Necessidades das Plantas e Energia Solar na Biosfera

8 N o Capítulo 5 foram examinadas as necessidades das plantas em re lação a nutrientes minerais e luz para poderem crescer e completar seu ciclo de vida Uma vez que a quantidade de matéria em nosso plane ta permanece constante a transformação e a circulação de moléculas pela biosfera demandam um fluxo contínuo de energia De outra forma a entro pia aumentaria e o fluxo de matéria em última análise pararia A principal fonte de energia para a sustentação da vida na biosfera é a energia solar que atinge a superfície da Terra Os organismos fotossintetizantes capturam cerca de 3 x 1021 Joules por ano de energia da luz solar e a utilizam para a fixação de aproximadamente 2 x 1011 toneladas de carbono por ano Há mais de 1 bilhão de anos células heterotróficas dependentes de moléculas orgânicas produzidas abioticamente adquiriram a capacidade de converter a luz solar em energia química mediante endossimbiose primária com uma cianobactéria ancestral Comparações recentes das sequências de aminoácidos de proteínas de plastídios cianobactérias e eucariotos permitiram agrupar a progênie desse evento antigo sob a denominação de Archaeplastidae que engloba três linhagens principais Chloroplasti dae Viridiplantae algas verdes plantas terrestres Rhodophyceae algas vermelhas e Glaucophytae algas unicelulares contendo plastídios seme lhantes a cianobactérias chamadas de cianelas A integração genética da cianobactéria com seu hospedeiro reduziu algumas funções pela perda de genes e estabeleceu um mecanismo complexo nas membranas externa e interna para direcionar 1 proteínas codificadas pelo núcleo para o endos simbionte e 2 proteínas codificadas pelo plastídio para o hospedeiro Os eventos endossimbióticos implicaram o ganho de novas rotas metabólicas O endossimbionte ancestral transmitiu a capacidade não apenas de realizar a fotossíntese oxigênica mas também de sintetizar novos compostos assim como amido No Capítulo 7 mostrouse como a energia associada à oxidação fo toquímica da água a oxigênio molecular nas membranas do tilacoide gera ATP ferredoxina reduzida e NADPH Subsequentemente os produtos das reações luminosas ATP e NADPH fluem do tilacoide para a fase fluida circundante estroma e impulsionam a redução catalisada por enzimas do CO2 atmosférico a carboidratos e outros componentes celulares Figu ra 81 Por muito tempo considerouse que essas últimas reações do es troma eram independentes da luz e por isso foram referidas como reações Fotossíntese Reações de Carboxilação Taiz08indd 203 Taiz08indd 203 27102016 142356 27102016 142356 204 Unidade II Bioquímica e Metabolismo escuras dark reactions Entretanto essas reações locali zadas no estroma são mais precisamente denominadas reações de carboxilação da fotossíntese porque os produtos dos processos fotoquímicos não apenas fornecem os subs tratos para as enzimas mas também controlam a taxa ca talítica No início deste capítulo é analisado o ciclo metabóli co que incorpora o CO2 atmosférico em compostos orgâ nicos apropriados para a vida o ciclo de CalvinBenson Na sequência é considerado como o inevitável fenômeno da fotorrespiração libera parte do CO2 assimilado Como uma reação paralela com oxigênio molecular diminui a e ficiência de assimilação fotossintética de CO2 são também examinados os mecanismos bioquímicos para mitigar a perda de CO2 bombas de CO2 ver Tópico 81 na inter net metabolismo C4 e metabolismo ácido das crassulá ceas CAM crassulacean acid metabolism Por fim é consi derada a formação dos dois principais produtos da fixação fotossintética de CO2 amido o polissacarídeo de reserva que se acumula transitoriamente em cloroplastos e saca rose o dissacarídeo que é exportado a partir das folhas para os órgãos de armazenamento e em desenvolvimento da planta O ciclo de CalvinBenson Um requisito para a manutenção da vida na biosfera é a fixação de CO2 da atmosfera em esqueletos de compos tos orgânicos que são compatíveis com as necessidades da célula Essas transformações endergônicas são movidas pela energia proveniente de fontes físicas e químicas A rota autotrófica de fixação do CO2 predominante é o ci clo de CalvinBenson encontrado em muitos procariotos e em todos os eucariotos fotossintetizantes das algas mais primitivas até a angiospermas mais avançadas Essa rota diminui o estado de oxidação do carbono a partir do valor mais elevado encontrado no CO2 4 para níveis encon trados em açúcares p ex 2 em grupos ceto CO 0 em alcoóis secundários CHOH Em vista de sua notável capacidade de diminuir o estado de oxidação de carbo no o ciclo de CalvinBenson é também apropriadamente chamado de ciclo redutor das pentoses e de ciclo de redução de carbono fotossintético Nesta seção é examinado como o CO2 é fixado pelo ciclo de CalvinBenson por meio do uso do ATP e do NADPH gerados pelas reações luminosas ver Figura 81 e como o ciclo é regulado O ciclo de CalvinBenson tem três fases carboxilação redução e regeneração Na década de 1950 uma série de experimentos criativos realizados por M Calvin A Benson J A Bassham e seus colegas forneceu evidências convincentes para o ciclo de CalvinBenson ver Tópico 82 na internet O ciclo de CalvinBenson acontece em três fases altamente coorde nadas no cloroplasto Figura 82 1 Carboxilação da molécula aceptora de CO2 A primeira etapa enzimática executada no ciclo é a reação de CO2 e água com uma molécula aceptora de cinco átomos de carbono ribulose15bifosfato gerando duas mo léculas de um intermediário de três carbonos 3fos foglicerato 2 Redução do 3fosfoglicerato O 3fosfoglicerato é con vertido em carboidratos de 3 carbonos trioses fosfato por reações enzimáticas acionados por ATP e NADPH gerados fotoquimicamente 3 Regeneração do aceptor de CO2 ribulose15bifosfato O ciclo é finalizado pela regeneração da ribulose15 NADP ADP Pi NADPH ATP PSII PSI CLOROFILA CICLO DE CALVINBENSON Membrana dos tilacoides H2O CO2 H2O CH2On Luz O2 CLOROPLASTO Reações luminosas Reações de carboxilação estroma Figura 81 Reações luminosas e de carboxilação da fotossíntese em cloroplastos de plantas terrestres Nas membranas dos tilacoi des a excitação da clorofila no sistema de transporte de elétrons fotossistema II PSII fotossistema I PSI pela luz induz a forma ção de ATP e NADPH ver Capítulo 7 No estroma tanto o ATP como o NADPH são consumidos pelo ciclo de CalvinBenson em uma série de reações catalisadas por enzimas que reduzem o CO2 atmosférico a carboidratos trioses fosfato Taiz08indd 204 Taiz08indd 204 27102016 142356 27102016 142356 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 205 bifosfato por uma série de dez reações catalisadas por enzimas uma das quais necessita de ATP A saída de carbono na forma de trioses fosfato equili bra a entrada de carbono fornecido pelo CO2 atmosférico As trioses fosfato geradas pelo ciclo de CalvinBenson são convertidas em amido no cloroplasto ou exportadas para o citosol para a formação de sacarose A sacarose é transportada no floema para órgãos heterotróficos da planta para sustentar o crescimento e a síntese de produ tos de reserva Figura 82 O ciclo de CalvinBenson opera em três fases 1 carboxilação em que o carbono atmosférico CO2 é covalentemen te ligado a um esqueleto de carbono 2 redução que forma um carboidrato triose fosfato às custas do ATP formado fotoquimica mente e de agentes redutores na forma de NADPH e 3 regene ração que reconstitui a ribulose15bifosfato aceptora do CO2 Em situação de equilíbrio a entrada de CO2 igualase à saída de trioses fosfato Essas últimas servem como precursores da biossíntese do amido no cloroplasto ou fluem para o citosol para a biossíntese de sacarose e outras reações metabólicas A sacarose é carregada na seiva do floema e utilizada para crescimento ou biossíntese de polissacarídeos em outras partes da planta ADP NADPH ATP ATP NADP ADP Pi CO2 H2O 3fosfoglicerato Ribulose15 bifosfato Trioses fosfato gliceraldeído 3fosfato Dihidroxia cetona fosfato Sacarose citosol Sacarose floema Crescimento polissacarídeos de reserva Amido cloroplastos Regeneração Carboxilação Redução Entrada de carbono Saída de carbono Pi TABELA 81 Reações do ciclo de CalvinBenson Enzima Reação 1 Ribulose15bifosfatocarboxilaseoxigenase rubisco Ribulose15bifosfato CO2 H2O 2 3fosfoglicerato 2 3fosfoglicerato quinase 3fosfoglicerato ATP 13bifosfoglicerato ADP 3 NADPgliceraldeído3fosfatodesidrogenase 13Bifosfoglicerato NADPH H gliceraldeído3fosfato NADP Pi 4 Triose fosfato isomerase Gliceraldeído3fosfato dihidroxiacetona fosfato 5 Aldolase Gliceraldeído3fosfato dihidroxiacetona fosfato frutose16 bifosfato 6 Frutose16bifosfatase Frutose16bifosfato H2O frutose6fosfato Pi 7 Transcetolase Frutose6fosfato gliceraldeído3fosfato eritrose4fosfato xilulose 5fosfato 8 Aldolase Eritrose4fosfato dihidroxiacetona fosfato Sedoheptulose17 bifosfato 9 Sedoheptulose17bifosfatase Sedoheptulose17bifosfato H2O sedoheptulose7fosfato Pi 10 Transcetolase Sedoheptulose7fosfato gliceraldeído3fosfato ribose5fosfato xilulose5fosfato 11a Ribulose5fosfatoepimerase Xilulose5fosfato ribulose5fosfato 11b Ribose5fosfatoisomerase Ribose5fosfato ribulose5fosfato 12 Fosforribuloquinase ribulose5fosfatoquinase Ribulose5fosfato ATP ribulose15bifosfato ADP H Nota Pi simboliza fosfato inorgânico Taiz08indd 205 Taiz08indd 205 27102016 142356 27102016 142356 206 Unidade II Bioquímica e Metabolismo A fixação do CO2 via carboxilação da ribulose15bifosfato e redução do produto 3fosfoglicerato gera trioses fosfato Na etapa de carboxilação do ciclo de CalvinBenson uma molécula de CO2 e uma molécula de H2O reagem com uma molécula de ribulose15bifosfato para produzir duas moléculas de 3fosfoglicerato Figura 83 e Tabe la 81 reação 1 Essa reação é catalisada pela enzima do cloroplasto ribulose15bifosfatocarboxilaseoxigenase referida como rubisco ver Tópico 83 na internet Na primeira reação parcial um H é removido do carbono 3 Figura 83 Ciclo de CalvinBenson A carboxilação de três mo léculas de ribulose15bifosfato produz seis moléculas de 3fos foglicerato fase de carboxilação Após a fosforilação do grupo carboxila o 13bifosfoglicerato é reduzido a seis moléculas de gliceraldeído3fosfato com a liberação concomitante de seis mo léculas de fosfato inorgânico fase de redução Desse total de seis moléculas de gliceraldeído3fosfato uma representa a assimilação líquida das três moléculas de CO2 enquanto as outras cinco passam por uma série de reações que ao final regeneram as três moléculas de ribulose15bifosfato iniciais fase de regeneração Ver Tabela 81 para uma descrição de cada uma das reações numeradas H C C OH O H OH C H2COP H2COP H2COP H C C OH O H C OH H OH C O C H2COP H2C OP H2C OP H2COH CO2H C H OH C H OH PO O C 3 CO2 3 H2O NADPH NADP ADP 6 ATP 6 6 6 H 6 6 6 6 6 H2C OP C H OH H O C H2C OP 3 ATP H C OH H C OH O C H2C OP H2COH H C OH H C HO O C H2C OP H2COH H C OH H C HO O C H2C OP H2COH H C OH H C HO O C H2C OP H2C OP H2COH O C H2COH H2C OP O C H2COH H C OH H C OH H C HO O C H2C OP H C OH H O C H2C OP H C OH H O C H2C OP H C OH H H C HO O C H2C OP H2COP H C OH H C OH H C HO O C H2C OP H2COP H C OH H C OH H C OH H C HO O C H2C OP H2COH H C OH H C OH H C OH H C OH O C O C H2C OP H2COH H C OH H C OH H2C OP H C OH H H C OH H2O H2O 11 112 12 13 111a 17 111b 16 15 18 19 110 14 3 5 Pi Pi Pi 3 Fase de carboxilação Fase de redução Fase de regeneração P PO3 2 fosfato inorgânico Pi Taiz08indd 206 Taiz08indd 206 27102016 142356 27102016 142356 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 207 da ribulose15bifosfato Figura 84 A adição de CO2 ao enediol intermediário instável ligado à rubisco impulsio na a segunda reação parcial para a formação irreversível do 2carbóxi3cetoarabinitol15bifosfato cuja hidrata ção produz duas moléculas de 3fosfoglicerato Na fase de redução do ciclo de CalvinBenson duas reações sucessivas reduzem o carbono do 3fosfoglicerato produzido pela fase de carboxilação ver Figura 83 e Tabe la 81 reações 2 e 3 1 Em primeiro lugar o ATP formado pelas reações de luz fosforila o 3fosfoglicerato no grupo carboxila produ zindo um 13bifosfoglicerato misto anidrido em uma reação catalisada pela 3fosfoglicerato quinase 2 Em seguida NADPH também gerado pelas reações de luz reduz o 13bifosfoglicerato a gliceraldeído3 fosfato em uma reação catalisada pela enzima de cloroplasto NADPgliceraldeído3fosfatodesidro genase A operação de três fases de carboxilação e redução produz seis moléculas de gliceraldeído3fosfato 6 moléculas x 3 carbonosmolécula 18 carbonos no total quando três moléculas de ribulose15bifosfato 3 moléculas x 5 car bonosmolécula 15 carbonos no total reagem com três moléculas de CO2 3 carbonos no total e as seis moléculas de 3fosfoglicerato são reduzidas ver Figura 83 A regeneração da ribulose15bifosfato assegura a assimilação contínua do CO2 Na fase de regeneração o ciclo de CalvinBenson facilita a absorção contínua do CO2 atmosférico pelo restabeleci mento do aceptor de CO2 ribulose15bifosfato Para esse fim três moléculas de ribulose15bifosfato 3 moléculas Ribulose15 bifosfato Enediol 2hidroperóxi3 cetoarabinitol 15bifosfato 2fosfoglicolato Fotorrespiração Isomerização do cetoenol Condensação Hidratação protonação Fotossíntese Fotossíntese Fotossíntese 3fosfoglicerato 3fosfoglicerato 3fosfoglicerato H C C OH O H OH H C C OP H C H OP H C OH O OH H C OP H C H H H OP C C H C OP HO C OO O2 CO2 H C H OP H O C H OH C H OH C H C OP COOH H H C OP H H COOH H C OP HO C COO H C H OP H O C H OH C H OH C H HO C C OP COOH H H C OP H COOH H2O H2O 2carbóxi3 cetoarabinitol 15bifosfato H Figura 84 Carboxilação e oxigenação da ribulose15bifosfato catalisadas pela rubisco A ligação da ribulose15bifosfato à rubis co facilita a formação de um enediol intermediário ligado à enzima que pode ser atacado pelo CO2 ou pelo O2 no carbono 2 Com CO2 o produto é um intermediário de seis carbonos 2carboxil3cetoa rabinitol15bifosfato com O2 o produto é um intermediário reati vo de cinco carbonos 2hidroperóxi3cetoarabinitol15bifosfato A hidratação desses intermediários no carbono 3 desencadeia a cli vagem da ligação carbonocarbono entre os carbonos 2 e 3 produ zindo duas moléculas de 3fosfoglicerato atividade de carboxilase ou uma molécula de 2fosfoglicolato e uma molécula de 3fosfo glicerato atividade de oxigenase O importante efeito fisiológico da atividade de oxigenase é descrito na seção O ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono Taiz08indd 207 Taiz08indd 207 27102016 142356 27102016 142356 208 Unidade II Bioquímica e Metabolismo 5 carbonosmolécula 15 carbonos no total são forma das por reações que reposicionam os carbonos de cinco moléculas de gliceraldeído3fosfato 5 moléculas 3 car bonosmolécula 15 carbonos ver Figura 83 A sexta molécula de gliceraldeído3fosfato 1 molécula 3 carbo nosmolécula 3 carbonos no total representa a assimila ção líquida de três moléculas de CO2 e fica disponível para o metabolismo do carbono da planta A reorganização das outras cinco moléculas de gliceraldeído3fosfato para produzir três moléculas de ribulose15bifosfato ocorre por meio das reações 4 a 12 na Tabela 81 e na Figura 83 Duas moléculas de gliceraldeído3fosfato são conver tidas em dihidroxiacetona fosfato na reação catalisa da pela triose fosfato isomerase ver Tabela 81 reação 