Toda a vida na Terra é direta ou indiretamente dependente da fotossíntese dos organismos clorofilianos, exceto as bactérias quimioautotróficas.
Os organismos não-fotossintéticos (heterotróficos), como os animais, fungos e bactérias são dependentes de moléculas orgânicas pré-formadas obtidas da alimentação ou absorção para o suprimento de suas necessidades de energia e de matérias-primas.
A atividade fotossintética das plantas, das algas e de algumas bactérias promove a conversão e o armazenamento da energia solar em moléculas orgânicas ricas em energia a partir de moléculas inorgânicas simples como o CO2 e a H2O.
REAÇÃO GLOBAL DA FOTOSSÍNTESE
CO2 + H2O → (CH2O)n + O2
Nos cloroplastos, presentes em todas as células fotossintetizantes eucarióticas, a energia solar absorvida pelos pigmentos fotossintéticos (clorofilas e carotenóides) é utilizado para converter CO2 e água em carboidratos e outras moléculas orgânicas. O oxigênio é liberado na atmosfera ou utilizada pelas células (mitocôndrias) que degradam os carboidratos, transferindo a energia para as moléculas de ATP.O processo de respiração celular consome oxigênio e produz CO 2 e H2O, completando o ciclo.
A simplicidade da equação global da fotossíntese (4) não reflete a grande complexidade do processo fotossintético fotossintéti co que envolve numerosas reações bioquímicas de redução e oxidação reações redox . A redução é a transferência de um elétron (e-) ou de um elétron junto com um próton (H+) de uma molécula doadora (D) para uma molécula molécula receptora (R). A molécula doadora foi oxidada e a molécula molécula receptora foi reduzida : D+R
D+ + R-
As reações de oxidação e redução são de fundamental importância para que se possa compreender os mecanismos fotossintéticos.
A reação primária da fotossíntese é uma reação de transferência de elétrons da clorofila localizada no CENTRO DE REAÇÃO (CR), tornando-se assim oxidada e a molécula aceptora de elétrons, reduzida . É importante destacar que as moléculas de clorofilas dos CR oxidadas pela luz são imediatamente reduzidas, tendo a sua neutralidade restaurada e permitindo que o processo se repita de modo cíclico. Para as algas, cianobactérias e plantas, a molécula doadora de elétrons para a clorofila do CR é a água, através do processo de fotoxidação.
2. FOTOSSÍNTESE: um processo em duas etapas As reações responsáveis pela transformação da
energia
química
integram
a
etapa
fotoquímica da fotossíntese, também conhecida
como reações dependentes de luz . Nesta etapa, a energia luminosa absorvida pelos pigmentos fotossintéticos é convertida em ATP e NADPH poder redutor ). ( poder ).
A etapa seguinte é constituída pelas reações enzimáticas de fixação do CO2
e síntese de carboidratos (etapa bioquímica ). ). Esta divisão da
fotossíntese em duas etapas (fotoquímica e bioquímica) é puramente didática, uma vez que em condições naturais não há a assimilação de CO2 sem a presença de luz. Além da necessidade de ATP e NADPH para a realização das reações enzimáticas, a luz é fundamental para a ativação de enzimas centrais do ciclo de redução do CO2.
Os
diferentes
carboidratos
gerados
na
fotossíntese, juntamente com os NO3-, NH4+ e outros sais inorgânicos absorvidos do solo, são matérias-primas para a biossíntese de uma gama
enorme
de
moléculas
orgânicas
essenciais (aminoácidos, lipídios, pigmentos celulose,
proteínas,
ácidos
nucleicos,
hormônios , dentre outros), que irão compor a
estrutura
e
crescimento
o e
metabolismo, no
resultando
desenvolvimento
no dos
organismos fotossintetizantes.
A fotossíntese se processa desde a área de interceptação da luz solar pelas folhas com o acúmulo de biomassa, a processos que ocorrem em bilionésimos de segundos como o fluxo fotossintético de elétrons nos cloroplastos.
3. ESTRUTURA DA MÁQUINA FOTOSSINTÉTICA 3.1. As folhas Uma folha típica de uma dicotiledônea é recoberta com uma epiderme superior e outra inferior , impermeabilizadas em suas faces externas pela cutícula . Os tecidos fotossintéticos localizam-se entre as duas camadas epidérmicas, podendo organizar-se em camadas colunares, denominadas de parênquima paliçádico , e camadas de células com formatos irregulares que se dispõem deixando enormes espaços aéreos entre si, denominados de parênquima lacunoso . O parênquima paliçádico apresenta células com maior número de cloroplastos do que as células do parênquima lacunoso.
A máxima aquisição de CO2 e a mínima perda de água pelos tecidos foliares ocorre em minusculas estruturas porosas chamadas de estômatos . A elevada área superficial por unidade de volume, inerente à sua fina estrutura laminar contribui para otimizar a interceptação da luz e para o aumento da absorção de CO2.
3.2. Os cloroplastos São organelas que se autoduplicam, contendo genoma próprio que codifica parte de suas proteínas específicas.
Nas plantas superiores, os cloroplastos se diferenciam a partir de pequenos proplastídeos e só ocorre na presença de luz. Os genes que controlam o desenvolvimento e o funcionamento dos cloroplastos localizam-se não só no interior do cloroplasto, mas também no núcleo.
O limite externo dos cloroplastos é constituindo por uma dupla camada de membranas, e por uma matriz fluída, que preenche os espaços internos dos cloroplastos, denominado de estroma . A membrana externa, em contato com o citoplasma, permite a passagem livre de muitos substratos, enquanto a membrana interna, em contato com e estroma é extremamente seletiva, permitindo o transporte de alguns solutos através de um sistema especial de proteínas denominadas transportadoras . O sistema interno de membranas é dividido em duas áreas: a de membranas duplas com formato de vesículas achatadas e empilhadas, que são denominadas tilacoides dos grana, e uma outra constituída de membranas duplas simples que fazem múltiplas conexões entre os grana, chamadas de tilacoides do estroma
4. A CONVERSÃO DA LUZ EM ENERGIA QUÍMICA O sol emite continuamente para o espaço radiação eletromagnética. A luz corresponde a uma pequena faixa de energia do espectro eletromagnético . Quando se propaga no espaço, a energia radiante tem características ondulatórias. Cada tipo de radiação pode ser caracterizada pelo comprimento de onda ( λ) – distância entre dois picos sucessivos de uma mesma onda ou frequência (ν). ν = c/ λ Onde: c é a velocidade da luz no vácuo ( 3x108 m/s).
