Fotossíntese: captação de luz solar e produção de matéria orgânica

Olá!

Outro assunto de grande relevância da Biologia refere-se à síntese de matéria orgânica através da fotossíntese. Ao longo deste processo, a energia luminosa irradiada pelo sol é transformada em energia química (contida nas ligações que formam os compostos orgânicos sintetizados: carboidratos - glicose e sacarose). A matéria orgânica produzida é consumida por outros seres vivos, produzindo um fluxo de energia nas cadeias alimentares. Além da matéria orgânica, a fotossíntese produz O2, gás de grande relevância para a manutenção da vida em nosso planeta. Desta forma, é super compreensível porque é considerado um assunto de grande recorrência em provas e de grande destaque em aulas.

Fonte: app.planejativo.com

Para que a fotossíntese aconteça, além da luz solar, são utilizados como reagentes o gás carbônico (CO2)  e a água (H2O), a reação completa está representada na reação a seguir:

6CO₂ + 6H₂O + Luz → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

E quais são os organismos que realizam a fotossíntese?

Os organismos chamados de autótrofos (que produzem sem próprio alimento). No ambiente terrestre, são representados principalmente pelas plantas, e no ambiente aquático, pelas algas macroscópicas e pelas cianobatérias (bactérias fotossintetizantes), também conhecidas como fitoplâncton. Ecologicamente, os autótrofos são denominados de produtores, ocupando o primeiro nível nas cadeias/teias alimentares. 

Que linda esta imagem da "energia luminosa" adentrando a floresta ;)

Algas macroscópicas

Cianobactérias

Qual o diferencial dos organismos autótrofos que possibilita que realizem fotossíntese?

As plantas e algas apresentam células eucarióticas com organelas denominadas de cloroplastos, é nesta organela que a fotossíntese ocorre. Por outro lado, as cianobactérias são seres procariontes, deste modo, a fotossíntese acontece em seu citosol, nas lamelas membranosas. 

COMPROVAÇÃO DE QUE O OXIGÊNIO SINTETIZADO PELA FOTOSSÍNTESE É ORIUNDO DA ÁGUA: EXPERIMENTO DE HILL

🌿O bioquímico Robert Hill, em 1937, comprovou por meio de experimentos que o oxigênio resultante da fotossíntese é obtido através da molécula de água utilizada como substrato na reação;

🌿Fotólise: uma das fases da fotossíntese é a liberação de energia e doação de elétrons através da quebra da molécula de água (H2O). Os átomos de oriundos desta quebra reagem entre si e formam o oxigênio (O2), que é liberado na atmosfera.

E como foi o experimento de Hill? 

🌿Naturalmente, o oxigênio mais comum no ambiente é do tipo ¹⁶O;

🌿Porém, Hill utilizou um *isótopo deste oxigênio, denominado de ¹⁸O;

*: Isótopos: átomos com o mesmo número atômico (Z), por pertencem ao mesmo elemento químico, mas apresentam diferentes números de massa (A)”. Geralmente, os elementos químicos possuem dois ou mais isótopos, que ocorrem em proporções diferentes.

🌿Ele utilizou moléculas de água com o isótopo ¹⁸O. Se ele encontrasse este mesmo átomo de oxigênio no gás oxigênio (O2) formado pela fotossíntese, teria a certeza de que é oriundo da molécula de água. Então ele colocou as moléculas de água com o isótopo em contato com as células fotossintetizantes;

🌿Resultado: o oxigênio sintetizado pela reação fotossintética era constituído por isótopos ¹⁸O;

🌿Conclusão: o oxigênio liberado é oriundo da água obtidas pelos seres vivos fotossintetizantes;

Este experimento é representado pela seguinte equação:

2H₂O* + luz → O₂* + 4H⁺ + 4e^–

Também é possível representar o resultado do experimento de Hill da seguinte forma:

6CO₂ + 6H₂O* + Luz → C₆H₁₂O₆ + 6O₂*

CONHECENDO AS ESTRUTURAS DO CLOROPLASTO: LOCAIS DE OCORRÊNCIA DE CADA ETAPA DA FOTOSSÍNTESE

Considerando os autótrofos eucarióticos:

🌿A fotossíntese ocorre em organelas denominadas de cloroplastos. Que se assemelham às mitocôndrias por apresentarem seu próprio material genético (circular) e, devido a isso, serem capazes de se replicar, independentemente da divisão celular; 

🌿Estrutura do Cloroplasto: os cloroplastos são compostos por 2 membranas e por um espaço interno. Apresentam lamelas membranosas e bolsas pequenas denominadas de tilacóides - parecidas com pilhas de discos, recebendo o nome de granum. Todos o granum de um clopoplasto formam a grana;

🌿Nos tilacóides acontece a captação de energia luminosa do sol e sua transformação em energia química;

🌿Há ainda um espaço interno chamado de estroma, nele ocorre a síntese de carboidratos.