4 O gliceraldeído3fosfato e a dihidroxiacetona fosfato são chamados coletivamente de trioses fosfato Uma molécula de dihidroxiacetona fosfato passa por uma condensação aldólica com uma terceira molécula de gliceraldeído3fosfato uma reação catalisada pela aldolase gerando frutose16bifosfato ver Tabela 81 reação 5 A frutose16bifosfato é hidrolisada a frutose6fos fato em uma reação catalisada por uma frutose16 bifosfatase específica do cloroplasto ver Tabela 81 reação 6 Uma unidade de 2 carbonos da molécula de fruto se6fosfato carbonos 1 e 2 é transferida via enzima transcetolase para uma quarta molécula de gliceral deído3fosfato para formar xilulose5fosfato Os outros quatro carbonos da molécula de frutose6fos fato carbonos 3 4 5 e 6 formam eritrose4fosfato ver Tabela 81 reação 7 A eritrose4fosfato combinase então via aldolase com a molécula remanescente de dihidroxiacetona fosfato produzindo o açúcar de sete carbonos sedo heptulose17bifosfato ver Tabela 81 reação 8 A sedoheptulose17bifosfato é então hidrolisada a sedoheptulose7fosfato por uma sedoheptulo se17bifosfatase específica do cloroplasto ver Tabela 81 reação 9 A sedoheptulose7fosfato doa uma unidade de dois carbonos carbonos 1 e 2 para a quinta e última molécula de gliceraldeído3fosfato via transcetola se produzindo xilulose5fosfato Os cinco carbonos restantes carbonos 37 da molécula de sedoheptu lose7fosfato tornamse ribose5fosfato ver Tabela 81 reação 10 As duas moléculas de xilulose5fosfato são converti das em duas moléculas de ribulose5fosfato por uma ribulose5fosfatoepimerase ver Tabela 81 reação 11a enquanto uma terceira molécula de ribulose5 fosfato é formada a partir da ribose5fosfato pela ri bose5fosfatoisomerase ver Tabela 81 reação 11b Finalmente a fosforribuloquinase também chamada de ribulose5fosfato quinase catalisa a fosforilação de três moléculas de ribulose5fosfato com ATP re generando assim as três moléculas de ribulose15 bifosfato necessárias para reiniciar o ciclo ver Tabela 81 reação 12 Em resumo trioses fosfato são formadas nas fases de carboxilação e de redução do ciclo de CalvinBenson usando energia ATP e equivalentes redutores NADPH gerados pelos fotossistemas iluminados das membranas dos tilacoides dos cloroplastos 3 CO2 3 ribulose15bifosfato 3 H2O 6 NADPH 6 H 6 ATP 6 trioses fosfato 6 NADP 6 ADP 6 Pi Dessas seis trioses fosfato cinco são usadas na fase de regeneração que restaura o aceptor de CO2 ribulose15 bifosfato para o funcionamento contínuo do ciclo de CalvinBenson 5 trioses fosfato 3 ATP 2 H2O 3 ribulose15bifosfato 3 ADP 2 Pi A sexta triose fosfato representa a síntese líquida de um composto orgânico a partir de CO2 que é utilizado como um constituinte estrutural para o carbono armazenado ou para outros processos metabólicos Assim a fixação de três CO2 em uma triose fosfato usa 6 NADPH e 9 ATP 3 CO2 5 H2O 6 NADPH 9 ATP Gliceraldeído3fosfato 6 NADP 9 ADP 8 Pi O ciclo de CalvinBenson utiliza duas moléculas de NADPH e três moléculas de ATP para assimilar uma úni ca molécula de CO2 Um período de indução antecede o estado de equilíbrio da assimilação fotossintética do CO2 No escuro tanto a atividade das enzimas fotossintéticas quanto a concentração dos intermediários do ciclo de CalvinBenson são baixas Por isso as enzimas do ciclo de CalvinBenson e a maior parte das trioses fosfato estão encarregadas de restaurar as concentrações adequadas dos intermediários metabólicos quando as folhas recebem luz A taxa de fixação de CO2 aumenta com o tempo nos pri meiros minutos após o início da iluminação um intervalo chamado de período de indução A aceleração da taxa de fotossíntese é devida tanto à ativação de enzimas pela luz discutida mais tarde neste capítulo quanto a um aumen to na concentração dos intermediários do ciclo de Calvin Benson Em suma as seis trioses fosfato formadas nas fases de carboxilação e redução do ciclo de CalvinBenson durante o período de indução são usadas principalmen te para a regeneração do aceptor de CO2 a ribulose15 bifosfato Quando a fotossíntese atinge um estado estacionário cinco das seis trioses fosfato formadas contribuem para a regeneração do aceptor de CO2 ribulose15bifosfato en Taiz08indd 208 Taiz08indd 208 27102016 142357 27102016 142357 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 209 quanto uma sexta triose fosfato é utilizada no cloroplasto para a formação do amido e no citosol para a síntese de sacarose e outros processos metabólicos ver Figura 82 Para uma análise mais detalhada da eficiência do uso da energia no ciclo de CalvinBenson ver Tópico 84 na in ternet Muitos mecanismos regulam o ciclo de CalvinBenson O uso eficiente da energia no ciclo de CalvinBenson re quer a existência de mecanismos reguladores específicos que garantem não só que todos os intermediários do ciclo estejam presentes em concentrações adequadas na luz mas também que o ciclo esteja desligado no escuro Para produzir os metabólitos necessários em resposta a estímu los ambientais os cloroplastos atingem as taxas apropria das de transformações bioquímicas mediante alteração dos níveis de enzimas μmoles de enzimacloroplastos e atividade catalítica μmoles de substrato convertidominu toμmol de enzima A expressão gênica e a biossíntese de proteínas de terminam as concentrações de enzimas em comparti mentos celulares As quantidades de enzimas presentes no estroma do cloroplasto são reguladas pela expressão conjunta dos genomas nucleares e dos cloroplastos En zimas codificadas no núcleo são traduzidas nos ribosso mos 80S no citosol e subsequentemente transportadas para o plastídio Proteínas codificadas no plastídio são traduzidas no estroma em ribossomos 70S semelhantes a procarióticos A luz modula a expressão das enzimas do estroma codificadas pelo genoma nuclear via fotorreceptores es pecíficos p ex fitocromo e receptores de luz azul En tretanto a expressão dos genes nucleares necessita ser sincronizada com a expressão de outros componentes do aparato fotossintético na organela A maior parte da sina lização reguladora entre o núcleo e os plastídios é anteró grada isto é os produtos dos genes nucleares controlam a transcrição e a tradução dos genes dos plastídios Esse é o caso por exemplo na montagem da rubisco estromal a partir de oito subunidades pequenas codificadas no nú cleo S de small e oito subunidades grandes codificadas no plastídio L de large Contudo em alguns casos p ex a síntese das proteínas associadas às clorofilas a regula ção pode ser retrógrada isto é o sinal flui do plastídio para o núcleo Ao contrário das alterações lentas nas taxas catalíti cas causadas por variações na concentração de enzimas modificações na póstradução alteram rapidamente a ati vidade específica das enzimas dos cloroplastos μmoles de substrato convertidominutoμmol de enzima Dois me canismos gerais realizam a modificação mediada por luz das propriedades cinéticas das enzimas do estroma 1 Mudança em ligações covalentes que resultam em uma enzima modificada quimicamente como a carbamilação de grupos amino EnzNH2 CO2 EnzNHCO2 H ou a redução das ligações dissulfeto EnzS2 ProtSH2 EnzSH2 ProtS2 2 Modificação de interações não covalentes causadas por alterações 1 na composição iônica do meio ce lular p ex pH Mg2 2 na ligação de efetores da enzima 3 na estreita associação com proteínas re guladoras em complexos supramoleculares ou 4 na interação com as membranas dos tilacoides Em uma discussão mais aprofundada da regulação são examinados os mecanismos dependentes de luz que regulam a atividade específica de cinco enzimas cruciais dentro de minutos da transição luzescuro Rubisco Frutose16bifosfatase Sedoheptulose17bifosfatase Fosforribuloquinase NADPgliceraldeído3fosfatodesidrogenase A rubisco ativase regula a atividade catalítica da rubisco A maioria das formas de vida na biosfera depende de orga nismos fotossintetizantes que capturam carbono inorgâ nico do meio ambiente pelo ciclo de CalvinBenson Isso entendido o número máximo de moléculas de CO2 que a rubisco converte em produtos por sítio catalítico taxa de reciclagem é extremamente baixo 112 CO2 fixadoss Ge orge Lorimer e colaboradores descobriram que a rubisco deve ser ativada antes de atuar como um catalisador Mo dificações químicas mutagênese sítiodirecionada cálcu los de dinâmica molecular e estruturas cristalinas de alta resolução mostraram que a molécula de CO2 desempenha um papel duplo na atividade da rubisco o CO2 transfor ma a enzima de uma forma inativa para uma forma ativa ativação e é também o substrato para a reação de carbo xilação catálise As atividades catalíticas da rubisco carboxilação e oxigenação requerem a formação de um lisilcarbamato rubiscoNH2CO2 por uma molécula de CO2 chamada CO2 de ativação ver Ativação da rubisco na Figura 85 A ligação subsequente de Mg2 ao carbamato estabiliza a rubisco carbamilada rubiscoNH2CO2 Mg2 e con verte a rubisco em enzima cataliticamente competente Outra molécula de CO2 CO2 substrato pode então rea gir com ribulose15bifosfato no sítio ativo da rubisco ver Ciclo catalítico na Figura 85 liberando duas moléculas de 3fosfoglicerato ver Produtos na Figura 85 Açúcares fosfato como xilulose15bifosfato e o ini bidor de ocorrência natural 2carboxiarabinitol1fosfato e o substrato ribulose15bifosfato evitam a ativação e inibem a catálise ligandose firmemente à rubisco não carbamilada e à rubisco carbamilada respectivamente As plantas e as algas verdes superam essa inibição com a pro teína rubisco ativase que remove os açúcares fosfato da rubisco não carbamilada e da carbamilada permitindo as Taiz08indd 209 Taiz08indd 209 27102016 142357 27102016 142357 210 Unidade II Bioquímica e Metabolismo sim que a rubisco seja ativada por carbamilação e ligação do Mg2 ver Rubisco ativase na Figura 85 ver também Tópico 85 na internet A rubisco ativase requer a hidró lise de ATP para liberar os inibidores fortemente ligados RUBISCO ATIVASE Em muitas espécies vegetais o splicing alternativo de um prémRNA único produz duas rubiscos ativase idênticas que diferem apenas na extremi dade carboxil a forma longa 46 kDa e a forma curta 42 kDa A extensão C da forma longa carrega duas cis teínas que modulam a sensibilidade da atividade ATPase à razão ATPADP pela troca tioldissulfeto Dessa forma a regulação da rubisco ativase está ligada à luz pelo sis tema ferredoxinatiorredoxina descrito na próxima seção No entanto outros componentes ainda desconhecidos podem estar envolvidos porque a luz também estimula a atividade da rubisco em espécies que produzem natural mente apenas a forma curta sem as cisteínas regulado ras p ex tabaco A luz regula o ciclo de CalvinBenson via sistema ferredoxinatiorredoxina A luz regula a atividade catalítica de quatro enzimas do ciclo de CalvinBenson diretamente pelo sistema ferre doxinatiorredoxina Esse mecanismo utiliza ferredoxina reduzida pela cadeia de transporte de elétrons da fotos síntese em conjunto com duas proteínas do cloroplasto ferredoxinatiorredoxina redutase e tiorredoxina para regular frutose16bifosfatase sedoheptulose17bifos fatase fosforribuloquinase e NADPgliceraldeído3fosfa todesidrogenase Figura 86 A luz transfere elétrons da água para a ferredoxina pelo sistema de transporte de elétrons da fotossíntese ver Capítulo 7 A ferredoxina reduzida converte a ligação dis sulfeto da proteína reguladora tiorredoxina SS para o estado reduzido SH HS com a enzima ferrosulfurosa ferredoxinatiorredoxina redutase Subsequentemente a tiorredoxina reduzida cliva uma ponte dissulfeto es pecífica cisteínas oxidadas da enzimaalvo formando cisteínas livres reduzidas A clivagem das ligações dis sulfeto da enzima provoca uma alteração conformacional que aumenta a atividade catalítica ver Figura 86 e Tópico 86 na internet A desativação de enzimas ativadas pela tiorredoxina ocorre quando o escuro alivia a pressão de elétrons do transporte de elétrons da fotossíntese No entanto os detalhes do processo de desativação são des conhecidos Avanços em estudos estruturais e de bioinformática levaram ao reconhecimento de que enzimas reguladas por tiorredoxina não exibem uma sequência de consenso contendo cisteína As enzimasalvo podem transportar as cisteínas reguladoras no núcleo do polipeptídeo fruto se16bifosfatase Cys155Cys174 no Cterminal gli ceraldeído3fosfatodesidrogenase Cys349Cys358 ou no sítio ativo fosforribuloquinase Cys16Cys55 Estudos de proteômica têm demonstrado que o sis tema ferredoxinatiorredoxina regula o funcionamento de enzimas em vários outros processos do cloroplasto além da fixação de carbono A tiorredoxina também protege as proteínas contra danos causados por espécies reativas de oxigênio como o peróxido de hidrogênio H2O2 o ânion superóxido O2 e o radical hidroxila OH Figura 85 O CO2 atua tanto como ativador quanto como subs trato na reação catalisada pela rubisco Ativação A reação do CO2 ativador com a rubisco E causa a formação do adutor Ecarba mato ENHCO2 cuja estabilização pelo Mg2 produz o adutor Ecarbamato ENHCO2 Mg2 no sítio ativo da enzima Ati vação da rubisco painel inferior No estroma de cloroplastos sob iluminação aumentos de pH concentração mais baixa de H e da concentração de Mg2 facilitam a formação do complexo ENH CO2 Mg2 que representa a forma cataliticamente ativa da rubis co A forte ligação dos açúcares fosfato SugP como ribulose15 bifosfato RuBP ou impede a produção do adutor Ecarbamato ou bloqueia a ligação de substratos à enzima carbamilada No ciclo mediado pela rubisco ativase Rubisco ativase painel à esquerda a hidrólise do ATP pela rubisco ativase elicita uma alteração confor macional da rubisco que reduz sua afinidade por açúcares fosfato Catálise Quando da formação do complexo ENHCO2 Mg2 no sítio ativo da enzima a rubisco combinase com a ribulose15 bifosfato e subsequentemente com o outro substrato CO2 ou O2 iniciando as atividades de carboxilase ou oxigenase respectivamen te ver Figura 84 Ciclo catalítico painel à direita Produtos Os produtos do ciclo catalítico são duas moléculas de 3fosfoglicerato atividade de carboxilase ou uma molécula de 3fosfoglicerato e uma de 2fosfoglicolato atividade de oxigenase ADP ATP Rubisco ativase Ativação da rubisco Rubisco ativase ENH3 SugP ENH3 ENH2 ENHCO2 ENHCO2 Mg2 H Mg2 H CO2 Produtos SugP Ciclo catalítico ENHCO2 Mg2 RuBP CO2 O2 RuBP Taiz08indd 210 Taiz08indd 210 27102016 142357 27102016 142357 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 211 Movimentos iônicos dependentes da luz modulam as enzimas do ciclo de CalvinBenson No momento em que a iluminação inicia o efluxo de pró tons do estroma para o lume dos tilacoides é acoplado à liberação do Mg2 do espaço intratilacoide para o estroma Esses fluxos de íons ativados pela luz diminuem a con centração de prótons no estroma o pH aumenta de 7 para 8 e aumentam a concentração de Mg2 de 2 para 5 mM O aumento do pH e da concentração de Mg2 mediado pela luz ativa enzimas do ciclo de CalvinBenson que re querem Mg2 para a catálise e são mais ativas em pH 8 do que em pH 7 rubisco frutose16bifosfatase sedohep tulose17bifosfatase e fosforribuloquinase As modifica ções da composição iônica do estroma do cloroplasto são revertidas rapidamente após escurecer A luz controla o arranjo das enzimas do cloroplasto em complexos supramoleculares A formação de complexos