Nesta página, estudaremos um dos processos do metabolismo energético das células, que é a Fotossíntese. Sou Carol Negrin, Doutora em Biologia Celular e Estrutural pela Unicamp, professora do Estratégia Vestibulares.
A Fotossíntese é um assunto comumente cobrado em prova de vestibular. Tanto de maneira direta, no que diz respeito às reações que ocorrem nesse processo, quanto de maneira interligada com outros assuntos, como:
- Características Morfológicas de Plantas
- Ecologia
- Fisiologia Vegetal
- Respiração
- Fermentação
Para resumir, Metabolismo Energético é conjunto de reações químicas que acontecem em uma célula. Nesse processo, as moléculas são transformadas em outras de maior ou menor energia.
As reações químicas fundamentais são classificadas em dois tipos: reações de síntese e reações de degradação.
Nas reações de síntese, moléculas mais simples são unidas para formarem moléculas mais complexas. Já nas reações de degradação, moléculas complexas são quebradas (decompostas) em moléculas mais simples.
Nos organismos vivos, há quatro tipos de processos que envolvem o metabolismo energético: respiração celular, fermentação, fotossíntese e quimiossíntese. E é sobre um desses processos que vamos discutir neste artigo.
Sem mais conversa, vamos ao nosso assunto: Fotossíntese.
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O que é a fotossíntese?
A fotossíntese é o processo pelo qual plantas, algas e cianobactérias utilizam energia luminosa para produção de compostos orgânicos altamente energéticos. Esse processo acontece a partir de compostos inorgânicos simples.
Isso é possível, pois esses organismos têm a capacidade de transformar a energia luminosa em energia química. Essa energia é utilizada para produzir seu próprio alimento, sendo, por isso, chamados de organismos autotróficos (do grego auto = próprio + trophos = alimento) ou fotoautotróficos (do grego photo = luz).
Assim, o conceito de Fotossíntese é o processo de utilização da energia luminosa para produção de compostos orgânicos altamente energéticos a partir de compostos inorgânicos simples.
Qual a equação química da fotossíntese?
A equação química geral da fotossíntese é:
Como podemos perceber, água e gás carbônico são moléculas essenciais para que a fotossíntese ocorra. A água é obtida do meio. Em plantas, ela provém do solo, sendo absorvida por meio das raízes e transportada para as folhas por capilaridade, através de vasos condutores (xilema).
Já o gás carbônico, fonte de carbono para produção da molécula orgânica (de glicose), é obtido diretamente do ar atmosférico, entrando nas células por difusão. Em plantas, o ar penetra nas folhas pela abertura de poros chamados de estômatos, presentes na epiderme da folha.
Os seres fotossintetizantes são essenciais para a manutenção da vida na Terra. Além de serem a base da cadeia alimentar, regulam as taxas dos gases oxigênio e carbônico na biosfera, mantendo-os em concentrações adequadas para a sobrevivência dos seres vivos.
Luz e pigmentos fotossintetizantes
A energia da luz solar pode ser captada pelos organismos autotróficos graças à presença de pigmentos fotossintetizantes nas suas células.
A radiação solar é composta por diversos comprimentos de onda. O olho humano é capaz de distinguir os comprimentos que compõem a luz branca, também chamada de luz visível.
Ao passar por um prisma, a luz branca é decomposta em diversas cores, as cores do arco-íris, sendo que cada cor abrange uma faixa do comprimento de onda.
Os pigmentos fotossintetizantes conseguem absorver alguns comprimentos de onda da luz solar, refletindo os demais comprimentos. O principal pigmento fotossintetizante é a clorofila, um pigmento verde.
A clorofila apresenta essa coloração porque é ela que esse pigmento reflete, uma vez que consegue absorver apenas os comprimentos de onda das faixas azul e vermelha.
Tipos de clorofila
Existem vários tipos de clorofila, cada um deles capaz de absorver a luz de maneira mais eficiente em uma faixa de comprimento de onda específico dentro do espectro das luzes azul e vermelha.