Os comprimentos de onda de maior importância para os processos fotobiológicos situam-se em três bandas distintas e intermediárias denominadas de: ultravioleta (UV), visível (luz) e infravermelho.
O físico inglês Isaac Newton (1642-1727) demonstrou que a luz pode se decompor num espectro de cores, semelhante ao arco-íris, ao atravessar um prisma. A porção visível do espectro varia do violeta (380nm) ao vermelho extremo (740nm). Além destes limites, a radiação é invisível para os seres humanos, podendo afetar vários processos fisiológicos das plantas, principalmente como sinais ambientais.
5. A LUZ COMO CORRENTE DE PARTÍCULAS Ao interagir com a matéria (por emissão ou por absorção) a luz se comporta como se sua energia fosse constituída por pacotes discretos de energia chamados de FÓTONS. A energia quântica contida em um fóton está relacionada com o comprimento e a frequência da luz e é inversamente proporcional ao seu comprimento de onda e diretamente proporcional à sua frequência. Comprimentos de onda muito curtos, como UV-C e UV-B, são extremamente prejudiciais aos seres vivos, pois a energia dos seus fótons atingem as moléculas orgânicas das células, arrancam elétrons de sua estrutura, ionizando-as e comprometendo de modo irreversível a sua estrutura e funções. Por outro lado, os fótons de comprimentos de onda mais longos, como infravermelhos, têm tão baixa energia que só produzem calor.
6. LUZ E PIGMENTOS: ABSORÇÃO E DESTINO DA ENERGIA DE EXCITAÇÃO ELETRÔNICA A ação fotoquímica e fotobiológica da luz obedece a dois princípios fundamentais. 1.Princípio de Gotthaus-Draper : A luz só tem atividade fotoquímica se for absorvida
Assim, todo processo fotobiológico envolve, necessariamente, moléculas especiais denominadas de fotorreceptores ou pigmentos, responsáveis pela absorção de determinados comprimentos de onda da luz, servindo de ponte entre a energia do fóton e a energia química.
2.Princípio ou lei da equivalência fotoquímica de Einstein-Stark. pode excitar apenas um elétron Um fóton pode
A interação fóton-elétron depende da energia do fóton incidente e do nível de energia do orbital ocupado pelo elétron, sendo um evento do tipo tudo-ou-nada . Se o nível de energia do fóton de determinado comprimento de onda é compatível com o do elétron, ocorre a excitação e uma possível reação fotoquímica; caso contrário, o comprimento de onde não é absorvido e não exercerá uma ação biológica através daquele pigmento.
Uma característica das moléculas de pigmentos é a existência de uma cadeia carbônica com ligações conjugadas (ligações simples e duplas alternadas). Esta cadeia poliênica favorecem o deslocamento dos elétrons nos orbitais mais externos, em ressonância, denominados elétrons ¶, que absorvem fótons de diferentes conteúdos de energia (vários comprimentos de onda). Para as clorofilas, os fótons de luz absorvidos mais eficientes são os de comprimento de onda nas bandas do azul e do vermelho, não absorvendo quase nada na banda do verde. Os carotenóides são pigmentos fotossintéticos que apresentam uma cadeia poliênica de 40 carbonos e refletem os comprimentos de onda nas bandas do amarelo, laranja e vermelho.
7. O QUE ACONTECE QUANDO OS PIGMENTOS ABSORVEM LUZ? Imaginemos que moléculas de clorofila mantidas no escuro sejam iluminadas com feixes de luz monocromática de comprimento de onda na faixa do azul e do vermelho. Estes fótons de luz impulsionam os elétrons ¶ para orbitais com níveis de energia mais elevados no interior da molécula de clorofila (¶ ¶*). Diz-se que os elétrons ¶ da clorofila foram excitados pelos quanta da luz azul ou vermelha. A absorção de fótons de luz vermelha remete os elétrons do estado basal (S 0) para o estado excitado S1, chamado primeiro singleto. Já os fótons de luz azul, dotados de maior energia quântica, impulsionam os elétrons para um orbital eletrônico cujo nível de energia é ainda mais elevado, denominamo de segundo singleto (S2). Logo, a absorção de luz é um processo ultra-rápido (em fentosegundos 10 -15s) de excitação eletrônica ocasionado pelos fótons de luz. A energia de excitação eletrônica pode ser dissipada na forma de calor (S 2 S1). Já a dissipação de energia entre os orbitais eletrônicos S 1 S0 pode se dar seguinte formas: 1. Dissipação de energia por emissão de luz ou fluorescência. 2. Transferência da energia de excitação para outras moléculas de carotenóides e clorofilas, permitindo uma rápida migração da energia entre os pigmentos densamente empacotados nas membranas dos tilacóides ( complexo de captação de luz ou complexos antenas). 3. Dissipação da energia em reações em que o elétron excitado é doado a uma molécula receptora, desencadeando reações de oxirredução.
A energia de excitação eletrônica pode ser dissipada de 4 formas: calor, emissão de luz (fluorescência), transferência de energia de excitação elétron-elétron (ressonância indutiva) nos complexos de antenas e reações redox nas membranas dos tilacóides, gerando ATP e moléculas redutoras como o NADPH e ferredoxina reduzida. Apesar da cor azul ter uma energia quântica maior do que a luz na banda do vermelho, os efeitos de ambos os comprimentos de onda sobre a fotossíntese são equivalentes, pois parte da energia da luz azul é dissipada na forma de calor (S2→S1). A energia de excitação eletrônica é canalizada para a fotossíntese e partir do estado excitado correspondente ao primeiro singleto (S1).