supramoleculares com pro teínas reguladoras também tem efeitos importantes so bre a atividade catalítica de enzimas do cloroplasto Por exemplo a gliceraldeído3fosfatodesidrogenase ligase não covalentemente a fosforribuloquinase e CP12 uma proteína de cerca de 85 kDa contendo quatro cisteínas conservadas capazes de formar duas pontes dissulfeto Figura 87 As três proteínas formam um complexo ter nário CP12fosforribuloquinasegliceraldeído3fosfato desidrogenase em que a gliceraldeído3fosfatode sidrogenase e a fosforribuloquinase são cataliticamente inativas A luz regula a estabilidade do complexo ternário através do sistema ferredoxinatiorredoxina A tiorredoxi na reduzida cliva as pontes dissulfeto da fosforribuloqui nase e da CP12 liberando a gliceraldeído3fosfatodesi drogenase e a fosforribuloquinase em suas conformações cataliticamente ativas O ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono A rubisco catalisa tanto a carboxilação como a oxigenação da ribulose15bifosfato ver Figura 84 A carboxilação produz duas moléculas de 3fosfoglicerato e a oxigenação produz uma molécula de 3fosfoglicerato e uma de 2fos foglicolato A atividade oxigenase da rubisco provoca a perda parcial do carbono fixado pelo ciclo de CalvinBen son e produz 2fosfoglicolato um inibidor de duas enzi mas do cloroplasto triose fosfato isomerase e fosfofruto quinase Para evitar tanto o dreno de carbono do ciclo de CalvinBenson quanto a inibição de enzimas o 2fosfogli colato é metabolizado pelo ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono Essa rede de reações enzimáticas coordena das também conhecida como fotorrespiração ocorre nos cloroplastos nos peroxissomos foliares e nas mitocôndrias Figura 88 Tabela 82 ver Tópico 87 na internet 2H 2 ferredoxinas oxidadas 2 ferredoxinas reduzidas O2 O2 S S Ferredoxina tiorredoxina redutase S S Trx SH SH Trx S S Enzima inativa SH SH Enzima ativa SH SH Ferredoxina tiorredoxina redutase Substratos Produtos Chl Escuro Luz H2O Luz Figura 86 Sistema ferredoxinatiorredoxina O sistema ferredo xinatiorredoxina liga o sinal luminoso percebido pelas membranas do tilacoide à atividade das enzimas no estroma do cloroplasto A ativação das enzimas do ciclo de CalvinBenson inicia na luz com a redução da ferredoxina pela cadeia transportadora de elétrons Chl ver Capítulo 7 A ferredoxina reduzida junto com dois pró tons é utilizada para reduzir a ligação dissulfeto cataliticamente ativa SS da enzima ferrosulfurosa ferredoxinatiorredoxina redutase que por sua vez reduz a dissulfeto ímpar SS da pro teína reguladora tiorredoxina Trx ver Tópico 86 na internet para detalhes A forma reduzida da tiorredoxina SH HS reduz en tão a ligação dissulfeto reguladora da enzimaalvo desencadeando sua conversão para um estado cataliticamente ativo que catalisa a transformação dos substratos em produtos O escuro interrompe o fluxo de elétrons da ferredoxina para a enzima e a tiorredoxina tornase oxidada Embora o mecanismo para a desativação de en zimas ativadas por tiorredoxina no escuro não esteja completamen te esclarecido parece que as oxidações ativadas por O2 causam a formação de tiorredoxina oxidada Em seguida a ligação dissulfeto ímpar SSda tiorredoxina traz a forma reduzida SH HS da enzima de volta à forma oxidada SS com a perda concomi tante da capacidade catalítica Diferente das enzimas ativadas pela tiorredoxina uma enzima do ciclo oxidativo das pentoses fosfato do cloroplasto glicose6fosfatodesidrogenase não opera na luz mas é funcional no escuro porque a tiorredoxina reduz o dissulfeto crítico para a atividade da enzima A capacidade da tiorredoxina de regular as enzimas funcionais em diferentes rotas minimiza o ciclagem fútil Taiz08indd 211 Taiz08indd 211 27102016 142357 27102016 142357 212 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Estudos recentes mostraram que o ciclo fotossinté tico oxidativo C2 do carbono é um componente auxiliar da fotossíntese que não só recupera parte do carbono assimilado mas também se conecta a outras rotas de plantas terrestres contemporâneas Nesta seção são apresentadas as características relevantes do ciclo fotos sintético oxidativo C2 do carbono em plantas terrestres e cianobactérias A seguir é descrita a integração da fo torrespiração no metabolismo da planta e em seguida são mostradas as diferentes abordagens para aumentar o rendimento de biomassa das culturas pela modificação da fotorrespiração da folha Escuro Luz Fosforribu loquinase CP12 A4 A4 Gliceraldeído3P desidrogenase A2B2 A2B2 A8B8 Gliceraldeído3P desidrogenase TrxSH2 TrxS2 NADPH NADP Ligação dissulfeto Atividade enzimática Completamente ativa Atividade da gliceraldeído3Pdesidrogenase dependente de CP12 Atividade da gliceraldeído3Pdesidrogenase dependente da extensão do Cterminal Fortemente inibida Extensão do Cterminal Figura 87 Regulação da fosforribuloquinase e da gliceraldeí do3fosfatodesidrogenase do cloroplasto Os cloroplastos contêm duas isoformas de gliceraldeído3fosfatodesidrogenases deno minadas A4 e A2B2 A isoforma A4 é um tetrâmero cataliticamente ativo Os polipeptídeos A e B da isoforma A2B2 são semelhantes exceto que uma extensão Cterminal da subunidade B possui dois resíduos de cisteína capazes de formar uma ponte dissulfeto Além disso a A2B2 gliceraldeído3fosfatodesidrogenase pode formar o oligômero A8B8 Sob condições de escuro a interação da fosfor ribuloquinase oxidada com a A4 gliceraldeído3fosfatodesidroge nase e a CP12 oxidada estabiliza o complexo A4gliceraldeído3 fosfatodesidrogenase2 fosforribuloquinase2 CP124 Tanto a A4gliceraldeído3fosfatodesidrogenase quanto a fosforribuloqui nase são cataliticamente inativas no complexo ternário Em con dições de luz a tiorredoxina reduzida corta as ligações dissulfeto da CP12 e fosforribuloquinase A redução da fosforribuloquinase e da CP12 separa os componentes do complexo ternário liberando a fosforribuloquinase e a A4B4gliceraldeído3fosfatodesidrogenase ativas A tiorredoxina reduzida Trx cliva a ligação dissulfeto na su bunidade B da A8B8gliceraldeído3fosfatodesidrogenase A redu ção converte o oligômero inativo em A2B2gliceraldeído3fosfato desidrogenase ativa Taiz08indd 212 Taiz08indd 212 27102016 142357 27102016 142357 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 213 A oxigenação da ribulose15bifosfato coloca em marcha o ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono Em termos evolutivos a rubisco parece ter evoluído a par tir de uma enolase antiga na rota de recuperação da metio nina das arqueias Há bilhões de anos atrás a oxigenação da ribulose15bifosfato era insignificante em procariotos não oxigênicos devido à falta de O2 e aos altos níveis de CO2 na atmosfera de então As concentrações altas de O2 e os níveis baixos de CO2 na atmosfera atual aumentam a atividade de oxigenase da rubisco tornando inevitável a formação do 2fosfoglicolato tóxico Todas as rubiscos catalisam a incorporação de O2 na ribulose15bifosfato Mesmo homólogos de bactérias autotróficas anaeróbias TABELA 82 Reações do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono Reaçãoa Enzima 1 2 ribulose15bifosfato 2 O2 2 2fosfoglicolato 2 3fosfoglicerato Rubisco 2 2 2fosfoglicolato 2 H2O 2 glicolato 2 Pi Fosfoglicolato fosfatase 3 2 glicolato 2 O2 2 glioxilato 2 H2O2 Glicolato oxidase 4 2 H2O2 2 H2O O2 Catalase 5 2 glioxilato 2 glutamato 2 glicina 2 2oxoglutarato Glutamatoglioxilato aminotransferase 6 Glicina NAD GDC CO2 NH4 NADH GDCTHFCH2 Complexo glicina descarboxilase GDC 7 GDCTHFCH2 glicina H2O serina GDC Serinahidroximetil transferase 8 Serina 2oxoglutarato hidroxipiruvato glutamato Serina2oxoglutarato aminotransferase 9 Hidroxipiruvato NADH H glicerato NAD Hidroxipiruvato redutase 10 Glicerato ATP 3fosfoglicerato ADP Glicerato quinase 11 Glutamato NH4 ATP glutamina ADP Pi Glutamina sintetase 12 2oxoglutarato glutamina 2 Fdred 2 H 2 glutamato 2 Fdoxid Glutamato sintase dependente de ferredoxina GOGAT Reações líquidas do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono 2 Ribulose15bifosfato 3 O2 H2O Glutamato reações 1 a 9 Glicerato 2 3fosfoglicerato NH4 CO2 2 Pi 2oxoglutarato Duas reações no cloroplasto regeneram a molécula de glutamato 2oxoglutarato NH4 2 Fdred 2 H ATP reações 11 e 12 Glutamato H2O 2 Fdoxid ADP Pi e a molécula de 3fosfoglicerato Glicerato ATP reação 10 3Fosfoglicerato ADP Assim o consumo de três moléculas de oxigênio atmosférico no ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono dois na atividade oxigenase da rubisco e um nas oxidações do peroxissomo provoca a liberação de uma molécula de CO2 e o consumo de duas moléculas de ATP e duas moléculas de equivalentes redutores 2 Fdred 2 H para a incorporação de um esqueleto de 3 carbonos de volta no ciclo de CalvinBenson e a regeneração do glutamato a partir de NH4 e 2oxoglutarato aLocalizações cloroplastos peroxissomos e mitocôndrias Fd ferredoxina Taiz08indd 213 Taiz08indd 213 27102016 142357 27102016 142357 214 Unidade II Bioquímica e Metabolismo 2 POCH2 CO CHOH2 CH2OP Ribulose15bifosfato 2 POCH2 CHOH CO2 3fosfoglicerato 3fosfoglicerato Glutamato HOCH2 HOCH CO2 Glicerato HOCH2 CO CO2 Hidroxipiruvato Serina HOCH2 H2 NCH CO2 Serina 2 POCH2 CO2 2fosfoglicolato 2 HOCH2 CO2 Glicolato 2 glicolato 2 H2NCH2 CO2 Glicina 2 glicina 2 HO2C CH22 CHNH2 CO2 Glutamato H2NOC CH22 CHNH2 CO2 Glutamina HO2C CH22 CO CO2 2oxoglutarato 2 ferredoxina reduzida HO2C CH22 CO CO2 2oxoglutarato 2oxoglutarato Ciclo de CalvinBenson 2 O2 2 H2O 2 OCH CO2 Glioxilato NADH NAD ATP ATP ADP Pi 2 2 O2 2 H2O2 2 H2O H2O CO2 O2 O2 NADH NAD PEROXISSOMO MITOCÔNDRIA CLOROPLASTO 21 22 212 210 211 23 24 25 29 28 26 27 NH4 NH4 Glicerato HO2C CH22 CHNH2 CO2 Glutamato 2 glutamato Glutamato 2 2oxoglutarato Taiz08indd 214 Taiz08indd 214 27102016 142357 27102016 142357 Capitulo 8 Fotossintese Reacdes de Carboxilacao 215 Figura 88 Funcionamento do ciclo fotossintético oxidativo C A glicina sai dos peroxissomos e entra nas mitocén As reacdes enzimaticas estao distribuidas entre trés organelas clo drias onde um complexo multienzimatico de glicina roplastos peroxissomos e mitocondrias Nos cloroplastos a ativida descarboxilase GDC e serina hidroximetiltransferase de oxigenase da rubisco produz duas moléculas de 2fosfoglicolato catalisa a conversao de duas moléculas de glicina e uma que sob a acdo da fosfoglicolato fosfatase forma duas moléculas molécula de NAD em uma molécula de serina cada de glicolato e duas moléculas de fosfato inorganico Duas moléculas NADH NH e CO ver Figura 88 e Tabela 82 reacdes de glicolato quatro carbonos fluem concomitantemente com uma No aye molécula de glutamato dos cloroplastos para os peroxissomos Nos 6 e 7 Em primeiro lugar a GDC utiliza uma molécula de peroxissomos 0 glicolato é oxidado a glioxilato pelo O em uma NAD para a descarboxilagao oxidativa de uma molécu reacao catalisada pela glicolato oxidase A glutamatoglioxilato ami la de glicina produzindo uma molécula cada de NADH notransferase catalisa a conversao do glioxilato e do glutamato em NH e CO e a unidade ativada de um carbono tetrahi glicina e 2oxoglutarato O aminoacido glicina flui dos peroxissomos drofolato de metileno THF ligada a GDC GDCTHF para as mitocéndrias Nas mitocdndrias duas moléculas de glicina CH quatro carbonos produzem uma molécula de serina trés carbo nos com a consequente liberacdo de CO um carbono e NH pela Glicina NAD GDCTHF NADH NH acdo sucessiva do complexo glicina descarboxilase e serina hidro CO GDCTHFCH metiltransferase O aminoacido serina é entao transportado de E id hidroxi il f iF volta ao peroxissomo e transformado em glicerato trés carbonos m segul a a serina Dt roximetl transferase cata Isa a pela acao sucessiva da serina2oxoglutarato aminotransferase e da adicao da unidade de metileno auma segunda molecula hidroxipiruvato redutase O glicerato e o 2oxoglutarato dos pero de glicina formando serina e regenerando THF para as xissomos e o NH das mitocdndrias retornam aos cloroplastosem Segurar niveis elevados de atividade da glicina descarbo um processo que recupera parte do carbono trés carbonos e todo xilase oO nitrogénio perdido na fotorrespiragao O glicerato é fosforilado Glicina GDCTHECH Serina GDCTHF a 3fosfoglicerato e incorporado de volta ao ciclo de CalvinBen son O estroma do cloroplasto recupera o nitrogénio perdido no A oxidagao de dtomos de carbono duas moléculas de gli glutamato exportado utilizando o nitrogénio inorganico NH Gina estados de oxidacao C1 3 C2 1 serina estados oO 2oxoglutarato para a acao sucessiva da glutamina sintetase e da de oxidagao C1 3 C2 0 C3 1 e CO estado de oxida glutamato sintase dependente de ferredoxina GOGAT Ver Tabela cdo C 4 conduz a reducdo do nucleotideo de piridina 82 para uma descricao de cada reagao numerada oxidado NAD H2e NADH exibem a atividade oxigenase demonstrando que a reacao Os produtos da reagao da enzima glicina descarbo de oxigenase esta intrinsecamente ligada ao sitio ativo da xjJase s4o metabolizados em locais diferentes em células rubisco e nao a uma resposta adaptativa ao aparecimento foliares O NADH 6 oxidado a NAD nas mitoc6ndrias de O na biosfera O NH e 0 CO sao exportados para os cloroplastos onde A oxigenagao do is6mero 23enediol da ribulose15 sao assimilados para formar glutamato ver a seguir e bifosfato com uma molécula de O produz um interme 3fosfoglicerato respectivamente diario instavel que se divide rapidamente em uma molécu A serina recémformada difundese a partir das mito la de 3fosfoglicerato e uma de 2fosfoglicolato ver Figura cdndrias de volta aos peroxissomos para a doacao de seu 84 Figura 88 e Tabela 82 reagao 1 Nos cloroplastos de grupo amino a 2oxoglutarato via transaminacao catalisa plantas terrestres a 2fosfoglicolato fosfatase catalisaahi da pela serina2oxoglutarato aminotransferase forman drolise rapida de 2fosfoglicolato a glicolato ver Figura 88 do glutamato e hidroxipiruvato ver Figura 88 e Tabela e Tabela 82 reacgdo 2 As transformag6es subsequentes 82 reagdo 8 Em seguida uma redutase dependente de de glicolato ocorrem nos peroxissomos e nas mitocdndrias NADH catalisa a transformacao do hidroxipiruvato em ver Capitulo 1 O glicolato deixa os cloroplastos por meio glicerato ver Figura 88 e Tabela 82 reacado 9 Finalmen de um transportador especifico na membrana interna do te o glicerato reentra no cloroplasto onde é fosforilado por envoltorio e difundese para os peroxissomos ver Figura ATP produzindo 3fosfoglicerato e ADP ver Figura 88 e 88 Nos peroxissomos a enzima glicolato oxidase catalisa Tabela 82 reacao 10 Assim a formacao de 2fosfoglico a oxidagao do glicolato pelo O produzindo HO e glio lato via rubisco e a fosforilagao do glicerato via glicerato xilato ver Tabela 82 reagdo 3 A catalase peroxiss6mica quinase ligam metabolicamente o ciclo de CalvinBenson decomp6ée o HO liberando O e HO ver Figura 88 e ao ciclo fotossintético oxidativo C do carbono Tabela 82 reacdo 4 A glutamatoglioxilato aminotransfe O NH liberado na oxidacao de glicina difundese rase catalisa a transaminacao do glioxilato com glutamato rapidamente a partir da matriz das mitoc6ndrias para os produzindo o aminoacido glicina ver Figura 88 e Tabelacloroplastos ver Figura 88 No estroma do cloroplasto 82 reacao 5 a glutamina sintetase catalisa a incorporacgao dependente 216 Unidade II Bioquímica e