 

🌿As estruturas presentes nos tilacóides que possibilitam a captação de energia solar são os pigmentos fotossíntetizantes, sendo a clorofila o mais popular. A clorofila apresenta em sua composição um átomo de magnésio, que ao entrar em contato com a energia luminosa é excitado; 

Estrutura química da Clorofila

🌿A clorofila é que define a cor verde das plantas, outros pigmentos fotossintetizantes são os carotenóides (coloração alaranjada e avermelhada). Se diferenciam pelo comprimento de onda que são capas de absorver para excitar suas moléculas e produzir energia química;

🌿Tipos de clorofila:  

🌿Clorofila a (verde azulada): presente nos vegetais e em cianobactérias. Representa 3/4 dos pigmentos encontrados em vegetais, é diretamente relacionada ao processo de fotossíntese;

🌿Clorofila b (verde amarelada): encontrada em algas verdes, em algas euglenófitas e em alguns tipos de plantas;

🌿Clorofila c: encontrada em algas pardas e diatomáceas no lugar da clorofila b;

🌿Bacterioclorofila: pigmento responsável pela fotossíntese em bactérias purpúreas, estas não apresentam clorofila a;

 

🌿Clorofila clorobium: encontrada em bactérias verdes sulfurosas.

Obs: Carotenóides e clorofila B absorvem luz e transferem para a clorofila do tipo A que, por sua vez, converte a energia luminosa em química.

E QUAIS SÃO AS ETAPAS DA FOTOSSÍNTESE?

🌿Fotoquímica ou fotodependente (etapa clara): dependente luz; a energia luminosa é utilizada para a produção de moléculas energéticas (ATPs) e carreadores de elétrons.

🌿Química ou fotoindependente (etapa escura): independente diretamente de luz; produção de matéria orgânica/carboidratos a partir do uso da energia química sintetizada na etapa fotoquímica.

Vamos conhecê-las melhor!

ETAPA FOTOQUÍMICA/CLARA/DEPENDENTE DE LUZ

🌿Ocorrência: complexos proteicos - Fotossistemas, presentes nos tilacoides dos cloroplastos em em lamelas;

🌿Principal função: transformar a energia luminosa em energia química, sintetizando ATPs e reduzindo o NADP (carreador parecido com o NAD+ e FAD+ da respiração celular), que atua como aceptor de hidrogênio;

Esta etapa pode ser dividida em dois grandes processos dependentes de luz: a fotólise da água e a fotofosforilação:

🌿Fotólise da água: a molécula de clorofila presente nos tilacoides capta a energia luminosa absorvida e a utiliza para quebrar a molécula de água, gerando átomos de oxigênio que se unem e compõem o gás oxigênio (O_2), usado na respiração da célula vegetal ou liberado através da respiração. Este processo também libera prótons H⁺ e elétrons livres e^–. A energia luminosa excita a molécula de clorofila, tornando-a instável, porém... ao receber os elétrons obtidos pela quebra/fotólise da água, se torna estável novamente e apta para continuar captando energia luminosa;

🌿Fotofosforilação: a clorofila excitada pela energia assimilada libera elétrons que são transferidos por meio de um complexo proteico contido na membrana dos tilacoides;

Na fotofosforilação, os elétrons liberados da molécula de clorofila excitada pela energia luminosa são transferidos até o aceptor final NADP⁺, através de complexo protéico presente na membrana dos tilacóides. O NADP⁺se une ao elétron e ao íon H⁺ liberado da fotólise da água e se converte em NADPH. Este processo está esquematizado na reação a seguir:

2H₂O* + 2NADP⁺ + Luz → O₂* + 2H⁺ + 2NADPH

🌿Ocorre um aumento da concentração de íons H⁺dentro da membrana dos tilacoides devido ao processo de transferência de elétrons através da membrana, abordado anteriormente. Os H⁺devem voltar para o onde se encontravam inicialmente: no estroma!;

🌿O retorno dos íons H⁺para o estroma é possibilitado pela enzima ATP-Sintetase: produtora de ATP ao adicionar um grupo fosfato no ADP (adenosina difosfato);

🌿Não esqueça que este processo de fosforilação depende da energia luminosa (a que gerou a transferência de elétrons nos fotossistemas dos cloroplastos), e por causa disso é chamado de fotofosforilação. Podendo ser processada de duas maneiras: cíclica ou acíclica.

