 - Elétrons da clorofila ao ser excitados pela luz saltam do seu orbital; 2- Se a clorofila esta dispersas na solução estes elétrons têm que voltar para a clorofila e se desfazer da energia extra. Fluorescem vermelho! 3- Se a clorofila está na membrana do cloroplasto, o elétron energético vai para uma cadeia transportadora de elétrons e vai acabar no NADPH 2. Esta cadeia transportadora de elétrons vai produzir também uma outra molécula chamada ATP. No interior do cloroplasto, algumas enzimas, de uma rota chamada CICLO DE CALVIN vão usar o gás carbônico e água e fazer a seguinte reação: ATP + NADPH2 CO2 + H2O ADP+Pi / NADP C6H12O6 (glicose) Ou seja, a energia da luz, vai ser transportada pelo ATP e NADPH 2 para ligar duas moléculas pobres em energia (CO2 e H2O) e formar ligações químicas em uma nova molécula, a glicose, em que há ligações ricas em energia. Esta molécula doce, a glicose, vai ser o combustível de plantas e animais...
Nome: Antes de iniciar o experimento responda as seguintes questões e devolva esta folha ao professor. 1) Sabemos que as atividades humanas atuais estão aumentando a concentração de CO 2 na atmosfera induzindo o fenômeno do efeito estufa (aquecimento global). Para minimizar este efeito as plantas têm papel importante, pois através da fotossíntese fixam o CO2 e produzem O2. Qual a origem do O2 produtos da fotossíntese? 2) Como interagem clorofila e luz no processo da fotossíntese? 3) Qual o papel da H2O, do ATP e do NADP na fotossíntese? Pós teste: Nome:... 1) Faça um desenho esquemático e escreva um texto explicando o desenho. Nele deve constar o seu entendimento do que é CLOROFILA e CLOROPLASTO. Onde estes componentes estão na célula? Como estão organizados? 2) Como a luz interage com a clorofila/cloroplasto? Como a observação do fenômeno da fluorescência da clorofila pode ajudar a explicar a função da clorofila na fotossíntese. 3) Qual a fonte (origem) de molécula de O2 como produto da fotossíntese? 4) Que papeis tem o NADPH2 e ATP no processo da fotossíntese?
Faça nessa folha os desenhos e anotações referentes a parte HOMOGENEIZANDO AS PLANTAS Descreva abaixo suas observaçõe da parte DE VOLTA A BANCADA
Anote abaixo as suas conclusões sobre a parte AINDA NA BANCADA