8. OS PIGMENTOS FOTOSSINTÉTICOS As clorofilas e os carotenóides encontram-se densa e rigorosamente organizados nas membranas dos tilacóides e estão estruturados de modo a otimizar a absorção de luz e a transferência da energia de excitação eletrônica para os centros de reação da fotossíntese (CR). As moléculas de clorofilas são constituídas por um anel de porfirina ao qual se liga um hidrocarboneto de 20 carbonos chamado de fitol. Os carotenóides são o segundo grupo de pigmentos mais abundantes no planeta. Na fotossíntese,estes participam da absorção de luz, atuando como pigmentos acessórios e desempenham um papel essencial na fotoproteção do aparato fotoquímico.
9. O FLUXO FOSSINTÉTICO DE ELÉTRONS O mecanismo de armazenamento de energia luminosa começa com a molécula de clorofila a, num ambiente proteico específico de um Centro de Reação (CR), onde os elétrons são excitados a um estado singlete , principalmente por transferência de energia de excitação eletrônica dos complexos antena ou por fótons com comprimentos de onda específicos. No estado singlete de excitação, a clorofila CR é um redutor muito forte e transfere o elétron para uma molécula receptora e tem início um fluxo de elétrons, envolvendo diversos carregadores. No final, estes elétrons participam da redução do NADP + a NADPH. O estado oxidado da clorofila a do CR promove a fotoxidação da água e a liberação de O2. Acoplado ao fluxo de elétrons dos cloroplastos, o ATP é formado através do processo conhecido como fotofosforilação .
O processo de armazenamento fotossintético de energia se dá com a participação de quatro complexos proteicos diferentes, que atuam de modo integrado e se encontram embebidos nas membranas dos tilacóides. Os complexos supramoleculares que participam da fotossíntese são o fotossistema I (FSI) e fotossistema II (FSII), o complexo citocromo b 6f (Cit bf) e o complexo ATP sin tas e. A interligação entre os complexos fotossintéticos envolvidos no fluxo de elétrons é medida por carregadores móveis que circulam no interior da matriz lipídica como a plastoquinona (Pq); no interior dos tilacóides, como a plastocianina (Pc); ou no estroma, como a ferredoxina (Fd). O fluxo fotossintético de elétrons entre os fotossistemas gera um gradiente de prótons (H +) através das membranas dos tilacóides. Esses gradientes de H + impulsiona a síntese de ATP com o armazenamento de energia durante a fluxo fotossintético de elétrons.
Considerando o fluxo fotossintético de elétrons de um modo geral e simplificado, pode-se dizer que a luz faz com que os elétrons fluam da água até o NADPH, gerando simultaneamente uma força próton-motriz que promove a síntese de ATP.
Os fotossistemas I e II (FS I e FS II) são grandes complexos supramoleculares constituídos por múltiplas subunidades de proteínas/pigmentos. Cada um dos fotossistemas tem um centro de reação (CR) com configuração dupla e simétrica e se liga a um complexo de captação de luz (complexo antena). O CR do FS II é denominado P680, pois a clorofila especial apresenta absorção máxima em 680nm. O FS I é chamado de P700 por apresentar a clorofila especial com absorção máxima a 700nm. Os fotossistemas operam de modo simultâneo e em série durante o processo fotossintético. A conexão entre os dois fotossistemas é feita pelo citocromo bf e por dois carregadores móveis: a plastoquinona (FS II PQ Cit b6f) e uma proteína que contém cobre, denominada plastocianina ( Cit b6f PC FS I).
Quando o fluxo fotossintético de elétrons é representado em função do potencial redox de cada uma das moléculas que integra, surge um diagrama que é denominada esquema Z.
O FS II é constituído por um complexo transmembrana formado por cerca de 22 proteínas. O núcleo do FS II é formado pelas subunidades proteicas D1 e D2, que atravessam as membranas dos tilacoides e contém nos centros de reações P680. A molécula receptora primária de elétrons (Feo fitina ) e sítios de ligação para a ancoragem de moléculas carregadoras de elétrons móveis denominadas plastoquinonas (PQ). O FS II interage diretamente com o complexo proteico que catalisa a fotoxidação da água, o complexo de evolução de O 2. O FS II promove a transferência de elétrons, induzida pela luz, da molécula da água para a plastoquinona (PQ). Havendo excitação eletrônica, os elétrons do centro de reação são ejetados a partir de dímeros de clorofila a (P680*) e recebidos pela feofitina ( Feo molécula receptora primária), que imediatamente, os transfere para a plastoquinona. A plastoquinona varia intercaladamente de uma forma oxidada (PQ) a uma forma reduzida (PQH 2,plastoquinol).
Os plastoquinois são liberados dentro da membrana e transferem elétrons ao complexo citocromo b6f (Citocromo redutase, citocromo C e citocromo oxidase), enquanto os prótons (H+) são lançados para o interior do lúmen dos tilacóides, formando um gradiente transmembrana entre o lúmen e o estroma dos cloroplastos. A plastoquinona volta a ocupar os sítios originais, dando continuidade ao fluxo local de elétrons entre a feofitina reduzida e o complexo citocromo oxidado pelo CR do FS I. A síntese de ATP nos cloroplastos, promovida pela luz, é chamada de fotofosforilação . O mecanismo básico da síntese de ATP se dá impulsionado pela força próton-motriz gerada durante o fluxo fotossintético de elétrons. As membranas celulares são muito pouco permeáveis aos íons H +. Os prótons, entretanto, podem fluir de um modo controlado por intermédio do complexo enzimático ATP sintetase, que atravessa a matriz lipídica das membranas. O fluxo de H + pelo complexo ATP sintetase e a favor do gradiente de H+, é responsável pela síntese de ATP. ADP + Pi
ATP sintetase
ATP
O ATP sintetizado além de sustentar a fixação de CO 2, é utilizado em inúmeras vias metabólicas como na assimilação de NO 3- e NH4+ e na biossíntese de aminoácidos que se dá no interior dos cloroplástos, utilizando o poder redutor e o ATP gerados durante a etapa
10. A FOTOXIDAÇÃO DA ÁGUA
O processo de fotoxidação da água é catalisado e intermediado pelo Complexo de Evolução de Oxigênio (CEO), que se localiza no lado das membranas dos tilacóides voltado para o lúmen. Apenas um centro de reação do FS II e o CEO estão envolvidos na liberação de uma molécula de oxigênio (O 2). A fotoxidação envolve duas moléculas de água com a liberação de quatro prótons e quatro elétrons. Para cada oxigênio liberado, o CR P680 precisa ser excitado quatro vezes, com a absorção da energia de quatro fótons. Cada CEO abriga um grupo de quatro íons manganês que atuam como acumuladores de cargas positivas. Cada fóton absorvido remove um elétron do CR P680, o qual é imediatamente reposto por um elétron extraído do aglomerado de íons manganês do CEO. A perda sucessiva de quatro elétrons faz com que o centro mangânico saia do estado S0 para S4+, que é o componente oxidante que reage com a água, restaurando, assim, o estado de oxidação do centro mangânico para o condição S0. 2H2O + S0
S0 + 4 H+ + O2
Uma vez que os fotossistemas I e II operam de modo simultâneo e em série, são necessários 8 fótons para cada O 2 liberado durante o processo fotossintético. Os prótons gerados na fotoxidação da água acumulam-se no interior do lúmen dos tilacoides e contribui para o aumento do gradiente de prótons entre o estroma (pH = 8) e o lúmen (pH = 5).