🌿Fotofosforilação cíclica: 

Somente o fotossistema I (absorve luz no comprimento de onda de 700 nanômetros) atua por meio da clorofila p700, que ao entrar em contato com a luz luminosa, perde elétrons, e estes, são transferidos para um complexo proteico de transferência, ocasionando a formação de um gradiente de íons H⁺, utilizado para a produção de ATP. Com o final da transferência, os elétrons voltam para a molécula de clrofila que havia perdido elétrons, por isso este processo é denominado de cíclico. 

🌿Fosforilação acíclica:

O fotossistema II (absorve luz no comprimento de onda de 680 nanômetros) é excitado pela energia luminosa e perde elétrons e estes são captados pelo fotossistema I, que também perdeu elétrons por caus da captação de energia luminosa. Os elétrons perdidos pelo fotossistema I são transferidos para a produção de ATP e de NADPH pela ação da enzima ferredoxina (com ferro na sua composição). Estes processos indicam que a fotofosforilação acíclica é um processo unidirecional: o elétron que sai de um fotosistema é utilizado pelo outro.

👉Desta forma, resume-se que a fotofosforilação representa a produção de energia química (ATP) e de NADPH através da excitação das moléculas de clorofila, que ao sofrerem incidência de luz, perdem elétrons. E a fotólise da água é um mecanismo que permite a estabilização destas moléculas de clorofila que foram desestabilizadas (perderam elétrons).

Tendo em vista o que foi aprendido até aqui, podemos prosseguir para a próxima etapa:

ETAPA QUÍMICA/ESCURA/INDEPENDENTE DE LUZ

🌿Local de ocorrência: estroma dos cloroplastos, depende da energia química obtida através da energia luminosa;

🌿Produz moléculas orgânicas: carboidratos e glicídios;

🌿Usa o gás carbônico (CO2) - obtido pelo indivíduo fotossintetizante ou liberado por ele mesmo - como um dos produtos da respiração celular;

🌿O CO₂ reage com moléculas que contêm energia, a exemplo das sintetizadas na etapa fotoquímica: NADPH e ATP. Além disso, pode reagir com prótons H⁺contidos no estroma por meio de uma série de reações que caracterizam o Ciclo das pentoses/Ciclo de Calvin-Benson.

CO₂ + 2NADPH + 3ATP + 2H⁺ → (CH₂O) + 3ADP + 2NADP⁺ + H₂O

↓

Glicídio

🌿No Ciclo das pentoses/de Calvin, a enzima rubisco possibilita que o CO₂ se ligue a uma molécula de açúcar de cinco carbonos (ribulose-1,5-bifosfato);

🌿Por meio desta ligação, é usada a energia das moléculas de ATP e NADPH para estabilizar a molécula e sintetizar glicídios, como a glicose (apesar de geralmente ser sintetizada sacarose = glicose + frutose).

🌿Os glicídios resultantes são transportados para fora dos cloroplastos e são usados para a produção de carboidratos, ATP, ácidos nucléicos (DNA/RNA) e até de lipídios. Ou são armazendos na forma de amido (reserva vegetal) e armazenados em plastos presentes da célula vegetal.

Finalizamos as duas etapas da fotossíntese, porém também é importante refletir sobre os fatores que podem afetar as taxas fotossintéticas. Então vamos lá!

É evidente a importância dos nutrientes não é mesmo? Como exemplo, o magnésio que compõe a molécula de clorofila e do ferro que constitui as ferredoxinas (enzimas que transferem elétrons) e os citocromos. Além disso, existem outros fatores relacionados com a fotossíntese, vamos elencá-los:

👉A água;

👉Concentrações de dióxido de carbono;

👉Intensidade luminosa;

👉A temperatura;

👉Os fatores que inflenciam a taxa fotossintética são denominados de FATORES LIMITANTES!