Metabolismo de ATP do NH4 em glutamato produzindo glutamina ADP e fosfato inorgânico ver Figura 88 e Tabela 82 rea ção 11 Subsequentemente a glutamina e o 2oxoglutara to são substratos da glutamato sintase dependente de fer redoxina GOGAT para a produção de duas moléculas de glutamato ver Tabela 82 reação 12 A reassimilação do NH4 no ciclo fotorrespiratório restaura o glutamato para a ação da glutamatoglioxilato aminotransferase peroxis sômica na conversão de glioxilato em glicina ver Tabela 82 reação 5 Átomos de carbono nitrogênio e oxigênio circulam pela fotorrespiração Figura 89 No ciclo do carbono os cloroplastos transferem duas moléculas de glicolato quatro átomos de carbono aos peroxissomos e recuperam uma molécula de glicera to três átomos de carbono As mitocôndrias liberam uma molécula de CO2 um átomo de carbono No ciclo do nitrogênio os cloroplastos transferem uma molécula de glutamato um átomo de nitrogênio e recuperam uma molécula de NH4 um átomo de ni trogênio No ciclo do oxigênio a rubisco e a glicolato oxidase ca talisam a incorporação de duas moléculas de O2 cada oito átomos de oxigênio quando duas moléculas de ribulose15bifosfato entram no ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono ver Tabela 82 reações 1 e 3 No entanto a catalase libera uma molécula de O2 a partir de duas moléculas de H2O2 dois átomos de oxi gênio ver Tabela 82 reação 4 Assim três moléculas de O2 seis átomos de oxigênio são reduzidas no ciclo fotorrespiratório In vivo três aspectos regulam a distribuição de metabóli tos entre o ciclo de CalvinBenson e o ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono um inerente à planta as proprie dades cinéticas da rubisco e dois ligados ao ambiente a concentração de CO2 e O2 atmosféricos e a temperatura O fator de especificidade Ω estima a preferência da rubisco por CO2 em relação ao O2 Ω VCKCVoKo Onde VC e Vo são as velocidades máximas de carboxilação e oxigenação respectivamente e KC e Ko são as constantes de MichaelisMenten para o CO2 e o O2 respectivamente O Ω ajusta a razão entre a velocidade de carboxilação vC e a velocidade de oxigenação vo em concentrações ambien tais de CO2 e O2 Ω vCvo O2 CO2 Figura 89 Dependência do ciclo oxidativo fotossintético C2 do carbono no metabolismo do cloroplasto O fornecimento de ATP e equivalentes redutores a partir das reações da luz nas membra nas tilacoides é necessário para o funcionamento do ciclo oxidativo fotossintético C2 em três compartimentos cloroplastos mitocôn drias e peroxissomos O ciclo do carbono utiliza 1 NADPH e ATP para manter um nível adequado de ribulose15bifosfato no ciclo de CalvinBenson e 2 ATP para converter o glicerato a 3fosfogli cerato no ciclo oxidativo fotossintético C2 do carbono O ciclo do nitrogênio emprega ATP e equivalentes redutores para recuperar glutamato a partir de NH4 e 2oxoglutarato vindo do ciclo fotor respiratório No peroxissomo o ciclo do oxigênio contribui para a remoção do H2O2 formado na oxidação do glicolato pelo O2 Ciclo de CalvinBenson Ciclo oxidativo C2 CO2 2 O2 3fosfoglicerato Ribulose15bifosfato 2fosfoglicolato Glicerato PSII PSI H2O O2 Luz Ciclo do nitrogênio Cloroplasto Fd ATP ATP ATP NADPH 3 CO2 O2 Ciclo do oxigênio Peroxissomo Mitocôndria 2 Taiz08indd 216 Taiz08indd 216 27102016 142357 27102016 142357 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 217 O fator de especificidade Ω calcula a capacidade relativa da rubisco para carboxilação e oxigenação vCvo quando a concentração de CO2 em torno do sítio ativo é igual à de O2 O2CO2 1 Ω é uma constante para cada rubisco que indica a eficiência relativa com a qual o O2 compete com o CO2 em certa temperatura Rubiscos de diferentes organismos exibem variações no valor de Ω o Ω da rubisco de cianobactérias Ω 40 é menor que o de plantas C3 Ω 8290 e de espécies C4 Ω 7082 A temperatura ambiente exerce uma influência signi ficativa sobre o Ω e as concentrações de CO2 e O2 em torno do sítio ativo da rubisco Ambientes mais quentes têm o efeito de Aumentar a atividade de oxigenase da rubisco mais do que a atividade de carboxilase O maior aumento de KC para o CO2 do que de Ko para o O2 diminui o Ω da rubisco Diminuir mais a solubilidade do CO2 em relação à do O2 O aumento de O2CO2 diminui a razão vcvo isto é a atividade de oxigenase da rubisco prevalece sobre a atividade de carboxilase ver Tópico 88 na in ternet Reduzir a abertura estomática para conservar água O fechamento dos estômatos reduz a absorção de CO2 atmosférico diminuindo assim o CO2 no sítio ativo da rubisco Em geral ambientes mais quentes limitam significa tivamente a eficiência da assimilação fotossintética do carbono porque o aumento progressivo da temperatura inclina o equilíbrio para longe da fotossíntese carboxi lação e em direção à fotorrespiração oxigenação ver Capítulo 9 A fotorrespiração está ligada ao sistema de transporte de elétrons da fotossíntese O metabolismo do carbono na fotossíntese em folhas in tactas reflete a competição por ribulose15biofosfato entre dois ciclos mutuamente opostos o ciclo de Calvin Benson e o ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono Esses ciclos estão interligados com o sistema de transporte de elétrons na fotossíntese para o fornecimento de ATP e equivalentes redutores ferredoxina reduzida e NADPH ver Figura 89 Para reabilitar duas moléculas de 2fosfo glicolato pela conversão em uma molécula de 3fosfoglice rato a fosforilação fornece uma molécula de ATP necessá ria para a transformação do glicerato em 3fosfoglicerato ver Tabela 82 reação 10 enquanto o consumo de NADH pela hidroxipiruvato redutase ver Tabela 82 reação 9 é contrabalançado por sua produção pela glicina descarbo xilase ver Tabela 82 reação 6 Na fotorrespiração o nitrogênio entra no peroxissomo pela etapa de transaminação catalisada pela glutamatoglioxilato aminotransferase dois átomos de nitrogênio ver Tabela 82 reação 5 e deixa o peroxissomo 1 na forma de NH4 um áto mo de nitrogênio na reação catalisada pelo complexo glicina descarboxilaseserina hidroximetiltransferase ver Tabela 82 reações 6 e 7 e 2 na etapa de transa minação catalisada pela serina2oxoglutarato amino transferase um átomo de nitrogênio ver Tabela 82 reação 8 O sistema fotossintético de transporte de elétrons forne ce uma molécula de ATP e duas moléculas de ferredoxina reduzida necessárias para a recuperação de uma molécula de NH4 por sua incorporação em glutamato via glutami na sintetase ver Tabela 82 reação 11 e glutamato sinta se dependente de ferredoxina GOGAT ver Tabela 82 reação 12 Em resumo 2 ribulose15bifosfato 3 O2 H2O ATP 2 ferredoxinared 2 H ATP 3 3fosfoglicerato CO2 2 Pi ADP 2 ferredoxinaoxid ADP Pi Devido ao suprimento adicional de ATP e ao poder redutor para a operação do ciclo fotorrespiratório a neces sidade quântica para a fixação de CO2 em condições de fotorrespiração alta O2 e baixa CO2 é maior do que em condições não fotorrespiratórias baixa O2 e alta CO2 As enzimas do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono das plantas derivam de diferentes ancestrais Os genomas completos de diferentes organismos de monstraram que todas as enzimas fotorrespiratórias es tão presentes nas plantas e nas algas vermelhas e verdes Além disso esses estudos filogenéticos sugerem que a distribuição de enzimas nas plantas se correlaciona com a origem de compartimentos envolvidos no ciclo fotossinté tico oxidativo C2 do carbono As enzimas dos cloroplastos evoluíram de uma cianobactéria endossimbionte enquan to as enzimas mitocondriais têm um ancestral proteobac teriano Por exemplo a glicerato quinase do cloroplasto é de origem de cianobactérias e a glicina descarboxilase mitocondrial vem de uma antiga proteobactéria As cianobactérias usam uma rota proteobacteriana para trazer os átomos de carbono do 2fosfoglicolato de volta ao ciclo de CalvinBenson Genomas de cianobactérias codificam todas as enzimas do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono das plantas A presença de fotorrespiração nos primeiros produtores de O2 indica um mecanismo antigo estreitamente ligado à fotossíntese oxigênica que surgiu como uma adaptação para lidar com o O2 intracelular Apesar de todas as enzi mas fotorrespiratórias semelhantes às das plantas esta rem presentes as cianobactérias existentes usam enzimas Taiz08indd 217 Taiz08indd 217 27102016 142357 27102016 142357 218 Unidade II Bioquímica e Metabolismo de antepassados proteobacterianos para a recuperação do carbono perdido no ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono Figura 810 e Tabela 83 reações 1 e 2 Inicialmente a enzima glicolato desidrogenase ver Tabela 83 reação 13 converte glicolato fotorrespiratório em glioxilato glicolato NAD glioxilato NADH H A seguir duas enzimas catalisam a conversão de glio xilato em glicerato Semialdeído tartrônico sintase glioxilato semial deído tartronato CO2 ver Tabela 83 reação 14 Semialdeído tartrônico redutase semialdeído tartro nato NADH H glicerato NAD ver Tabela 83 reação 15 Finalmente a glicerato quinase de cianobactérias fos forila o glicerato dando origem a 3fosfoglicerato que en tra novamente no ciclo de CalvinBenson glicerato ATP 3fosfoglicerato ADP ver Tabela 83 reação 10 Como em plantas terrestres o ciclo fotorrespiratório alternativo de cianobactérias libera um átomo de carbono ver Tabela 83 reação 14 e incorpora um esqueleto de três carbonos de volta ao ciclo de CalvinBenson ver Tabela 83 reação 10 As necessidades de ATP e redutores para essa via alternativa são diferentes das usadas por plantas terrestres no ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono porque cianobactérias contornam a liberação e a refixação de NH4 comparar o saldo da reação do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono nas Tabelas 82 e 83 O ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono interage com muitas rotas metabólicas As primeiras pesquisas sugeriam que o ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono servia para recuperar o carbono desviado pela atividade oxigenase da rubisco e proteger as plantas de condições estressantes como luz alta seca e estresse salino O impacto negativo da fotorrespiração na assimilação fotossintética de CO2 originouse de plantas mutantes que não sobrevivem no ar 21 de O2 004 de CO2 mas que retomam seu crescimento normal em am bientes com concentração alta de CO2 2 de CO2 Essa característica chamada de fenótipo fotorrespiratório serve para a identificação de componentes desconhecidos do ci clo oxidativo C2 do carbono Por exemplo os mutantes de Ciclo de CalvinBenson Ribulose15bifosfato 2 POCH2COCHOH2CH2OP 3fosfoglicerato 2fosfoglicolato 2 POCH2CO2 Cloroplasto ATP NADH 2 NADH NAD 2 NAD ADP Pi 2 O2 2 H2O 31 32 2 310 315 314 313 CO2 Glioxilato 2 OCHCO2 Glicolato 2 HOCH2CO2 3fosfoglicerato 2 POCH2CHOHCO2 Glicerato HOCH2CHOHCO2 Semialdeído tartrônico OCHCHOHCO2 Figura 810 Ciclo oxidativo fotossintético C2 do carbono de cia nobactérias De modo semelhante às plantas o metabolismo fotor respiratório de cianobactérias iniciase com a atividade oxigenase da rubisco seguida pela atividade hidrolítica da 2fosfoglicolato fosfa tase reações 31 e 32 Nesta fase a glicolato desidrogenase une a oxidação do glicolato ao glioxilato com a redução do NAD reação 313 A seguir a semialdeído tartrônico sintase catalisa a conver são de duas moléculas de glioxilato em semialdeído tartrônico e CO2 reação 314 Finalmente a semialdeído tartrônico redutase cata lisa a redução de semialdeído tartrônico a glicerato reação 315 A fosforilação do glicerato catalisada pela glicerato quinase traz o 3fosfoglicerato de volta para o ciclo de CalvinBenson reação 310 Taiz08indd 218 Taiz08indd 218 27102016 142357 27102016 142357 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 219 Arabidopsis que carecem de glicerato quinase acumulam glicerato e são simultaneamente incapazes de crescer em atmosfera normal mas são viáveis em atmosferas com ní veis elevados de CO2 No entanto o ciclo fotossintético oxidativo C2 do car bono requer a participação de três organelas cloroplas tos mitocôndrias e peroxissomos que estão integradas ao metabolismo total das células Estudos recentes reve laram uma conexão estreita entre fotorrespiração e outras rotas metabólicas das plantas O ciclo fotossintético oxida tivo C2 do carbono interage com Metabolismo do nitrogênio em múltiplos níveis A fotor respiração reassimila NH4 formado nas mitocôn drias usa glutamato em transaminações peroxissômi cas e produz aminoácidos serina glicina para outras rotas metabólicas Homeostase redox celular O H2O2 formado pela glico lato oxidase peroxissômica regula o estado redox de folhas A formação de H2O2 induz programas de sui cídio em indivíduos de cevada deficientes em catala se que exibem o fenótipo fotorrespiratório Embora o H2O2 danifique moléculas celulares importantes tais como DNA e lipídeos a visão atual reconhece essa espécie reativa de oxigênio como uma molécula sina lizadora ligada a respostas hormonais e de estresse Metabolismo C1 510metilenotetrahidrofolato é o cofator requerido pela glicina descarboxilaseserina hidroximetiltransferase na conversão de glicina em serina nas mitocôndrias As reações mediadas por fo latos transferem unidades de um carbono na síntese de precursores de proteínas ácidos nucleicos lignina e alcaloides Expressão de fatores de transcrição Mais de 200 fatores de transcrição são diferencialmente expressos quando as plantas são transferidas de atmosferas com níveis elevados de CO2 para a atmosfera normal A fotorres piração aumenta a expressão de genes que codificam os componentes das rotas cíclicas do fluxo de elétrons de acordo com a demanda de energia adicional da rota fotorrespiratória A fotorrespiração diminui os trans critos que codificam proteínas envolvidas na síntese de amido e sacarose e no metabolismo do nitrogênio e do enxofre A produção de biomassa pode ser aumentada por engenharia na fotorrespiração Soluções para a atual escassez de alimentos e energia de pendem do grau em que as plantas terrestres podem ser adaptadas a uma maior assimilação de CO2 Quando o O2 vence a competição com o CO2 a atividade oxigenase da TABELA 83 Reações do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono em cianobactérias Reaçãoa Enzima 1 2 ribulose15bifosfato 2 O2 2 2fosfoglicolato 2 3fosfoglicerato Rubisco 2 2 2fosfoglicolato 2 H2O 2 glicolato 2 Pi Fosfoglicolato fosfatase 13 2 glicolato 2 NAD 2 glioxilato 2 NADH 2 H Glicolato desidrogenase 14 2 glioxilato H semialdeído tartrônico CO2 Semialdeído tartrônico sintase 15 Semialdeído tartrônico NADH H glicerato NAD Semialdeído tartrônico redutase 10 Glicerato ATP 3fosfoglicerato ADP Glicerato quinase Reações líquidas do ciclo oxidativo fotossintético C2 do carbono em cianobactérias 2 Ribulose15bifosfato 2 O2 2 H2O NAD reações 1 2 13 14 e 15 Glicerato 2 3fosfoglicerato CO2 2 Pi NADH A fosforilação do glicerato catalisada pela glicerato quinase recupera a molécula de 3fosfoglicerato para o ciclo de CalvinBenson Glicerato ATP reação 10 3Fosfoglicerato ADP Assim o consumo de duas moléculas de O2 na atividade oxigenase da rubisco começa em cianobactérias uma rota do glicerato do tipo bacteriana que libera uma molécula de CO2 forma uma molécula do redutor NADH e consome