Foram identificadas 13 proteínas no complexo transmembrana do FS I. O centro de reação P700 apresenta receptores terminais de elétrons contendo centros de ferro-enxofre. O coração do FS I é um dímero de proteínas semelhantes denominadas psaA e psaB. O centro de reação P700 doa elétrons para uma molécula receptora Ao, formando o par P700*/ Ao-. A molécula reduzida Ao- é o mais poderoso agente redutor já encontrado em sistemas biológicos e quase instantaneamente o P700* captura um elétron da plastocianina retornando a P700, podendo participar de um novo ciclo de excitação. Os elétrons de Ao- é transferido para A1, uma quinona (vitamina K 1) e daí para ferredoxina (FeS), um aglomerado de ferro e enxofre. Essa reação ocorre no lado da membrana do tilacoide voltada para o estroma. A ferredoxina é uma molécula redutora estável que pode participar de inúmeras reações no interior do estroma dos cloroplastos como: na redução do NO 3- e de SO4-, assimilação de NH4+, dentre outras), mas o principal destino dos seus elétrons é a redução do NADP+ a NADPH catalizada pela enzima ferredixona-NADP+ oxidorredutase (FNR). O NADPH formado é utilizado em larga escala na redução do CO2 durante a etapa bioquímica da
11. FOTOFOSFORILAÇÃO NÃO-CÍCLICA, CÍCLICA E PSEUDOCÍCLICA
Quando a síntese de ATP se encontra acoplada ao fluxo de elétrons não cíclico através dos dois fotossistemas (da água até o NADPH), a fotofosforilação é denominada nãocíclica ou acíclica. Estes dois fotossistemas não são fisicamente ligados no interior das membranas, mas separados em diferentes regiões dos tilacoides e interligados pelos carregadores de elétrons móveis. Uma consequência importante da distribuição heterogênea dos fotossistemas nas membranas é que o FSI pode transportar elétrons de um modo independente do FSII, num processo conhecido como transporte cíclico de elétrons . A síntese de ATP acoplada a este fluxo cíclico de elétrons se chama fotofosforilação cíclica .
A fotofosforilação cíclica e a acíclica coexistem e atuam de modo cooperativo no sentido de manter o equilíbrio do sistema fotoquímico. Quando há excesso de energia radiante, o fluxo cíclico de elétrons é intensificado e contribui para a dissipação do excesso de energia de excitação eletrônica do sistema fotoquímico em ambientes intensamente iluminados.
.Fosforilação cíclica
Elétrons do FSI, através da ferredoxina (Fd), retornam para a plastoquinona (Q B) e vão para o citocromo b 6, proteína integrante do complexo citocromo b 6f. Do citocromo b6 os elétrons vão para a plastocianina (Pc) e voltam para o FSI. Este fluxo de elétrons produz um gradiente eletroquímico de H+ que é utilizado para a síntese de ATP via ATP sintetase. Em condições de laboratório, iluminando-se com feixes de luz de comprimento de onda superior a 680nm, obtém-se o funcionamento apenas do FSI, através do fluxo cíclico de elétrons. Nessas condições, ocorre tão somente a fotofosforilação cíclica, sem que haja a fotoxidação da água e a liberação de O 2, pois os fótons acima de 680nm não são capazes de excitarem nem as antenas, nem os CR do FSII.
O fluxo cíclico de elétrons também pode ser intensificado quando há falta de CO2 no mesófilo foliar e muita radiação solar, situação comumente vivida pelas plantas nos dias quentes e ensolarados. Nessas condições ambientais, normalmente as plantas experimentam um estresse hídrico e perdem mais água do que podem absorver. Para manter o necessário equilíbrio hídrico, as plantas tendem a diminuir progressivamente a perda de água através da diminuição do grau de abertura dos estômatos. Isso afeta substancialmente a entrada de CO 2 no interior das folhas. Como grande parte do NADPH gerado é consumido na fixação do CO 2, começa a haver um acúmulo de NADPH e de ferredoxina reduzida no estroma e a falta do receptor final de elétrons, que é o NADP+. Nessas circunstâncias, o fluxo cíclico de elétrons promove a síntese de ATP e a dissipação de uma parte da energia de excitação eletrônica do sistema fotoquímico. Nestas condições de alta incidência de luz (fótons) e baixa disponibilidade de CO 2, parte dos elétrons da ferredoxina pode ser doada para o oxigênio molecular, que atuará como receptor terminal de elétrons, levando a formação de radicais livres superóxidos (O20-). Esta síntese de ATP que resulta do fluxo de elétrons da água para o O 2 é chamada de fotofosforilação pseudocíclica e
A fosforilação pseudocíclica é importante porque, além do radical livre superóxido (O 20-), há a formação de peróxido de hidrogênio (H2O2), numa reação denominada Reação d e Mehler . Fdreduzida + O2
Fdoxidada + O20-
Fdreduzida + O2-
Fdoxidada + H2O2
Peróxido de hidrogênio e O2- reagem formando outro radical livre muito reativo, o íon hidroxil ( 0HO). A destruição do radical livre superóxido é realizada pela enzima superóxido dismutase (SOD). Já a eliminação do peróxido de hidrogênio é efetuada pela enzima catalase . 2H2O2
catalase
2H2O + O2
→→→→→
Estas duas enzimas, SOD e catalase, juntamente com os carotenóides, são extremamente importantes como defesa orgânica contra os radicais livres altamente reativos derivados do oxigênio. O acúmulo dos radicais livre derivados do oxigênio destroem as membranas e as próprias moléculas de clorofilas, levando a morte do vegetal
Diversos estudos têm demonstrados que plantas e algas mutantes deficientes da enzima superóxido dismutase (SOD) e/ou a catalase e/ou dos carotenóides (luteína, zeaxantina, beta-caroteno e licopeno ) são destruídos quando expostos à radiação solar. Isso confirma a importância dessas moléculas para a defesa das plantas contra a fotoxidação .