🌿CO2: é utilizado pela célula fotossintetizante como substrato para a produção de matéria orgânica. Com o aumento da concentração de CO2, aumenta a taxa fotossintética, porém até um limite: o ponto de saturação. Após este ponto, o aumento de gás carbônico não aumenta a taxa de fotossíntese. Observe a representação disto no gráfico abaixo:

Relação entre a a taxa fotossintética e a concentração de CO2

🌿Intensidade luminosa: vimos que a energia luminosa é absorvida e utilizada pelos fotossistemas, excitando a clorofila e promovendo as reações características da fotossíntese. Portanto, sua intensidade tem grande influência na taxa fotossintética, porém, também delimitada por um ponto máximo denominado de: ponto de saturação luminoso. Após este ponto, aumentos na intesidade luminosa podem não aumentar a taxa de fotossíntese, pois todas as clorofilas encontram-se absorvendo energia na velocidade máxima possível. Esta situação está esquematizada no gráfico seguinte:

Relação entre a taxa fotossintética e intensidade luminosa

👉Obs: outro fator luminoso que afeta a eficiência fotossintética é o comprimento que incide na célula vegetal;

A taxa fotossintética é maior em comprimentos de onda entre 400 e 700 nm (nanômetros). Comprimentos de onda da cor azul e vermelho, respectivamente, absorvidos pelas clorofilas.

Os comprimentos de onda que correspondem a cor verde (a área de 500 a 600 nm) são refletidos, isso explica porque a cor verde é a mais presente nos vegetais. Refletido esse comprimento, as clorofilas não são excitadas por energia luminosa, portanto, não liberam os elétrons que são utilizados pela etapa fotoquímica.

🌿Temperatura: como a fotossíntese depende de enzimas (exemplos: ferredoxina e ATP-Sintetase) para acontecer e as enzimas apresentam pontos ótimos. A temperatura também é um fator que altera a eficiência fotossintética. Observe o gráfico abaixo:

Relação entre a taxa de fotossíntese e a temperatura

Geralmente, a tempetarura ótima da fotossíntese é compreendida entre 30 e 35 °C;

Temperaturas elevadas demais podem desnaturar as proteínas e enzimas utilizadas durante a fotossíntese, comprometendo a sua eficiência.

*:Desestabilização das ligações responsáveis ​​pela manutenção da estrutura da proteína causada por fatores externos, como a variação de pH, alterações na salinidade e tempetatura. 

🌿Outra relação de grande relevância, é a relação existente entre a fotossíntese e a respiração celular! Pois:

A célula fotossintetizante, produz oxigênio para ser liberado e compostos orgânicos para serem armazenados, no entanto, também precisa consumí-los para produzir energia em forma de ATP através da respiração celular.  Esta energia é utilizada pelo metabolismo para processos de divisão celular, crescimento, dentre outros...

Como o indivíduo fotossintetizante além de produzir também consome, é possível estabelecer uma relação, esquematizada no gráfico seguinte:

Relação entre a taxa de processo metabólico e a intensidade luminosa

Se a demanda de ATP requerida pelo metabolismo vegetal for constante quando em função da intensidade luminosa, o processo de síntese também será constante;

Logo, a demanda de O₂ também é constante;

Porém, devido a fotossíntese sofrer influência da intensidade luminosa:

👉Quando a taxa de fotossíntese é menor que a taxa de respiração celular, a célula vegetal consome mais O₂ que libera. Considera-se que o vegetal está respirando;

👉Quando a taxa de fotossíntese ultrapassa a taxa consumida pela respiração celular, a célula está liberando mais O₂ que consumindo;

👉Quando a taxa de fotossíntese equivale à taxa de respiração celular: ponto de compensação fótico. Ou seja, a quantidade de O2 produzida pela fotossíntese é a mesma que a requerida para o processo de respiração celular. 

 Bom, o biotexto termina aqui, espero ter contribuído com a sua bagagem de conhecimentos!

E para finalizar, deixo esta sugestão de site que aborda algumas questões sobre a fotossíntese que já caíram no ENEM: Fotossíntese no ENEM - Brasil Escola.

Sugestão de vídeos:

 

TÓPICOS ABORDADOS

1. Introdução e definição de fotossíntese

2. Organismos que realizam a fotossíntese

3. Experimento de Hill: comprovação de que o O2 formado é oirundo da molécula de água

4. Conhecendo o cloroplasto

5. Tipos de clorofila: o pigmento fotossintetizante

6. Etapas da fotossíntese: 

- Fotoquímica (clara): Fotólise e Fotofosforilação (cíclica e acíclica);

- Química (escura): Ciclo das Pentoses/Ciclo de Calvin-Benson

7. Fatores que limitam a fotossíntese

8. Respiração celular versus fotossíntese