uma molécula de ATP para a recuperação de um esqueleto de três carbonos de volta para o ciclo de CalvinBenson aLocalização cloroplastos Taiz08indd 219 Taiz08indd 219 27102016 142358 27102016 142358 220 Unidade II Bioquímica e Metabolismo rubisco reduz a quantidade de carbono que entra no ciclo de CalvinBenson Portanto para entender como manipu lar células foliares para melhorar a eficiência fotossintéti ca os cientistas estão abordando vários aspectos do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono desde a modifica ção do sítio ativo da rubisco até a introdução de rotas fo torrespiratórias paralelas por engenharia genética Apesar dos esforços consideráveis a modificação da rubisco para aliviar a fotorrespiração ainda não obteve sucesso Uma vez que o ciclo fotossintético oxidativo C2 do car bono é essencial para as plantas terrestres uma possibili dade atrativa é a incorporação de diferentes mecanismos para a recuperação dos átomos de carbono do 2fosfogli colato Duas abordagens diminuem o fluxo de metabóli tos fotorrespiratórios através dos peroxissomos e das mi tocôndrias liberando CO2 fotorrespirado no cloroplasto onde ele pode ser diretamente refixado Uma abordagem introduz uma rota catabólica bacteriana Escherichia coli do glicolato nos cloroplastos de plantas terrestres Ara bidopsis ver Figura 810 Os cloroplastos dessas plantas transgênicas têm um ciclo fotorrespiratório totalmente funcional ao mesmo tempo em que acomodam adicio nalmente as enzimas bacterianas glicolato desidrogenase semialdeído tartrônico sintase e semialdeído tartrônico redutase ver Tabela 83 reações 13 14 e 15 As plantas modificadas crescem mais rápido têm a biomassa aumen tada e contêm níveis mais elevados de açúcares solúveis Alternativamente a superexpressão de três enzimas no estroma do cloroplasto de Arabidopsis glicolato oxi dase catalase e malato sintetase provoca a liberação de CO2 a partir do glicolato Em primeiro lugar a oxidação do glicolato pela nova glicolato oxidase do cloroplasto pro duz glioxilato e H2O2 e a catalase catalisa a decomposição subsequente de H2O2 2 glicolato 2 O2 2 glioxilato 2 H2O2 2 H2O2 2 H2O O2 A seguir a ação sucessi va de duas enzimas converte duas moléculas de glioxilato dois átomos de carbono em piruvato três átomos de car bono e CO2 um átomo de carbono A malato sintase catalisa a condensação do glioxila to com a acetilCoA CoASCOCH3 produzindo malato 2 glioxilato CoASCOCH3 malato CoASH A enzima NADPmálico do cloroplasto catalisa a des carboxilação de malato para piruvato com a formação concomitante de NADPH malato NADP piru vato CO2 NADPH H Finalmente a piruvato desidrogenase do cloroplasto ca talisa a conversão do piruvato em acetilCoA produzindo NADH e outra molécula de CO2 piruvato CoASH NAD CoASCOCH3 CO2 NADH H Como resultado desse ciclo alternativo uma molécula de glico lato dois átomos de carbono é convertida em duas molé culas de CO2 dois átomos de carbono A oxidação de áto mos de carbono gera poder redutor na forma de NADPH e NADH Essas novas rotas se afastam da fotorrespiração das plantas em evitação das reações mitocondriais e pero xissômicas Como consequência a mudança do glicolato da fotorrespiração das plantas para as rotas modificadas libera CO2 na proximidade imediata da rubisco permi tindo uma rápida fixação de CO2 e ao mesmo tempo evita o uso de energia ATP e redutor necessária para recuperar o NH4 Mecanismos de concentração de carbono inorgânico Exceto por algumas bactérias fotossintetizantes organis mos fotoautotróficos na biosfera usam o ciclo de Calvin Benson para assimilar CO2 atmosférico A pronunciada redução nos níveis de CO2 e o aumento dos níveis de O2 que começaram há aproximadamente 350 milhões de anos desencadearam uma série de adaptações nos organismos fotossintetizantes para suportar um ambiente que promo veria a fotorrespiração Essas adaptações incluem várias estratégias para a captação ativa de CO2 e HCO3 do am biente e a acumulação de carbono inorgânico próximo da rubisco A consequência imediata de níveis mais elevados de CO2 próximo da rubisco é uma diminuição na reação de oxigenação Bombas de CO2 e HCO3 na membrana plas mática têm sido extensivamente estudadas em cianobac térias procarióticas algas eucarióticas e plantas aquáticas ver Tópico 81 na internet Em plantas terrestres a difusão do CO2 da atmosfera para o cloroplasto desempenha um papel crucial na fo tossíntese líquida Para ser incorporado em compostos de açúcar o carbono inorgânico tem de atravessar quatro barreiras parede celular membrana plasmática citoplas ma e envoltório do cloroplasto Evidências recentes reve laram que as proteínas de membrana que formam poros aquaporinas atuam como facilitadores da difusão para várias moléculas pequenas reduzindo a resistência do mesofilo para o transporte de CO2 As plantas terrestres desenvolveram dois mecanismos de concentração de carbono para aumentar a concentração de CO2 no sítio de carboxilação da rubisco Fixação fotossintética do carbono via C4 C4 Metabolismo ácido das crassuláceas CAM A absorção de CO2 atmosférico por esses mecanismos de concentração de carbono precede a assimilação do CO2 pelo ciclo de CalvinBenson Mecanismos de concentração de carbono inorgânico o ciclo C4 do carbono A fotossíntese C4 evoluiu como um dos principais meca nismos de concentração de carbono utilizados por plantas terrestres para compensar as limitações associadas a baixos níveis de CO2 atmosférico Algumas das culturas vegetais mais produtivas do planeta p ex milho canadeaçúcar Taiz08indd 220 Taiz08indd 220 27102016 142358 27102016 142358 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 221 sorgo usam esse mecanismo para aumentar a capacidade catalítica da rubisco Nesta seção são examinados Os atributos bioquímicos e anatômicos da fotossínte se C4 que minimizam a atividade oxigenase da rubis co e a perda concomitante de carbono pelo ciclo fotor respiratório A ação conjunta de diferentes tipos de células para a incorporação de carbono inorgânico em esqueletos de carbono A regulação mediada pela luz de atividades enzimá ticas e A importância da fotos síntese C4 para sustentar o crescimento vegetal em muitas áreas tropicais Malato e aspartato são os produtos primários da carboxilação no ciclo C4 No final da década de 1950 a H P Kortschack e Y Karpilov observaram que o marcador 14C apareceu inicialmente nos ácidos de quatro carbonos malato e aspartato quando 14CO2 foi fornecido às folhas de canadeaçúcar e milho na presença da luz Essa des coberta foi inesperada porque um ácido com três carbonos 3fosfoglicerato é o primeiro produto marcado no ciclo de CalvinBenson M D Hatch e C R Slack explicaram essa distribuição particular de car bono radiativo sugerindo um mecanismo alternativo ao ci clo de CalvinBenson Essa HCO3 Fosfoenol piruvato C3 Piruvato fosfato diquinase Piruvato C3 Piruvato C3 Malato Malato C4 PEPCase Enzima NADPmálica CO2 CO2 Região externa Barreira de difusão Conexões vasculares Atmosfera externa Região interna Membrana plasmática Parede celular Cloroplasto Metabólitos exportados 1 2 3 4 5 Cloroplasto Mitocôndria Ciclo de CalvinBenson Figura 811 O ciclo fotossintético C4 do carbono envolve cinco estágios sucessivos em dois compartimentos diferentes 1 Na peri feria das células foliares região externa a enzima fosfoenolpiruva to carboxilase PEPCase catalisa a reação do HCO3 fornecido pela captura de CO2 atmosférico com fosfoenolpiruvato um compos to de três carbonos Dependendo da planta o produto da reação oxaloacetato um composto de quatro carbonos é ainda transfor mado em malato ou aspartato pela ação das enzimas NADPmalato desidrogenase ou aspartato aminotransferase respectivamente ver Tabela 84 Por simplicidade o malato é mostrado nesta figura para as diferenças entre espécies nas reações que sustentam as rotas fo tossintéticas C4 ver Tópico 89 na internet 2 O ácido de quatro carbonos flui através de uma barreira de difusão para a região in terna próxima de conexões vasculares 3 A enzima de descarboxi lação p ex enzima NADmálica libera o CO2 do ácido de quatro carbonos produzindo um ácido de três carbonos p ex piruvato A captura do CO2 liberado pelos cloroplastos na região vascular for ma um grande excesso de CO2 relativo ao O2 ao redor da rubisco facilitando assim a assimilação do CO2 pelo ciclo de CalvinBenson 4 O ácido de três carbonos residual flui de volta à região externa 5 Fechando o ciclo C4 a enzima piruvato fosfato diquinase catalisa a regeneração do fosfoenolpiruvato o aceptor de HCO3 para outra volta do ciclo O consumo de duas moléculas de ATP por molécula de CO2 fixado ver Tabela 84 reações 7 e 8 impulsiona o ciclo C4 na direção das setas bombeando desse modo CO2 da atmosfera para o ciclo de CalvinBenson O carbono assimilado deixa o cloroplasto e após ser convertido em sacarose no citoplasma entra no floema para translocação a outras partes da planta rota é denominada ciclo fotossintético C4 do carbono tam bém conhecido como ciclo de HatchSlack ou ciclo C4 Hatch e Slack verificaram que 1 malato e aspartato são os primeiros intermediários estáveis da fotossíntese e 2 que o carbono 4 desses ácidos de quatro carbonos sub sequentemente se tornou o carbono 1 do 3fosfoglicerato Essas transformações ocorrem em dois tipos de células morfologicamente distintas células do mesofilo e células da bainha do feixe vascular que são separadas por suas respectivas paredes e membranas Barreira de difusão na Figura 811 Taiz08indd 221 Taiz08indd 221 27102016 142358 27102016 142358 222 Unidade II Bioquímica e Metabolismo No ciclo C4 a enzima fosfoenolpiruvato carboxila se PEPCase em vez da rubisco catalisa a carboxilação inicial nas células do mesofilo perto da atmosfera exter na Tabela 84 reação 1 ver Ensaio 81 na internet Ao contrário da rubisco o O2 não compete com o HCO3 na carboxilação catalisada pela PEPCase Os ácidos de quatro carbonos formados nas células do mesofilo fluem através da barreira de difusão às células da bainha do feixe vascu lar onde são descarboxilados liberando CO2 que é refixa do pela rubisco por meio do ciclo de CalvinBenson Em bora todas as plantas C4 partilhem a carboxilação primária pela PEPCase as outras enzimas usadas para concentrar o CO2 na vizinhança da rubisco variam entre diferentes espécies C4 ver Tópico 89 na internet Desde os estudos pioneiros das décadas de 1950 e 1960 o ciclo C4 tem sido associado a uma estrutura es pecial da folha chamada de anatomia Kranz Kranz é a palavra alemã para grinalda A anatomia Kranz típica apresenta um anel interno de células da bainha ao redor de tecidos vasculares e uma camada externa de células do mesofilo Essa anatomia foliar específica gera uma barrei ra de difusão que 1 separa a absorção de carbono atmos férico em células do mesofilo da assimilação de CO2 pela rubisco em células da bainha do feixe vascular e 2 limita o vazamento de CO2 da bainha para as células do mesofi lo No entanto já existem exemplos claros de fotossíntese C4 em célula única em algumas algas verdes diatomáceas e plantas aquáticas e terrestres Figura 812A ver Tópico 810 na internet Em resumo os gradientes de difusão não somente entre mas também dentro das células orien tam o vaivém de metabólitos entre os dois compartimen tos que operam o ciclo C4 O ciclo C4 assimila CO2 por uma ação combinada de dois tipos diferentes de células As principais características do ciclo C4 foram inicialmente descritas em folhas de plantas como o milho cujos tecidos vasculares são circundados por dois tipos de células fo tossintéticas característicos Nesse contexto anatômico o transporte de CO2 da atmosfera externa para as células da bainha do feixe vascular segue através de cinco estágios sucessivos ver Figura 811 e Tabela 84 1 Fixação do HCO3 no fosfoenolpiruvato pela PEPCa se nas células do mesofilo ver Tabela 84 reação 1 O produto da reação oxalacetato é subsequentemen te reduzido a malato por NADPmalato desidrogenase nos cloroplastos do mesofilo ver Tabela 84 reação 2 ou convertido em aspartato por transaminação com o glutamato no citosol ver Tabela 84 reação 3 2 Transporte dos ácidos de quatro carbonos malato ou aspartato para as células da bainha do feixe vascular 3 Descarboxilação dos ácidos de quatro carbonos e ge ração de CO2 que é então reduzido a carboidratos pelo ciclo de CalvinBenson Antes dessa reação uma aspartato aminotransferase catalisa a conversão do aspartato de volta a oxalacetato em algumas plantas C4 Tabela 84 reação 3 Diferentes tipos de plantas C4 fazem uso de diferentes descarboxilases para libe rar o CO2 para a supressão efetiva da reação oxigenase da rubisco ver Tabela 84 reações 4a 4b e 5 ver Tó pico 89 na internet 4 Transporte do esqueleto de três carbonos piruvato ou alanina formado pela etapa de descarboxilação de volta às células do mesofilo 5 Regeneração do fosfoenolpiruvato o aceptor de HCO3 ATP e fosfato inorgânico convertem piruva to em fosfoenolpiruvato liberando AMP e pirofosfato ver Tabela 84 reação 7 Duas moléculas de ATP são consumidas na conversão de piruvato em fosfoenolpi ruvato uma na reação catalisada por piruvato fosfato diquinase ver Tabela 84 reação 7 e outra na trans formação de AMP a ADP catalisada por adenilato quinase ver Tabela 84 reação 8 Quando alanina é o composto de três carbonos exportado pelas células da TABELA 84 Reações da fotossíntese C4 Enzima Reação 1 PEPCase Fosfoenolpiruvato HCO3 oxaloacetato Pi 2 NADPmalato desidrogenase Oxalacetato NADPH H malato NADP 3 Aspartato aminotransferase Oxalacetato glutamato aspartato 2oxoglutarato Enzimas de descarboxilação 4a Enzima NADPmálica Malato NADP piruvato CO2 NADPH H 4b Enzima NADmálica Malato NAD piruvato CO2 NADH H 5 Fosfoenolpiruvato carboxiquinase Oxalacetato ATP fosfoenolpiruvato CO2 ADP 6 Alanina aminotransferase Piruvato glutamato alanina 2oxoglutarato 7 Piruvato fosfato diquinase Piruvato Pi ATP fosfoenolpiruvato AMP PPi 8 Adenilato quinase AMP ATP 2 ADP 9 Pirofosfatase PPi H2O 2 Pi Nota Pi e PPi significam fosfato inorgânico e pirofosfato respectivamente Taiz08indd 222 Taiz08indd 222 27102016 142358 27102016 142358 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 223 Citosol região externa C Ciclo C4 em célula única A Anatomia Kranz B Anatomia Kranz Citosol barreira de difusão Citosol região interna Citosol região externa Citosol região interna CO2 CO2 CO CO2 CO2 CO CO2 CO2 C3 C3 C3 C3 C3 C3 C4 C4 C3 C4 C4 C4 C4 C4 Feixe vascular Célula da bainha do feixe vascular Célula do mesofilo Célula da bainha do feixe vascular Tecidos vasculares Membranas plasmáticas Célula do mesofilo Lado externo Gradientes de difusão Lado interno CO2 atmosférico CO2 Assimilação de car bono p ex sacarose Sacarose C3 C3 C4 C4 Ciclo C4 em célula única CO2 atmosférico CO2 Assimilação de carbono Crescimento em organismos unicelulares p ex diatomáceas Transporte para tecidos vasculares em organismos pluricelulares p ex plantas terrestres C3 C3 C4 C4 Figura 812 Rota fotossintética C4 em fo lhas de diferentes plantas A Em quase todas as espécies C4 conhecidas a assimilação fotos sintética do CO2 requer o desenvolvimento da anatomia Kranz painel à esquerda Essa carac terística anatômica compartimentaliza as reações fotossintéticas em dois tipos distintos de células que são organizadas