12. TRANSPORTE DE ELÉTRONS E HERBICIDAS
O transporte fotossintético de elétrons pode ser artificialmente bloqueado por compostos que removem elétrons de diferentes pontos do sistema ou por compostos que são análogos não-funcionais de moléculas construtivas da cadeia transportadora de elétrons. Muitos herbicidas de amplo espectro, comercialmente disponíveis, atuam de modo letal sobre as plantas por interferirem no fluxo fotossintético de elétrons. Duas categorias químicas de herbicidas bloqueiam a passagem de elétrons do sítio Q B do FS II para a plastoquinona, interrompendo o fluxo fotossintético de elétrons: 1. Derivados da uréia, como o monouron, o diuron; 2. Derivados da triazina.
12.1 APLICAÇÃO DE HERBICIDAS
Outra categoria de herbicidas são os corantes viologênio bipiridilium diquar e paraquat , que atuam interceptando elétrons do lado redutor do FSI e transferem elétrons diretamente para o oxigênio, catalisando a formação de radicais superóxidos e outras espécies reativas de oxigênio que destroem membranas, clorofilas e proteínas. Uma vez absorvidos, os herbicidas bipiridilium matam rapidamente as plantas em presença de luz.
12.2 MECANISMOS DE AÇÃO DOS HERBICIDAS, SEUS EFEITOS FISIOLÓGICOS E SINTOMAS PRODUZIDOS
Mecanismos de ação
Efeitos
Sintomas de injúrias
Inibidores da síntese de aminoácidos
Bloqueio na síntese de aminoácidos essenciais para a produção de novas células Rupturas das membranas celulares das plantas
Crescimento atrofiado; descoloração das folhas.
Imita os hormônios de crescimento naturais responsáveis pelo alongamento natural, síntese proteica e divisão celular. Bloqueio na síntese de lipídios essenciais para a produção de novas células Bloqueio da fotossíntese
Anormalidade do crescimento: torção do caule; má formação das folhas; crescimento atrofiado das raízes. Decadência; descoloração das folhas.
Inibidores de pigmentos
Inibem a síntese de pigmentos fotossintéticos
Folhas brancas ou translúcidas
Inibidores da respiração
Interfere na produção de ATP
Desfolha ou folhas dessecadas e marrons
Desreguladores da membrana celular Reguladores de crescimento
Inibidores da síntese de lipídios
Inibidores fotossintéticos
Morte do tecido vegetal
Amarelecimento das folhas e morte do tecido vegetal
13. OS COMPLEXOS SUPRAMOLECULARES NAS MEMBRANAS DOS TILACOIDES: ESTRUTURAS E REGULAÇÃO
As membranas do tilacóides podem ser divididas em três domínios: 1. As lamelas do estroma; 2. As margens dos grana; 3. A parte interna dos grana. Estes domínios apresentam composições químicas e funções diferenciadas. O transporte linear de elétrons (não-cíclico) ocorre no interior dos grana, enquanto o transporte cíclico encontra-se restrito às lamelas do estroma. As regiões não-empilhadas e empilhadas das membranas dos tilacóides diferem quanto à composição supramoleculares dos complexos integrantes do processo fotoquímico. O complexo FSI, o CCLI e a ATP sintetase localizam-se quase exclusivamente nas regiões não-empilhadas, em contato com o estroma, enquanto que o FSII e o CCLII estão presentes nas regiões empilhadas. O complexo citocromo bf tem distribuição uniforme através das membranas dos tilacóides. Durante o fluxo fotoquímico de elétrons, a conexão funcional entre os complexos, espacialmente separados no interior das membranas dos tilacóides, é efetuada pelos carregadores de elétrons móveis .
O grau de empilhamento das membranas dos tilacóides no interior dos cloroplastos, bem como a proporção dos fotossistemas (FSII e FSI) pode variar entre espécies e das condições de luz do ambiente. Este empilhamento aumenta à medida que a intensidade luminosa diminui e vice-versa. Isto promove mudanças nas proporções de relativa dos FSII e FSI o nos respectivos complexos de antenas (CCLI e CC LII). O aumento do empilhamento das membranas dos tilacoides é acompanhado de um aumento quantitativo no número de complexos do FSII e de CCLII. O CCLII é um complexo de antena maior que ao CCLI associada ao FSI. A maior parte da clorofila total das plantas está associada ao CCLII cerca de metade da clorofila a e quase toda a clorofila b. Logo, em plantas sombreadas o conteúdo de clorofila b é maior do que em plantas crescidas ao sol. As folhas ao sol têm maior disponibilidade de luz, investindo menos na formação dos complexos de antenas (têm menores quantidades de CCLII) e aumentam os níveis de transportadores de elétrons (Cit b 6f, plastoquinona, plastocianina, ferredoxina) e de complexos ATPase por unidade de clorofila. Mudanças rápidas no fluxo de fótons como nebulosidades variáveis e rápidas oscilações da posição de feixes de luz no interior promovem variações na taxa de fluência de fótons e causar desequilíbrio no fluxo fotossintético de elétrons entre os FSII e FSI.