São eles: clorofila A, clorofila B e clorofila C.
A clorofila A ocorre em todos os eucariontes fotossintetizantes e nas cianobactérias, e tem pico ótimo de absorção de luz no comprimento de onda de 700 nanômetros. A clorofila B ocorre nas plantas terrestres e nas algas verdes e absorvem luz preferencialmente no comprimento de onda de 680 nanômetros. E a clorofila C ocorre nas algas pardas e nas diatomáceas. Nos organismos eucariontes, pigmentos ficam localizados na membrana dos tilacoides, presentes no estroma do cloroplasto.
As reações químicas da fotossíntese acontecem no estroma. Portanto, nos organismos fotossintetizantes, o processo de fotossíntese ocorre nos cloroplastos. Nas bactérias fotoautotróficas, a fotossíntese ocorre no citosol, uma vez que são seres que não apresentam organelas, bem como cloroplastos.
O pigmento fotossintetizante desses seres é a bacterioclorofila, que absorve comprimentos de onda na faixa da luz infravermelha, invisível aos olhos humanos.
Etapas da Fotossíntese
A fotossíntese não ocorre em apenas uma etapa e diversas são as reações que ocorrem durante o processo. Dessa forma, a fotossíntese é dividida em:
Fase clara ou fotoquímica
Nessa fase ocorrem os processos que dependem da luz. Assim, acontece na membrana dos tilacoides, onde estão presentes as clorofilas.
Fase escura ou química (ou enzimática)
Aqui ocorrem as reações químicas que não dependem da luz. Essa fase acontece no estroma dos cloroplastos.
Vimos que a fotossíntese produz glicose e oxigênio. No entanto, a principal função desse processo é a produção de alimento (glicose) para as plantas, uma vez que, assim como organismos heterotróficos, seres autotróficos precisam realizar a respiração celular, que é o processo pelo qual os organismos obtêm a energia necessária para o funcionamento celular.
Organismos autotróficos também precisar realizar respiração celular para que sobrevivam.
As moléculas de glicose são produzidas na fase escura da fotossíntese, a partir da absorção do gás carbônico atmosférico. Esse processo de incorporação de elementos da atmosfera é chamado de fixação.
No entanto, para que o gás carbônico fixado seja transformado em glicose, são necessários três elementos básicos: energia (ATP), íons hidrogênio e elétrons (ambos transportados através de moléculas de NADPH).
Esses elementos são provenientes da fase clara da fotossíntese, responsável, então, por fornecer condições para que a principal fase da fotossíntese aconteça.
Isso que acabei de mencionar é importante que você tenha em mente, pois resume o processo fotossintético. Mas também precisamos entender melhor os detalhes de cada uma dessas etapas.
Então vamos lá:
Fotossíntese: fase clara ou etapa fotoquímica
A etapa fotoquímica tem início com a captação da energia luminosa pela clorofila, presente na membrana dos tilacoides. Essa captação resulta na degradação da molécula de água, processo denominado fotólise da água (do grego photo = luz + lysis = quebra).
Nele há liberação de íons de hidrogênio (H+), elétrons (e–) e oxigênio (O2), que é liberado para o meio ambiente.
Os elétrons produzidos são capturados por uma outra molécula, chamada de cofator. Do cofator, eles passam por uma cadeia de complexos proteicos presentes na membrana dos tilacoides denominados citocromos.
Conforme os elétrons caminham de um citocromo para outro, parte de sua energia é liberada e usada para bombear os H+ produzidos nos tilacoides para o estroma do cloroplasto. Esse bombeamento de prótons gera energia suficiente para que as enzimas produtoras de ATP (ATP sintetase) fosforilem moléculas de ADP em ATP.
Equação geral da etapa fotoquímica é:
Nessa reação é possível constatar que o oxigênio produzido pela fotossíntese é proveniente da molécula de água, e não do CO2.
Fotossíntese: fase escura, bioquímica ou enzimática
A fase escura da fotossíntese ocorre no estroma dos cloroplastos. É assim chamada por não depender diretamente da energia luminosa para acontecer. No entanto, suas reações podem ocorrer tanto na presença quanto na ausência de luz.