concentricamente ao re dor das nervuras células do mesofilo e células da bainha do feixe vascular As células da bainha do feixe vascular circundam os tecidos vascu lares enquanto um anel externo de células do mesofilo fica na periferia da bainha e adjacente aos espaços intercelulares As membranas que separam as células designadas para fixação do CO2 das células destinadas a reduzir o carbono são essenciais para o funcionamento eficiente da fotossíntese C4 em plantas terrestres Alguns organismos unicelulares p ex diatomáceas e poucas plantas terrestres tipificadas pela Suae da aralocaspica anteriormente conhecida como Borszczowia aralocaspica e duas espécies de Bienertia contêm os equivalentes da compar timentalização C4 em uma única célula painel à direita Estudos das enzimaschave dessas plantas também revelam dois tipos dismórficos de cloroplastos localizados em diferentes com partimentos citoplasmáticos possuindo funções análogas às células do mesofilo e da bainha do feixe vascular na anatomia Kranz Os produtos da assimilação de CO2 sustentam o crescimento em organismos unicelulares e deixam o citosol para os tecidos vasculares em organismos multicelula res B Anatomia Kranz Imagem ao microscópio óptico de um corte transversal da lâmi na foliar de Flaveria australasica tipo de fotossíntese C4 enzima NADmálica C Fotossíntese C4 em célula única Diagra mas do ciclo C4 estão superpostos em micrografias eletrônicas de Suaeda aralo caspica esquerda e Bienertia cycloptera direita B cortesia de Athena McKown C de Edwards et al 2004 Taiz08indd 223 Taiz08indd 223 27102016 142358 27102016 142358 224 Unidade II Bioquímica e Metabolismo bainha do feixe vascular a formação de piruvato pela alanina aminotransferase precede a fosforilação pela piruvato fosfato diquinase ver Tabela 84 reação 6 A compartimentalização das enzimas garante que o carbono inorgânico da atmosfera possa ser assimilado ini cialmente pelas células do mesofilo e fixado subsequente mente pelo ciclo de CalvinBenson das células da bainha e finalmente exportado para o floema ver Figura 811 O ciclo C4 utiliza mecanismos diferentes para a descarboxilação dos ácidos de quatro carbonos transportados para as células da bainha do feixe vascular A fotossíntese C4 transporta diferentes ácidos de quatro carbonos do mesofilo para as células da bainha vascular emprega diferentes mecanismos para descarboxilar os áci dos de quatro carbonos nas células da bainha vascular e recupera nas células do mesofilo diferentes ácidos de três carbonos a partir de células da bainha vascular Tabela 85 O malato e o aspartato produzidos nos cloroplastos e no citosol de células do mesofilo respectivamente são transportados para as células da bainha vascular No tipo de fotossíntese C4 que utiliza a enzima NADPmálica NADPME o malato entra no cloroplasto das células da bainha vascular onde é descarboxilado pela NADPME ver Tabela 84 reação 4a Nos tipos de fotossíntese C4 que utilizam as enzimas NADmálica NADME e PEPcarboxiquinase PEPCK a aspartato aminotransferase citosólica das células da bai nha vascular catalisa a conversão do aspartato de volta a oxalacetato aspartato piruvato oxalacetato alanina A descarboxilação do oxalacetato em ambos os casos tem lugar nas mitocôndrias de células da bainha vascular pela NADME ver Tabela 84 reação 4b e pela PEPCK ver Ta bela 84 reação 5 O CO2 liberado difundese das mitocôn drias para os cloroplastos das células da bainha vascular Nos cloroplastos das células da bainha vascular o CO2 liberado pelas três descarboxilações aumenta a con centração de CO2 em torno do sítio ativo da rubisco mi nimizando assim a inibição por O2 Piruvato do tipo NADPME de fotossíntese C4 e alanina dos tipos NAD ME e PEPCK são transportados das células da bainha vascular para as células do mesofilo para a regeneração do fosfoenolpiruvato As células da bainha vascular e as células do mesofilo apresentam diferenças anatômicas e bioquímicas Originalmente descrito para gramíneas tropicais e Atriplex o ciclo C4 agora é conhecido por ocorrer em pelo menos 62 linhagens independentes de angiospermas distribuídas em 19 famílias diferentes As plantas C4 evoluíram a partir de ancestrais C3 há cerca de 30 milhões de anos em resposta a vários estímulos ambientais como mudanças atmosféricas queda de CO2 aumento de O2 modificação do clima glo bal períodos de seca e radiação solar intensa A transição de plantas C3 para plantas C4 requer a modificação coor denada de genes que afetam a anatomia foliar a ultraes trutura celular o transporte de metabólitos e a regulação de enzimas metabólicas As análises de i genes específi cos e elementos que controlam sua expressão ii mRNA e as sequências de aminoácidos deduzidas e iii genomas e transcriptomas C3 e C4 indicam que a evolução convergente está na base das múltiplas origens das plantas C4 Salvo em três plantas terrestres ver a seguir a anato mia Kranz característica aumenta a concentração de CO2 nas células da bainha vascular em quase 10 vezes mais do que a atmosfera externa Figura 812B e C A acumulação eficiente de CO2 nos arredores da rubisco no cloroplasto re duz a taxa de fotorrespiração para 2 a 3 da fotossíntese As células do mesofilo e da bainha do feixe vascular apre sentam grandes diferenças bioquímicas A PEPCase e a ru bisco estão localizadas nas células do mesofilo e nas células da bainha do feixe vascular respectivamente enquanto as descarboxilases são encontradas em diferentes com partimentos intracelulares das células da bainha vascular NADPME nos cloroplastos NADME nas mitocôndrias e PEPCK no citosol Além disso as células do mesofilo con têm cloroplastos arranjados aleatoriamente com tilacoides empilhados enquanto os cloroplastos das células da bainha vascular estão dispostos de forma concêntrica e exibem ti lacoides não empilhados Esses cloroplastos correlacionam se com necessidades energéticas da fotossíntese do tipo C4 Por exemplo espécies C4 do tipo NADPME em que o ma lato é enviado dos cloroplastos do mesofilo para as células TABELA 85 Mecanismos de descarboxilação do ácido C4 nos cloroplastos das células da bainha do feixe vascular Enzima de descarboxilação Ácido C4 transportado mesofilo bainha vascular para descarboxilação Ácido C3 movido bainha vascular mesofilo para carboxilação Planta Enzima NADPmálica NADPME Malato Piruvato Sorghum bicolor Zea mays Enzima NADmálica NADME Aspartato Alanina Cleome Atriplex PEPcarboxiquinase PEPCK Aspartato Alanina piruvato fosfoenolpiruvato Panicum maximum Taiz08indd 224 Taiz08indd 224 27102016 142358 27102016 142358 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 225 da bainha vascular exibem fotossistemas II e I funcionais nos cloroplastos do mesofilo enquanto os cloroplastos da bainha vascular são deficientes em fotossistema II Espécies NADPME requerem NADPH nos cloroplastos do mesofilo para a redução do oxalacetato para malato O ciclo C4 também concentra CO2 em células individuais A descoberta de fotossíntese C4 em organismos despro vidos de anatomia Kranz desvendou uma diversidade muito maior de modos de fixação C4 do carbono do que inicialmente se havia pensado existirver Tópico 810 na internet Três plantas que crescem na Ásia Suaeda ara locaspica anteriormente Borszczowia aralocaspica e duas espécies de Bienertia realizam a fotossíntese C4 completa nas células individuais do clorênquima ver Figura 812A e C A região externa próxima ao ambiente externo realiza a carboxilação inicial e a regeneração do fosfoenolpiruva to enquanto a região interna opera na descarboxilação dos ácidos de quatro carbonos e na refixação pela rubisco do CO2 liberado O citosol dessas espécies de Chenopodiaceae abriga cloroplastos dismórficos com diferentes subconjun tos de enzimas Diatomáceas algas eucarióticas fotossintéticas en contradas em sistemas marinhos e de água doce tam bém realizam a fotossíntese C4 dentro de uma única cé lula A importância da rota C4 na fixação de carbono foi confirmada pela utilização de inibidores específicos para PEPCase e pela identificação de sequências de nucleotí deos que codificam enzimas essenciais para o metabo lismo C4 PEPCase PEPCK e piruvato fosfato diquinase nos genomas de duas diatomáceas Thalassiosira pseudo nana e Phaeodactylum tricornutum Embora a descoberta desses genes sugira que o carbono é assimilado pela rota C4 as diatomáceas também possuem transportadores de bicarbonato e anidrases carbônicas que podem funcionar para elevar a concentração de CO2 no sítio ativo da rubis co Análises bioquímicas de enzimas essenciais das C4 e transportadores de HCO3 serão necessárias para avaliar a importância funcional dos diferentes mecanismos de con centração de CO2 nas diatomáceas A luz regula a atividade de enzimaschave das C4 Além do fornecimento de ATP e NADPH para o funcio namento do ciclo C4 a luz é fundamental para a regulação de várias enzimas participantes Variações na densidade de fluxo de fótons promovem alterações nas atividades da NADPmalato desidrogenase da PEPCase e da piruvato fosfato diquinase por dois mecanismos diferentes troca dos grupos tioldissulfeto EnzCysS2 EnzCysSH2 e fosforilaçãodesfosforilação de resíduos de aminoácidos específicos p ex serina EnzSerOH EnzSerOP A NADPmalato desidrogenase é regulada por inter médio do sistema ferredoxinatiorredoxina como nas plan tas C3 ver Figura 86 A enzima é reduzida ativada pela tiorredoxina quando as folhas são iluminadas mas é oxida da inativada no escuro A fosforilação diurna da PEPCase por uma quinase específica chamada de PEPCase quinase aumenta a absorção de CO2 do ambiente e a desfosforila ção noturna pela proteína fosfatase 2A traz a PEPCase de volta à atividade baixa Uma enzima altamente incomum regula a atividade claroescuro da piruvato fosfato diqui nase Esta é modificada por uma treonina quinase fosfatase bifuncional que catalisa tanto a fosforilação dependente de ADP quanto a desfosforilação dependente de Pi da piruvato fosfato diquinase O escuro promove a fosforilação da piru vato fosfato diquinase PPDK de pyruvatephosphate diki nase pela quinase fosfatase reguladora PPDKativa ADP PPDKPinativa AMP causando a perda de atividade da enzima A clivagem fosforolítica do grupo fosforil na luz pela mesma enzima restabelece a capacidade catalítica da PPDK PPDKPinativa Pi PPDKativa PPi A assimilação fotossintética de CO2 nas plantas C4 demanda mais processos de transporte do que as plantas C3 Os cloroplastos exportam parte do carbono fixado para o citosol durante a fotossíntese ativa enquanto importam o fosfato liberado de processos biossintéticos para repor ATP e outros metabólitos fosforilados no estroma Em plantas C3 os principais fatores que modulam a partição de car bono assimilado entre o cloroplasto e o citosol são as con centrações relativas de trioses fosfato e fosfato inorgânico Trioses fosfato isomerase rapidamente interconvertem a dihidroxiacetona fosfato e o gliceraldeído3fosfato no plastídio e no citosol Tabela 86 reação 1 O translocador de triose fosfato um complexo proteico na membrana in terna do envoltório do cloroplasto troca trioses fosfato do cloroplasto por fosfatos do citosol ver Tabela 86 reação 2 ver Tópico 811 na internet Assim plantas C3 necessi tam de um processo de transporte através do envoltório do cloroplasto para exportar trioses fosfato três moléculas de CO2 assimiladas dos cloroplastos para o citosol Nas plantas C4 a distribuição da assimilação fotos sintética do CO2 em mais de duas células diferentes en volve um fluxo expressivo de metabólitos entre as células do mesofilo e as células da bainha vascular Além disso três rotas diferentes realizam a assimilação de carbono inorgânico na fotossíntese C4 Nesse contexto diferentes metabólitos fluem do citosol de células da folha para os cloroplastos as mitocôndrias e os tecidos de condução Portanto a composição e a função de translocadores em organelas e na membrana plasmática de plantas C4 de pendem da rota utilizada para a assimilação do CO2 Por exemplo células do mesofilo do tipo fotossintético C4 NADPME utilizam quatro etapas de transporte através do envoltório do cloroplasto para fixar uma molécula de CO2 atmosférico 1 importação de piruvato citosólico transportador desconhecido 2 exportação de fosfoe nolpiruvato do estroma translocador de fosfoenolpiruvato Taiz08indd 225 Taiz08indd 225 27102016 142358 27102016 142358 226 Unidade II Bioquímica e Metabolismo TABELA 86 Reações na conversão de trioses fosfato produzidas fotossinteticamente em sacarose 1 Triose fosfato isomerase Dihidroxiacetona fosfato gliceraldeído3fosfato C O CH2OPO3 2 CH2OH CHOH CH2OPO3 2 CHO 2 Transportador fosfatotriose fosfato Triose fosfato cloroplasto Pi citosol triose fosfato citosol Pi cloroplasto 3 Frutose16bifosfato aldolase Dihidroxiacetona fosfato gliceraldeído3fosfato frutose16bifosfato C O CH2OPO3 2 CH2OH C C HO O H H CH2OPO3 2 CH2OPO3 2 2O3POH2C HO HO OH H H H O 4 Frutose16bifosfatase Frutose16bifosfato H2O frutose6fosfato Pi CH2OPO3 2 2O3POH2C HO HO OH H H H O CH2OH 2O3POH2C HO HO OH H H H O 5a Frutose6fosfato 1quinase fosfofrutoquinase Frutose6fosfato ATP frutose16bifosfato ADP CH2OH 2O3POH2C OH OH OH H H H H H H CH2OPO3 2 2O3POH2C OH OH OH O O 5b Fosfofrutoquinase ligada ao PPi Frutose6fosfato PPi frutose16bifosfato Pi CH2OPO3 2 2O3POH2C HO HO OH H H H O CH2OH 2O3POH2C HO HO OH H H H O 5c Frutose6fosfato 2quinase Frutose6fosfato ATP frutose26bifosfato ADP CH2OH 2O3POH2C OH OH OH H H H H H H CH2OH 2O3POH2C OH OH OPO3 2 O O 6 Frutose26bifosfatase Frutose26bifosfato H2O frutose6fosfato Pi CH2OH 2O3POH2C HO HO OH H H H O H H H CH2OH 2O3POH2C OH OH OPO3 2 O Taiz08indd 226 Taiz08indd 226 27102016 142358 27102016 142358 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 227 TABELA 86 Continuação 7 Hexose fosfato isomerase Frutose6fosfato glicose6fosfato OH CH2OH 2O3POH2C HO HO OH H H H O CH2OPO3 2 OH OH HO H H H H H O 8 Fosfoglicomutase Glicose6fosfato glicose1fosfato OH CH2OPO3 2 OH OH HO H H H H H OPO3 2 CH2OH HO OH HO H H H H H O O 9 UDPglicose pirofosforilase Glicose1fosfato UTP UDPglicose PPi CH2OH HO OPO3 2 OH HO H H H H H O O P O O O O P O O O O P O Uridina CH2OH OH OH HO H H H H H O P O O O O O P O O Uridina 10 Sacarose6Ffosfatosintase UDPglicose frutose6fosfato UDP sacarose6Ffosfato CH2OH OH OH HO H H H H H O O P O O O O O P O Uridina CH2OH 2O3PO CH2 HO HO OH H H H O CH2OH HO HO O H H H O CH2OH OH OH HO H H H H H 2O3PO CH2 O 11 Sacarose6Ffosfato fosfatase Sacarose6Ffosfato H2O sacarose Pi CH2OH HO HO O H H H O CH2OH OH OH HO H H H H H O 2O3PO CH2 CH2OH HO HO O H H H O CH2OH OH OH HO H H H H H O HOH2C Nota A triose fosfato isomerase reação 1 catalisa o equilíbrio entre dihidroxiacetona fosfato e gliceraldeído3fosfato no estroma do cloroplasto enquanto o transportador de Pi reação 2 facilita a troca entre trioses fosfato e Pi através da membrana interna do envoltório do cloroplasto Todas as outras enzimas catalisam reações no citosol Pi e PPi significam fosfato inorgânico e pirofosfato respectivamente Taiz08indd 227 Taiz08indd 227 27102016 142358 27102016 142358 228 Unidade II Bioquímica e Metabolismo fosfato 3 importação de oxalacetato citosólica trans portador de dicarboxilato e 4 exportação de malato do estroma transportador dicarboxilato A adaptação dos envoltórios dos