14. METABILISMO DO CARBONO NA FOTOSSINTESE A produção de enorme quantidade de compostos orgânicos nas plantas é resultante do metabolismo fotossintético do carbono, sustentado pelo ATP e NADPH gerados durante a etapa fotoqu ímica da fotossíntese. A formação das moléculas orgânicas têm início com a reação de fixação da molécula de CO 2, catalisada pela enzima Ribulose bifosfato carboxilase/oxidase (Rubisco ). A rubisco é a enzima central para aquisição de carbono pelos organismos vivos. Esta aquisição desencadeia uma rede de reações bioquímicas que geram os carboidratos, as proteínas e os lipídios que sustentam as plantas e os demais seres vivos, inclusive o homem . Trata-se de uma enzima bifuncional, pois catalisa tanto a carboxilação como a oxigenação do seu substrato, a pentose ri bulose 1,5-bisfosfato (RuBP). O gás carbônico e o oxigênio competem entre si pelo mesmo sítio ativo da rubisco, reagindo com o mesmo substrato (RuBP). Rubisco
-Carbixilação
-Oxigenação
→→→→→→
Rubisco
2 x 3-fosfoglic erato
3-fosfog licerato + 2 fosfogl icolata
→→→→
Partindo do composto resultante da carboxilação, o 3-fosfoglicerato, tem início um ciclo de reações bioquímicas que gera vários carboidratos e que, simultaneamente, regenera a pentose bisfosfato que reage com o CO 2, a RuBP. Esta via metabolica é conhecida como Ciclo de Calvin-Benson ou Ciclo fotossintético redutivo C3 ou ciclo C3. O ciclo de Calvin-Benson é a via metabólica responsável pela geração dos carboidratos precursores de todas as moléculas orgânicas existentes nos organismos fotossintetizantes e heterotróficos, sustentando a vida na Terra. O fosfoglicolato, por sua vez, gerado exclusivamente pela função oxigenase da rubisco, não pode ser utilizado no ciclo de Calvin-Benson. O seu processamento é efetuado por uma via metabólica conhecida como C 2 ou via foto rrespiratória. O metabolismo do 2-fosfoglicolato pela via C2 se dá com o consumo de O2 e com a perda de CO2 já fixado. A eficiência da assimilação de CO 2 (fotossíntese líquida) depende, portanto, das taxas relativas dos ciclos C2 e C3, que se opõem mutuamente, pois depende da concentração de CO 2 e O2 no interior do mesófilo foliar e no interior do estroma dos cloroplastos, local onde atua a rubisco. Para evitar a fotorrespiração nas plantas vasculares, são conhecidos dois mecanismos que concentram CO 2 no sítio ativo da rubisco através do bombeamento
15. A ENZIMA RUBISCO
A enzima rubisco existe em elevada quantidade nos tecidos fotossintéticos das plantas superiores. Trata-se de uma proteína de elevado peso molecular e constituída por duas subunidades: uma grande (L) e outra pequena (S). A subunidade L é sintetizada nos cloroplastos. Já a subunidade S é sintetizada no citoplasma. Logo, a rubisco é resultado de um processo coordenado de expressão de genes nucleares e de genes dos cloroplastos. O sitio ativo de ligação da enzima situa-se na subunidade L. 16. O CICLO DE CALVIN-BENSON OU CICLO FOTOSSINTÉTICO REDUTIVO C 3 OU CICLO C3
A elucidação da via metabólica através da qual os vegetais fixam o gás carbônico e produzem os carboidratos é um marco histórico . Foi a primeira via metabólica inteiramente descoberta com o uso do isótopo radioativo do carbono, o 14C. A partir de meados da década de 40 do século passado, Calvin, Benson, Bassham e uma equipe de colaboradores utilizaram o 14CO em experimentos com algas verdes dos gêneros Chorella e Scenedesmus . 2 Estas algas eram expostas ao carbono 14 e por intervalos de tempo cada vez mais breves (até 2 segundos) foi extraído em álcool fervente o primeiro produto estável da fotossíntese, um ácido orgânico de três carbonos, o ácido 3-fosfoglicérico. A via metabólica desvendada por Calvin e Benson e sua equipe envolve 13 reações organizadas de um modo cíclico.
17. ETAPAS DO CICLO C3 O ciclo pode ser dividido em três fases: a carboxilação, a redução e a regeneração . Este ciclo ocorre no estroma dos cloroplastos, onde estão localizadas as enzimas que o movimentam.
17.1 Fase carboxilação reação catalisada pela rubisco, onde cada molécula de CO 2 fixada pela rubisco dá origem a duas moléculas de 3-fosfoglicerato (3PGA), primeiro composto estável do ciclo C 3.
O intermediário de 6 carbonos que se forma inicialmente é instável. O gás carbônico reage inicialmente na posição 2 (C-2) da ribulose bisfosfato, formando uma molécula instável de 6 carbonos, que permanece ligada à enzima. A seguir, essa molécula é hidrolisada, formando duas moléculas estáveis de ácido 3-fosfoglicérico (3PGA).
17.2 Fase redutiva - o 3PGA é convertido a gliceraldeído-3-fosfato (3PGald) através de duas reações que utilizam o ATP e o NADPH produzidos na etapa fotoquímica da fotossíntese. O 3PGald é o primeiro carboidrato gerado no ciclo C 3. As duas reações sequenciais, apresentadas a seguir, são catalisadas pelas enzimas fosfato glicerato quinase e NADP:gliceraldeído3-fosfato desidrogenase, respectivamente: 3PGA + ATP
Glicerato-1.3-bisfosfato + ADP
Glicerato-1.3-bisfosfato + NADPH
3PGald + NADP+ + Pi
17.3 Fase regenerativa - se processa a partir da formação do 3PGald. Esse monossacarídeo é reversivelmente convertido em diidroxiacetona-fosfato (DHAP) através da enzima triosefosfato isomerase. Os dois açúcares fosfato, constituídos de três carbonos são denominados trioses-fosfato (triose-P). Uma série de reações enzimáticas interconvertem açúcares-fosfato de três, quatro, cinco, seis e sete átomos de carbono, e regeneram a molécula receptora primária do , a ribulose-1,5-bisfosfato (RuBP). Oito enzimas diferentes catalizam as 10 reações que integram a etapa regenerativa do ciclo de Calvin-Benson.