Essa etapa é mais lenta que a etapa fotoquímica e necessita da atividade de diversas enzimas. Desse modo, também pode ser chamada de etapa enzimática.
Na etapa bioquímica, o CO2 do meio ambiente é incorporado pela célula por difusão e transformado em glicose, uma molécula orgânica de alto valor energético.
Para tanto, os organismos fotoautotróficos necessitam do ATP como doador de energia para que as reações aconteçam, e do NADPH + H+ como doador de hidrogênios e elétrons.
No processo de transferência dos átomos de hidrogênio para a produção de carboidratos, o NADPH + H+ se transforma em NADP, o qual fica novamente disponível para receber prótons na etapa fotoquímica.
Equação geral da etapa bioquímica:
As reações químicas que compõem a etapa bioquímica da fotossíntese são numerosas e relativamente complexas. Elas constituem o ciclo de Calvin, ou ciclo de fixação do carbono, ou ciclo das pentoses.
Esse ciclo envolve três fases, que serão apresentadas resumidamente:
Carboxilação
Na carboxilação ocorre a adição (fixação) de 3 moléculas de CO2 provenientes do ar (1 carbono) a 3 moléculas de ribulose bifosfato (5 carbonos), formando 6 moléculas de 3-fosfoglicerato (3 carbonos). Essa reação é catalisada pela enzima rubisco (RuBP).
Redução
Na redução ocorre a formação do gliceraldeído-3-fosfato a partir das 3 moléculas de 3-fosfoglicerato.
Regeneração
Nessa fase ocorre a regeneração de 5 das 6 moléculas de ribulose bifosfato formadas, para que possam retomar o ciclo. Apenas 1 molécula de gliceraldeído-3-fosfato é destinada à produção de açúcares.
Como você pode ver, o ciclo de Calvin não produz glicose, mas gliceraldeído-3-fosfato, sendo a glicose produzida a partir dele, por meio de outras reações. Além disso, não são apenas açúcares, como a glicose, que são produzidos pelo gliceraldeído-3-fosfato, mas também gorduras e aminoácidos.
Os açúcares gerados pela fixação de carbono podem ser armazenados como amido ou consumidos para produzir ATP no processo de respiração celular. Dessa forma, os processos de respiração celular e fotossíntese estão intimamente relacionados.
Na fotossíntese são produzidos o alimento e o oxigênio que serão utilizados na respiração celular do próprio organismo fotossintetizante ou dos organismos heterotróficos, sendo por meio da respiração que os organismos obterão energia (ATP) necessária para a manutenção das demais atividades celulares e, portanto, da vida.
Já caiu em vestibular
Visto que grande parte dos organismos fotossintetizantes também realiza respiração celular, a taxa de oxigênio produzida no processo de fotossíntese deve ser maior ou igual à taxa consumida pela respiração.
Caso isso não ocorra, esses seres não terão energia
suficiente para suprir suas necessidades e morrerão. Isso quer dizer que a taxa metabólica dos seres fotossintetizantes deve estar acima ou ser equivalente ao ponto de compensação luminoso (ou fótico).
O ponto de compensação luminoso corresponde à intensidade luminosa em que a taxa da atividade fotossintética é igual à taxa da atividade respiratória.
Nesse ponto, o ser fotossintetizante consome na respiração uma quantidade de oxigênio equivalente à quantidade produzida desse gás na fotossíntese, ou consome na fotossíntese uma quantidade de gás carbônico equivalente à quantidade produzida dele na respiração.
Observando gráfico abaixo, note que B corresponde ao ponto de compensação luminoso, no qual a taxa de fotossíntese é igual à de respiração. Na faixa entre A e B, o organismo está abaixo do ponto de compensação.
E, a partir do ponto B, o organismo está acima do ponto de compensação. Um organismo que se mantiver no ponto de compensação ou abaixo dele não sobrevive por muito tempo.
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