cloroplastos às exi gências da fotossíntese C4 foi revelada quando membranas dessas organelas em células do mesofilo de ervilha uma planta C3 e milho uma planta C4 foram analisadas por cromatografia líquida seguida de espectroscopia de mas sa Os cloroplastos das células do mesofilo das plantas C3 e C4 exibiram proteomas qualitativamente similares porém quantitativamente diferentes nas membranas do envol tório Em particular os translocadores que participam no transporte de trioses fosfato e fosfoenolpiruvato são mais abundantes nos envoltórios de plantas C4 do que nos en voltórios de plantas C3 Essa maior abundância garante que os fluxos de intermediários metabólicos através do envoltório do cloroplasto de plantas C4 sejam maiores do que os fluxos em plantas C3 Em climas quentes e secos o ciclo C4 reduz a fotorrespiração Como visto anteriormente neste capítulo temperaturas elevadas limitam a taxa de assimilação fotossintética de CO2 em plantas C3 pela redução da solubilidade do CO2 e da razão entre as reações de carboxilação e oxigenação da rubisco Devido à diminuição da atividade fotossintética da rubisco a demanda de energia associada com a fotor respiração aumenta nas áreas mais quentes do mundo Em plantas C4 duas características contribuem para superar os efeitos deletérios da alta temperatura Em primeiro lugar o CO2 atmosférico entra no cito plasma das células do mesofilo onde a anidrase carbô nica converte rápida e reversivelmente CO2 em bicar bonato CO2 H2O HCO3 H Keq 17 104 Climas quentes diminuem os níveis de CO2 porém essas baixas concentrações citosólicas de HCO3 satu ram a PEPCase porque a afinidade da enzima por seu substrato é suficientemente alta Assim essa alta ati vidade da PEPCase permite às plantas C4 reduzir sua abertura estomática em altas temperaturas e assim conservar água enquanto fixam CO2 em taxas iguais ou maiores do que as plantas C3 Em segundo lugar a elevada concentração de CO2 em cloroplastos da bainha do feixe vascular minimiza o funcionamento do ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono A resposta da assimilação líquida de CO2 à tempera tura controla a distribuição de espécies C3 e C4 na Terra A eficiência fotossintética ótima das espécies C3 geral mente ocorre em temperaturas inferiores à temperatura das espécies C4 cerca de 20 a 25C e 25 a 35C respecti vamente Ao permitirem a assimilação mais eficiente de CO2 em temperaturas mais altas as espécies C4 tornam se mais abundantes nas regiões tropicais e subtropicais e menos abundantes quando as latitudes se afastam da linha do Equador Embora a fotossíntese C4 comumente seja dominante em ambientes quentes um grupo de gra míneas perenes Miscanthus Spartina é de C4 cultivadas tolerantes ao resfriamento que se desenvolvem bem em áreas onde o clima é moderadamente frio Mecanismos de concentração de carbono inorgânico metabolismo ácido das crassuláceas CAM Outro mecanismo para concentrar CO2 em torno da rubis co está presente em muitas plantas que habitam ambien tes áridos com disponibilidade de água sazonal incluin do plantas comercialmente importantes como o abacaxi Ananas comosus o agave Agave spp os cactos Cactace ae e as orquídeas Orchidaceae Essa variante importan te da fixação fotossintética do carbono foi historicamente chamada de metabolismo ácido das crassuláceas CAM para reconhecer sua observação inicial em Bryophyllum calycinum um membro suculento das Crassulaceae Como o mecanismo C4 o CAM parece ter se originado durante os últimos 35 milhões de anos para conservar a água em hábitats onde a precipitação é insuficiente para o cresci mento das culturas As folhas das plantas CAM têm carac terísticas que minimizam a perda de água como cutícu las grossas grandes vacúolos e estômatos com pequenas aberturas O arranjo compactado das células do mesofilo melho ra o desempenho do CAM restringindo a perda de CO2 durante o dia Em todas as plantas CAM a captura ini cial de CO2 em ácidos de quatro carbonos ocorre durante a noite e a posterior incorporação do CO2 em esqueletos de carbono ocorre durante o dia Figura 813 À noite a PEPCase citosólica fixa CO2 atmosférico e respiratório em oxalacetato usando o fosfoenolpiruvato formado pela de composição glicolítica de carboidratos armazenados ver Tabela 84 reação 1 Uma NADPmalato desidrogenase citosólica converte o oxalacetato em malato que é arma zenado na solução ácida dos vacúolos durante o resto da noite ver Tabela 84 de reação 2 Durante o dia o malato armazenado sai do vacúolo para descarboxilação por me canismos semelhantes aos das plantas C4 isto é por uma NADPME citosólica ou NADME mitocondrial ver Ta bela 84 reações 4a e 4b O CO2 liberado é disponibilizado para os cloroplastos para a fixação pela rubisco enquan to o ácido de três carbonos coproduzido é convertido em trioses fosfato e posteriormente em amido ou sacarose via gliconeogênese ver Figura 813 Mudanças na taxa de captura de carbono e na regu lação da enzima ao longo do dia criam um ciclo CAM de 24 horas Quatro fases distintas abrangem o controle tem poral das carboxilações C4 e C3 dentro do mesmo ambien te celular fase I noite fase II início da manhã fase III durante o dia e fase IV final da tarde Tópico 812 na Taiz08indd 228 Taiz08indd 228 27102016 142358 27102016 142358 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 229 internet Durante a fase I noturna quando os estômatos estão abertos o CO2 é captado e armazenado como malato no vacúolo A captura do CO2 pela PEPCase domina a fase I Na fase III diurna quando os estômatos estão fecha dos e as folhas estão fotossintetizando o malato estocado é descarboxilado Isso resulta em altas concentrações de CO2 ao redor do sítio ativo da rubisco aliviando assim os efeitos adversos da fotorrespiração As fases transientes II e IV alteram o metabolismo em preparação para as fases III e I respectivamente Na fase II a atividade da rubisco aumenta mas decresce na fase IV Por outro lado a ativi dade da PEPCase aumenta na fase IV porém decai na fase II A contribuição de cada fase para o equilíbrio global de carbono varia consideravelmente entre diferentes plantas CAM e é sensível às condições ambientais Plantas CAM constitutivas usam a captação noturna de CO2 em todos os momentos enquanto seus homólogos facultativos re correm à via CAM somente quando induzidos por estresse hídrico ou salino Se as trioses fosfato produzidas pelo ciclo de Calvin Benson serão estocadas como amido no cloroplasto ou utilizadas para a síntese de sacarose vai depender da espécie vegetal Entretanto esses carboidratos em últi ma análise garantem não apenas o crescimento vegetal mas também o suprimento de substratos para a próxima fase de carboxilação noturna Para resumir a separação temporal da carboxilação inicial noturna da descarboxi lação diurna aumenta a concentração de CO2 próximo da rubisco e reduz a ineficiência inevitável da atividade oxigenase Epiderme foliar Escuro estômatos abertos Luz estômatos fechados O estômato aberto permite a captura do CO2 e a perda de H2O transpiração CO2 atmosférico CO2 atmosférico CO2 respiratório O estômato fechado impede captura do CO2 e a perda de H2O transpiração HCO3 Fosfoenol piruvato PEPCase Oxalacetato Malato Ácido málico Trioses fosfato Amido NADmalato desidrogenase CO2 Malato Amido Piruvato Ciclo de Calvin Benson Enzima NADmálica NADH NAD NADH NAD 41 42 44b Pi Cloroplasto Citosol Citosol Vacúolo Ácido málico Vacúolo Cloroplasto Mitocôndria Figura 813 Metabolismo ácido das crassuláceas CAM No CAM a captura do CO2 está separada temporalmente da fixação pelo ciclo de CalvinBenson A captura do CO2 atmosférico ocorre à noite quando os estômatos estão abertos Nesse estágio o CO2 gasoso no citosol vindo tanto da atmosfera externa como da res piração mitocondrial aumenta os níveis de HCO3 CO2 H2O HCO3 H Então a PEPCase citosólica catalisa a reação entre o HCO3 e o fosfoenolpiruvato fornecido pela decomposição noturna de amido do cloroplasto O ácido de 4 carbonos resultante oxa lacetato é reduzido a malato que por sua vez prossegue para o ambiente ácido do vacúolo Durante o dia o ácido málico que fora armazenado no vacúolo à noite flui de volta ao citosol A ação da enzima NADmálica transforma o malato liberando CO2 o qual é refixado em esqueletos de carbono pelo ciclo de CalvinBenson Em essência a acumulação diurna do amido no cloroplasto constitui o ganho líquido da captura noturna de carbono inorgânico A vanta gem adaptativa do fechamento estomático durante o dia é que ele evita não apenas a perda de água por transpiração mas também a troca do CO2 interno com a atmosfera externa Ver Tabela 84 para a descrição das reações numeradas Taiz08indd 229 Taiz08indd 229 27102016 142358 27102016 142358 230 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Diferentes mecanismos regulam a PEPCase C4 e a PEPCase CAM A análise comparativa das PEPCases fotossintéticas for nece um exemplo notável da adaptação da regulação da enzima a metabolismos específicos A fosforilação de PEPCases vegetais por PEPCasequinase converte a for ma não fosforilada inativa em sua contrapartida fosfori lada ativa PEPCaseinativa ATP PEPCasequinase PEPCasePativa ADP A desfosforilação da PEPCase pela proteína fosfatase 2A traz a enzima de volta para a forma inativa A PEPCase C4 é funcional durante o dia e inativa durante a noite e a PEPCase CAM opera durante a noite e reduz a atividade durante o dia Assim a PEPCase C4 diurna e a PEPCase CAM noturna são fosforiladas As respostas contras tantes das PEPCases fotossintéticas à luz são conferidas pelos elementos reguladores que controlam a síntese e a degradação das PEPCasequinases A síntese de PEP Casequinase é mediada por mecanismos de detecção de luz nas folhas C4 e por ritmos circadianos endógenos nas folhas CAM O metabolismo ácido das crassuláceas é um mecanismo versátil sensível a estímulos ambientais A alta eficiência do uso da água nas plantas CAM prova velmente seja responsável por sua ampla diversificação e especiação em ambientes limitados em água As plantas CAM que crescem em desertos como os cactos abrem seus estômatos durante as noites frias e os fecham durante os dias quentes e secos A vantagem potencial das plantas CAM terrestres em ambientes áridos é bem ilustrada pela introdução acidental da pera espinhosa africana Opuntia stricta no ecossistema australiano De umas poucas plan tas em 1840 a população de O stricta expandiuse pro gressivamente para ocupar 25 milhões de hectares em menos de um século O fechamento dos estômatos durante o dia minimi za a perda de água em plantas CAM mas como H2O e CO2 compartilham a mesma rota de difusão o CO2 deve então ser capturado pelos estômatos abertos à noite ver Figura 813 A disponibilidade de luz mobiliza as reservas de malato vacuolar para a ação de enzimas específicas de descarboxilação NADPME e PEPCK e a assimilação do CO2 resultante pelo ciclo de CalvinBenson O CO2 li berado pela descarboxilação não escapa da folha porque os estômatos estão fechados durante o dia Como conse quência o CO2 gerado internamente é fixado pela rubisco e convertido em carboidratos pelo ciclo de CalvinBen son Assim o fechamento estomático não apenas auxilia na conservação da água mas também assiste na acumu lação da elevada concentração interna de CO2 que melho ra a carboxilação fotossintética da ribulose15bifosfato Atributos genotípicos e fatores ambientais modulam a extensão na qual as capacidades bioquímicas e fisiológicas das plantas CAM são expressas Embora muitas espécies de plantas suculentas ornamentais na família Crassulace ae p ex Kalanchoë sejam plantas CAM obrigatórias que exibem ritmo circadiano outras p ex Clusia mostram fotossíntese C3 e CAM simultaneamente em folhas distin tas A proporção de CO2 capturada pela PEPCase à noite ou pela rubisco durante o dia assimilação líquida de CO2 é ajustada 1 pelo comportamento estomático 2 pelas flutuações na acumulação dos ácidos orgânicos e carboi dratos de reserva 3 pela atividade das enzimas primária PEPCase e secundária rubisco de carboxilação 4 pela atividade das enzimas de descarboxilação e 5 pela sínte se e decomposição dos esqueletos de três carbonos Muitos representantes das plantas CAM são capa zes de ajustar seu padrão de captação de CO2 em respos ta a variações de longo prazo das condições ambientais A ervadegelo Mesembryanthemum crystallinum L a agave e a Clusia estão entre as plantas que utilizam o CAM quando a água é escassa mas fazem uma transição gradual para C3 quando a água se torna abundante Ou tras condições ambientais como salinidade temperatura e luz também contribuem para a extensão na qual o CAM é induzido nessas plantas Essa forma de regulação requer a expressão de numerosos genes CAM em resposta aos sinais de estresse O fechamento dos estômatos para conservação de água em zonas áridas pode não ser a única base da evolu ção de CAM porque paradoxalmente as espécies CAM também são encontradas entre plantas aquáticas Talvez esse mecanismo também aumente a obtenção de carbono inorgânico como HCO3 em hábitats aquáticos onde a alta resistência à difusão gasosa restringe a disponibilida de do CO2 Acumulação e partição de fotossintatos amido e sacarose Metabólitos acumulados na luz fotossintatos tornam se a melhor fonte de energia para o desenvolvimento da planta A assimilação fotossintética de CO2 pela maioria das folhas produz sacarose no citosol e amido nos cloro plastos Durante o dia a sacarose flui continuamente a partir do citosol da folha para tecidosdreno heterotrófi cos enquanto o amido se acumula como grânulos densos nos cloroplastos Figura 814 Tópico 813 na internet O escurecimento não somente cessa a assimilação de CO2 mas também dá início à degradação do amido dos cloro plastos O conteúdo de amido nos cloroplastos cai durante a noite porque os produtos de degradação fluem para o citosol para sustentar a exportação de sacarose para ou tros órgãos A grande flutuação do amido do estroma na luz versus no escuro é a razão pela qual o polissacarídeo armazenado nos cloroplastos é chamado de amido transitó rio O amido transitório funciona como 1 um mecanismo Taiz08indd 230 Taiz08indd 230 27102016 142358 27102016 142358 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 231 de transbordamento que armazena fotossintato quando a síntese e o transporte de sacarose são limitados durante o dia e 2 uma reserva de energia para proporcionar uma fonte adequada de carboidratos durante a noite quando os açúcares não são formados pela fotossíntese As plan tas variam muito na magnitude em que acumulam amido e sacarose nas folhas Figura 814 Em algumas espécies p ex soja beterraba Arabidopsis a proporção de ami do para sacarose na folha é quase constante ao longo do dia Em outras p ex espinafre feijoeiro francês o ami do acumulase quando a sacarose excede a capacidade de armazenagem da folha ou a demanda dos tecidosdreno O metabolismo de carbono das folhas também respon de às necessidades de energia e de crescimento dos tecidos dreno Mecanismos de regulação asseguram que os pro cessos fisiológicos no cloroplasto sejam sincronizados não somente com o citoplasma da célula da folha mas também com outras partes da planta durante o ciclo dianoite Uma abundância de açúcares nas folhas promove o