18. BALANÇO ENERGÉTICO DO CICLO C 3
Do ponto de vista energético, a fixação de uma molécula de CO 2 exige três moléculas de ATP e duas de NADPH. Duas moléculas de ATP e duas de NADPH são necessárias para movimentar a fase redutiva do ciclo. Uma terceira molécula de ATP é exigida na fase final da etapa regenerativa do ciclo , quando a ribulose fosfato (RuP) é transformada em RuBP. Assim, a produção de uma molécula de triose-P exige nove moléculas de ATP e seis moléculas de NADPH. A formação de uma hexose (glicose ou frutose) exige seis voltas no ciclo de CalvinBenson e resulta na síntese dos principais produtos da fotossíntese , o amido e a sacarose . O ciclo é regulado pela luz, sendo plenamente ativo em presença de luz e inativo no escuro. A ativação da rubisco pela luz se dá através de um mecanismo complexo e envolve o fluxo de Mg 2+ dos tilacóides para o estroma, ativação da rubisco pelo CO2, aumento do pH do
18. FATORES QUE AFETAM AS TAXAS DE FOTORRESPIRAÇÃO
A enzima rubisco apresenta a função carboxilase e oxigenase, uma vez que o CO2 e o O2 moleculares competem pelo sítio ativo da rubisco e pelo mesmo substrato. As taxas de fotorrespiração variam com alterações na luz, razão de CO 2/O2e temperatura foliar. Em condições atmosféricas normais (0,036% de CO 2 e 21% de O2) e sob temperaturas moderadas (20 a 25°C), a proporção entre as funções carboxilase/oxidase é de cerca de 3:1. A fotorrespiração pode ocasionar uma diminuição na assimilação líquida de carbono de 20 a 50%, dependendo da temperatura. A fotorrespiração representa um dreno consumidor do excesso de ATP e NADPH produzidos em dias ensolarados e durante períodos de seca, pois o CO 2 não pode entrar no mesófilo foliar devido ao fechamento dos estômatos, limitando o ciclo C 3.
19. MECANISMOS FOTOSSINTÉTICOS DE CONCENTRAÇÃO DE CO2
Em algumas espécies de plantas, a fotorrespiração é tão baixa que não pode ser detectada. Isto não se deve a propriedades diferenciadas da rubisco, mas sim a mecanismos especiais de acumulação de CO 2 nas vizinhanças da enzima. Na presença de concentrações suficientemente elevadas de CO 2, a reação de oxigenase é suprimida. Em plantas vasculares são conhecidas dois mecanismos concentradores de CO 2 no sítio de carboxilação da rubisco: mecanismo C 4 e mecanismo CAM.
19.1. Mecanismo C4
O mecanismo concentrador de CO 2 das plantas C4 baseia-se num ciclo de carboxilação e descarboxilação que se distribui entre dois tipos diferenciados de células fotossintéticas: as células do mesófilo e as células da bainha perivascular. As células do mesófilo e da bainha perivascular apresentam diferenças em suas propriedades bioquímicas e fisiológicas. Adaptações anatômicas especiais tipo Kranz ( coroa em alemão) permite a concentração de CO2 nas células da bainha, que apresentam paredes espessas e baixa permeabilidade aos gases, reduzindo perdas de CO 2 por difusão.
A anatomia foliar diferenciada de uma planta C 4 permite que a maioria das células do mesófilo situe-se imediatamente adjacente a células da bainha perivascular, sendo conectadas por numerosos plasmodesmos, o que possibilita uma cooperação dinâmica e eficiente entre os dois tipos celulares ao desempenharem as suas tarefas fotossintéticas específicas. A concentração de CO2 nas células da bainha perivasculares pode atingir valores 10 vezes superior aos valores normalmente encontrados na atmosfera.
As espécies C4 são predominantemente tropicais e subtropicais, ocorrendo em 18 famílias de plantas superiores, como culturas de milho, sorgo, cana-de-açúcar, bem como de 8 das 10 piores plantas invasoras do mundo como a tiririca, o capim-colchão e o capim-arroz. Menos de 1% das angiospermas são plantas C 4 e a maioria das espécies são monocotiledôneas, principalmente gramíneas e ciperáceas. Entretanto, mais de 300 espécies são dicotiledôneas. O surgimento da via C4 é um evento recente do reino vegetal. Supõe-se que as principais causas evolutivas que conduziram ao surgimento das plantas C4 são: a concentração do CO2 atmosférico, o estresse hídrico e as altas temperaturas, que limitam extremamente a aquisição de CO 2 em plantas C3.
19.2. O ciclo bioquímic o C4
O tratamento de folhas de milho tratadas com 14CO2 revelaram que o primeiro produto estável da fotossíntese era uma molécula de quatro carbonos (oxalato e malato). A reação de carboxilação foi descoberta logo em seguida. A enzima fosfoenolpirúvato carboxilase (PEPcase) catalisa a carboxilação irreversível do ácido fosfoenol pirúvico (PEP), tendo como produto o imediato ácido oxaloacetato (AOA), conforme indicado a seguir: HCO3- + PEP
AOA + Pi
A PEPcase utiliza carbono na forma de bicarbonato (HCO3-), enquanto que a rubisco utiliza o carbono na forma de CO 2. No pH dos fluidos celulares, o CO 2 dissolvido sob a forma de ácido carbônico dissocia-se formando predominantemente o íon bicarbonato (HCO 3-).
A via fotossintética C 4 é responsável pelo bombeamento bioquímico do CO 2 da atmosfera para o ciclo de Calvin, que opera nos cloroplastos das células da bainha perivascular e divide-se em três fases: 1. Carboxilativa; 2. Descarboxilativa; 3. Regenerativa . O CO2 atmosférico é fixado no citoplasma das células do mesófilo através da reação catalisada pela PEP carboxilase ou PEPcase (fase carboxilativa). Dentro das células do mesófilo, o ácido oxaloacético produzido é transportado para as células da bainha perivascular, onde são submetidos a reações de descarboxilação. A regeneração de cada molécula de PEP, a partir do piruvato é catalisada pela piruvato fosfoato dicinase e exige o gasto de duas moléculas de ATP. A PEPcase tem atividade enzimática centenas de vezes maiores do que os valores encontrados nas folhas das plantas C3. Quando comparada a rubisco, a PEPcase atua apenas como carboxilase e é mais eficiente do que a rubisco, podendo carboxilar ainda que a disponibilidade de CO 2 seja muito baixa, o que não acontece com a rubisco.
20. MECANISMO CAM (Metabolismo ácido das Crassulaceae )
A via CAM (CAM do inglês Crassulacean acid metabolism ) é um mecanismo fotossintético concentrador de gás carbônico, em resposta á aridez de ambientes terrestres e à limitação da disponibilidade de CO2 em ambientes aquáticos. Provavelmente, todas as espécies de Cactáceas e de Crassuláceas possuem metabolismo CAM. Nas outras famílias são encontradas espécies CAM obrigatórias e facultativas. As plantas CAM facultativas são aquelas que apresentam o metabolismo CAM em determinadas condições ambientais, pois em condições favoráveis (disponibilidade de água) as CAM facultativas apresentam metabolismo C3. As orquidáceas epífitas de ecossistemas áridos ou de florestas tropicas apresentam numerosos representantes com metabolismo CAM. As Bromeliáceas, abacaxi e agave são exemplos de plantas cultivadas com metabolismo CAM.
20.1 A via bioquímica CAM
As plantas CAM são caracterizadas pela fixação maciça de gás carbônico no período noturno. O mecanismo CAM fundamenta-se num processo de carboxilação noturna, seguido de uma etapa de descarboxilação diurna, responsável pelo suprimento de CO 2 para o ciclo C 3.
As espécies CAM terrestres abrem os estômatos durante a noite e os mantêm fechados durante a noite e os mantém fechados durante o dia, contrariamente ao que ocorre com a maioria das plantas terrestres. A fixação noturna do gás carbônico também é catalisada por uma isoforma da PEPcase. O CO2 fixado é acumulado nos vacúolos na forma de malato. Por isto, a acidez celular vai aumentando progressivamente durante a noite. Durante o dia, os estômatos de fecham, mas o CO 2 para o ciclo C 3 passa a ser fornecido pela descarboxilação do malato, o pH dos vacúolos das células fotossintéticas aumenta progressivamente. À noite, o amido é hidrolisado para a geração de PEP, acumulando-se durante o dia como produto da fotossíntese e da descarboxilação do malato.
Deve-se ressaltar que o mecanismo bioquímico de carboxilação das plantas CAM e C 4 é o mesmo, diferenciando-se quanto à sua regulação. Nas plantas C 4, há uma separação espacial (anatômica) entre a carboxilação pela PEPcase e o ciclo C 3, processos que transcorrem simultaneamente. Já nas plantas CAM, a separação desses eventos é apenas temporal, ocorrendo na mesma célula fotossintética. A fixação do CO 2 atmosférico pela PEPcase se processa à noite, enquanto a fixação de CO 2 pelo ciclo de C 3 ocorre durante o dia.
20.2 O mecanismo CAM e a sob revivência das plantas
Em secas prolongadas, os estômatos fecham completamente e não ocorre as trocas gasosas, mas o seu conteúdo de ácidos orgânicos continuam a flutuar ao longo do dia, indicando a reciclagem do CO 2 gerado na respiração e na fotorrespiração. O mecanismo CAM aumenta extraordinariamente a Eficiência de Uso da Água (EUA), sendo encontrado em plantas adaptadas a ambientes áridos ou sujeitos a suprimento de água apenas periódico.
Outra característica impressionante das plantas CAM é a sua extrema flexibilidade metabólica. Em várias espécies, a fotossíntese C 3 ou CAM pode ser induzida por mudanças climáticas. O advento de uma seca ou o aumento da salinidade induzem o metabolismo CAM em muitas espécies facultativas. A mesma planta pode, portanto, apresentar simultaneamente as vias CAM e C3 que se sucedem ao longo do ciclo de vida da planta.
21. A PEP CARBOXILASE
A PEP carboxilase é uma enzima citossólica que existe em todas as células vegetais, porém nas plantas C4 e CAM assume um papel de destaque, pois a atividade da PEPcase na fotossíntese de plantas C 4 atinge valores centenas de vezes maiores do que os valores encontrados nas folhas das plantas C 3. Comparada a rubisco, a PEPcase atua apenas como carboxilase e a sua afinidade com o íons HCO3- é mais elevada do que a afinidade da rubisco pelo CO 2. A PEPcase é uma enzima alostérica sujeita a ativação pela glicose-6-fosfato e por triosesP, e a inibição pelo L-malato. As concentrações destes compostos no citoplasma regulam a atividade da PEPcase. Nas plantas C 4, esta enzima também é regulada pela transição escuroluz, sendo fosforilada pela ação catalitica de uma enzima cinase solúvel, que a torna menso sensível ao efeito inibitório do L-malato o que a torna mais ativa durante o período diurno.
22. PARÂMETROS FISIOLÓGICOS DAS PLANTAS C3, C4 e CAM
TIPO
C3
C4
CAM
Nas angiospermas são...
90%
3%
7%
Distribuição
Ampla
Tropical e subtropical
Desértica
Produto da fixação do CO 2
PGA
Malato-aspartato
Malato
Anatomia foliar
Parênquimas: Paliçádico e lacunoso
Mesófilo e células da bainha
Células com vacúolos grandes
Estômatos
Aberto de dia e fechado a noite
Aberto de dia e fechado a noite
Fechado de dia e aberto a noite
Fotorrespiração
40% da fotossíntese
Não se detectou
Baixa
Ponto de compensação do CO 2
40 ppm
< 5 ppm
< 5 ppm
Crescimento (g/m 2dia)
5-20
40-50
0,2