crescimento da planta e a armazenagem de carboidratos em órgãos de reserva enquanto níveis baixos de açúcares nos tecidos dreno estimulam a taxa de fotossíntese O transporte de sacarose liga a disponibilidade de carboidratos nas folhas fonte ao uso de energia e à formação de polissacarídeos de reserva nos tecidosdreno ver Capítulo 11 Formação e mobilização do amido do cloroplasto O amido é o principal carboidrato de reserva em plantas sendo superado apenas pela celulose como o polissacarí deo mais abundante Na luz os cloroplastos armazenam parte do carbono assimilado como grânulos de amido in solúveis que são degradados durante a noite O ritmo de 24 horas da reciclagem turnover de amido ajustase à situação do ambiente Por exemplo plantas de Arabidopsis cultivadas em dias curtos dia de 6 hnoite de 18 h alocam mais fotossintatos em amido do que plantas cultivadas Trioses fosfato Trioses fosfato Hexoses fosfato Hexoses fosfato Sacarose Sacarose Sacarose Amido Amido Maltose Translocadores de maltose glicose Glicose CO2 Ciclo de Calvin Benson Pi Translocador de Pi Citosol Tecidos vasculares Raízes caules Grãos tubérculos Crescimento Armazenagem de carboidratos p ex amido frutanos ADPglicose ADPglicose Frutose ADP Cloroplasto Citosol Cloroplasto Células foliares DIA NOITE Figura 814 Mobilização do carbono em plantas terrestres Du rante o dia o carbono assimilado fotossinteticamente é utilizado para a formação de amido no cloroplasto ou é exportado para o ci tosol para a síntese de sacarose Estímulos externos e internos con trolam a partição entre amido e sacarose Trioses fosfato do ciclo de CalvinBenson podem ser utilizadas para 1 a síntese de ADPglico se o doador de glicosil para a síntese do amido no cloroplasto ou 2 a translocação para o citosol para a síntese de sacarose Durante a noite a clivagem das ligações glicosídicas do amido libera malto se e glicose que fluem através do envoltório do cloroplasto para suplementar o pool de hexoses fosfato e contribuir para a síntese de sacarose O transporte através do envoltório do cloroplasto rea lizado por translocadores para fosfato maltose e glicose transmite informações entre os dois compartimentos Como consequência da síntese diurna e da degradação noturna os níveis de amido do cloroplasto são máximos durante o dia e mínimos durante a noite Esse amido de transição serve como a reserva de energia noturna que proporciona um suprimento adequado de carboidratos para as plantas terrestres e também como uma válvula de escape diurna que aceita o excesso de carbono quando a assimilação fotossintéti ca de CO2 prossegue mais rapidamente do que a síntese de sacaro se Diariamente a sacarose liga a assimilação de carbono inorgânico CO2 nas folhas à utilização de carbono orgânico para o crescimen to e a armazenagem em partes não fotossintetizantes da planta Taiz08indd 231 Taiz08indd 231 27102016 142358 27102016 142358 232 Unidade II Bioquímica e Metabolismo α14 α16 CH2OH OH O O CH2OH n O O CH2OH O CH2OH OH OH O O CH2OH n O O CH2OH O O Amilose Amilopectina O CH2OH O O CH2OH O O CH2OH O OH m CH2OH O O CH2OH O O CH2 O O CH2OH O OH m A B C Cristalino Amorfo Agregado de amilopectina 011 nm Lamela 10 nm Blocklet 20250 nm Blocklets defeituosos Blocklets normais Grânulo de amido 1000 nm 10 μm Taiz08indd 232 Taiz08indd 232 27102016 142358 27102016 142358 Capitulo 8 Fotossintese Reacdes de Carboxilacdo 233 em dias longos dia de 18 hnoite de 6h masem ambos cadeias ramificadas longas e curtas na amilopectina regu os casos 0 amido transitorio é consumido ao amanhecer lam a estrutura e o tamanho do granulo de amido Além Nas sec6es a seguir serao considerados os processos dos disso a associacao dos componentes do estroma monoés cloroplastos associados ao acumulo diurno ea degradagao teres de fosfato lipideos fosfolipideos e proteinas com o noturna do amido granulo também controla a arquitetura molecular Figura 815C A medida que a acumulagao de granulos de ami O estroma do cloroplasto acumula amido como do no estroma exerce tensdo sobre o envoltério os canais granulos insoluveis durante o dia idnicos percebem os estimulos mecanicos e rapidamente O amido assim como o glicogénio 6 um polissacarideo ajustam o volume e a forma dos cloroplastos A flutuagao complexo construfdo a partir de um tnico monossacari de amido transitorio originase de alteragdes no tamanho deo glicose que consiste em dois componentes princi de um numero fixo de granulos de amido pais amilopectina e amilose Figura 815A As unidades A biossintese de amilose e amilopectina prossegue aDglicosil associamse em longas cadeias lineares liga por etapas sucessivas iniciacao alongamento ramificagao das por ligag6es glicosidicas aD14 onde ligacGes glicosi e terminagao da cadeia de polissacarideos Numerosos es dicas aD16 sao formadas como pontos de ramificacgéo tudos tém melhorado nossa compreensao do alongamento A contribuicgao das ligagées glicosidicas aD16 ao totale da ramificagao mas o conhecimento da iniciagao e da de ligagdes é menor na amilose menos de 1 do quena terminacao permanece limitado amilopectina cerca de 56 assim a primeira é essen O acucar nucleotideo ADPglicose proporciona a cialmente linear e a ultima é ramificada O peso molecu porcao glicosil para a biossintese das ligagdes glicosidi lar da amilose 50020000 unidades de glicose é menor cas aD14 de amilose Embora a origem da ADPglicose do que o da amilopectina cerca de 10 unidades de gli do cloroplasto seja controversa a enzima ADPglicose cose A estrutura o tamanho e as proporgdes da amilose pirofosforilase AGPase do cloroplasto catalisa a sintese e da amilopectina no granulo de amido variam entre as da maior parte desse precursor do amido Figura 816A espécies de plantas reacdo 1 O alongamento da amilose prossegue através Os cloroplastos armazenam grandes quantidades de da enzima amido sintase que catalisa a transferéncia da carbono reduzido sem alterar 0 equilfbrio osmotico da porcao glicosil da ADPglicose para a extremidade nao célula mediante compactacgao de amilose e amilopectina redutora de um aD14glucano primer preexistente A em granulos insoltiveis de amido Figura 815B Topico glicose adicionada ao glucano retém a configuragdo a na 813 na internet O contetido de amilose e a razdo entre nova ligacao glicosidica ver Figura 816A reagao 2 Varias isoformas de amido sintase estao localizadas no estroma soluvel e em associacao com os granulos particulados de amido ver a seguir Durante o processo de alongamento as enzimas de 4 Figura 815 Composicao e estrutura do granulo de amido A ramificagao de amido transferem um segmento de uma O amido composto de amilose e amilopectina Unidades de gli cadeia aD14glucano para um carbono 6 de porcoes gli cose estado ligadas quase exclusivamente por ligacdes glicosidicas gsi no mesmo glucano formando uma nova ligacao gli aD14 na amilose A amilopectina também contém cadeias de gli cosfdica aD16 ver Figura 816A reac4o 3 Enzimas de cose ligadas na aD14 residuos de glicose 6 nm 100 mas ramificacio de amido também esto presentes em varias estas sdo intercaladas com ligacdes glicosidicas aD16 pontos de oe ramificagao que dao uma estrutura do tipo arvore a macromolé isoformas que diferem nao So NO comprimento da cadeia cula B Camadas concéntricas do granulo de amido sdo reveladas de glucano transferida mas também em sua localizacao por microscopia de luz de seccées coradas com iodo do amido de estroma e nos granulos de amido sementes de ervilha O iodo reage principalmente com a amilose Aamilopectina aleatoriamente ramificada geralmente C Quatro niveis de organizagdo compdem o granulo de amido o nao se integra ao granulo de amido As isoamilases e a cluster de moléculas de amilopectina 011 nm a lamela cercade enzima dismutadora enzima D processam ramos ina 10 nm 0 blocklet 20250 nm e o granulo completo 1000 nm propriadamente posicionados As isoamilases aparam Moléculas de amilopectina estado intimamente arranjadas com ou gs ramos que impedem a formagao de regides cristali tras moléculas de amilopectina formando aglomerados de hélices yas de amilopectina eo polissacarideo aparado pode ser duplas A lamela cristalina é criada pela associacao de hélices duplas integrado ao granulo de amido Figura 816B reacao 4 de amilopectina intercaladas com regioes amorfas O blocklet é a A enzima D recicla os oligossacarfdeos residuais de volta agregacdo ordenada de varias lamelas cristalinoamorfas em uma See estrutura assimétrica com uma razao axial de 31 chamadas blo a biossintese de amido pela Teagao da glucano transferase cklets normais Amilose e outros materiais p ex agua lipideos Glicose glicose glicose 4 glicose perturbam a formacdao regular de blocklets introduzindo defei tos chamados blocklets defeituosos A agregacdéo ordenada onde mensao23exé 4 ver Figura 816B reagao 5 Os de blocklets normais e defeituosos forma os anéis concéntricos de produtos dessa reacao tornamse substratos para a agao envoltdrios duros cristalinos e macios semicristalinos no granulo das amidos sintase e enzimas de ramificacao ver Figura de amido B de Ridout et al 2003 816B reagGes 2 e 3 234 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Figura 816 Rota de síntese do amido A biossíntese do ami do em plantas é um processo complexo que inclui a biossíntese do açúcar nucleotídeo ADPglicose a formação do primer o alon gamento do glucano ligado linearmente D14 e a ramificação da molécula de amilose para a biossíntese de amilopectina A Alon gamento e ramificação do amido 1 A primeira etapa empenhado na biossíntese do amido é a formação de ADPglicose A enzima ADPglicose pirofosforilase catalisa a formação de ADPglicose a partir de ATP e glicose1fosfato com a liberação simultânea de pi rofosfato 2 A próxima etapa na formação do amido é a adição sucessiva de porções glicosil por meio de ligações D14 que alon gam o polissacarídeo Amidos sintase transferem a porção glicosil da ADPglicose para a extremidade não redutora de um primer pre existente de glucano D14 mantendo a configuração anomérica da glicose na ligação glicosídica A rota biossintética de formação do primer permanece indefinível As múltiplas isoformas da amido Glicose1P Biossíntese de ADPglicose A Alongamento do amido Ramificação do amido Enzima de ramificação ADPglicose ADPglicose Primer Amilose via amido sintase ligada ao grânulo Amilopectina via amido sintase solúvel ADPglicose pirofosforilase 1 Amido sintase solúvel Amido sintase ligada ao grânulo α14 α16 3 2 ADP ATP CH2OH O OH OH OH O Pi PPi CH2OH OH OH OH O O ADP ADP CH2OH OH OH OH O O CH2OH OH OH OH O O O CH2OH OH n OH O CH2OH OH OH OH O O O CH2OH OH n 1 OH O CH2OH OH O O CH2OH n O O CH2OH O O CH2OH O O CH2OH O O CH2OH O OH CH2OH OH OH O O CH2OH n O O CH2OH O m CH2OH O O CH2OH O O CH2OH O O CH2 O OH m 1 Taiz08indd 234 Taiz08indd 234 27102016 142359 27102016 142359 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 235 sintase encontrada nos tecidos das plantas são as amidos sintase ligadas ao grânulo localizadas essencialmente no interior da ma triz do grânulo e as amidos sintase solúveis que estão divididas entre as frações granulares e estromais de acordo com a espécie os tecidos e os estágios de desenvolvimento 3 Enzimas de ramifica ção catalisam a formação de pontos de ramificação nas cadeias de glucano por meio de clivagem das ligações D14 e a transferên cia do oligossacarídeo liberado para um glucano linear formando uma ligação D16 B Biossíntese de amilopectina As reações 2 e 3 são como em A 4 A unidade amarela ilustra a extremidade redutora do polissacarídeo isto é a porção glicose cujos grupos aldeído não formam uma ligação glicosídica Enzimas de desramifi cação clivam as ligações D16 dos polissacarídeos hidrossolúveis aleatoriamente ramificados produzindo pequenos glucanos D 14 lineares maltooligossacarídeos Dependendo de suas neces sidades de substrato essas enzimas são isoamilases ou pululanases As primeiras são ativas na direção dos ramos de amilopectina frou xamente espaçados enquanto as últimas exibem alta atividade na direção dos ramos estreitamente espaçados do polímero de gluca no Maltooligossacarídeos liberados podem por sua vez constituir primers adequados para as amidos sintase ligadas aos grânulos ou servir como substrato para a enzima dismutadora enzima D 5 A enzima D altera desproporciona a distribuição do comprimento da cadeia dos pools de maltooligossacarídeos 14glucanom D14glucanon D14glucanomx D14glucanonx Em essência a enzimaD catalisa a clivagem e a subsequente trans ferência das porções ligadas de glucano D14 x de um doador maltooligossacarídeo D14glucanom a um aceptor D14 glucanon Nesse estágio o maltooligossacarídeo encurtado pode servir como substrato ou primer para o alongamento 2 enquanto o maltooligossacarídeo alongado pode servir como polissacarídeo hidrossolúvel nos processos de ramificação 3 ADPglicose B ADP Amido sintase ligada ao grânulo Amido sintase solúvel Extremidade redutora Maltooligossacarídeos Polissacarídeo hidrossolúvel Glcα14Glcn Polissacarídeo hidrossolúvel Glcα14Glcn 1 Enzimas de ramificação Enzima D Biossíntese de amilopectina Isoamilases Pululanases Polissacarídeos hidrossolúveis aleatoriamente ramificados Grânulo de amido 2 3 5 4 Taiz08indd 235 Taiz08indd 235 27102016 142359 27102016 142359 236 Unidade II Bioquímica e Metabolismo A degradação do amido à noite requer a fosforilação da amilopectina Abordagens moleculares criativas para a construção de plantas transgênicas análises bioquímicas e informa ções de sequências genômicas têm concebido uma nova imagem da rota envolvida na degradação noturna do amido transitório Figura 817 Durante a noite o ami do tem de ser fosforilado para a formação de maltose a forma predominante de carbono exportado a partir do cloroplasto para o citosol A glucanoágua diquinase e a fosfoglucanoágua diquinase incorporam grupos fosforil no amido transitório Ao contrário da maioria das quina ses a glucanoágua diquinase libera fosfato inorgânico e transfere o fosfato do ATP indicado por um P azul na equação a seguir ao carbono 6 das porções glicosil da amilopectina AdenosinaPPP ATP glucano OH H2O adenosinaP AMP glucanoOP Pi Embora os grupos fosforil ocorram com pouca fre quência no amido das folhas 1 grupo fosforil para cada 2000 resíduos de glicosil em Arabidopsis as atividades di minuídas de glucanoágua diquinase em plantas transgê nicas reduzem a degradação do amido Como consequên cia o conteúdo de amido em folhas maduras de linhas transgênicas de Arabidopsis chamado excesso de amido 1 ou sex1 é até sete vezes maior do que em folhas do tipo selvagem Processos dependentes de tiorredoxina regu Maltose Maltotriose Maltose Glicose Glicose Amido Amido Grânulo de amido Glucano αD14ramificado Glucano αD14linear AMP Pi AMP Pi ATP ATP Pi Amido Pi Pi Enzimas desramificadoras Glucano água diquinase Fosfoglucano água diquinase Enzima D Transglicosidase Hexoquinase Glucano fosforilase βamilase Pi Glicose1fosfato Glicose6fosfato Citosol Estroma do cloroplasto Triose fosfato Triose fosfato Heteroglicano Hexoses fosfato Ciclo oxidativo da pentose fosfato Figura 817 Degradação noturna do amido em folhas de Ara bidopsis A liberação de glucanos solúveis do grânulo de amido durante a noite requer a fosforilação a priori do polissacarídeo via glucanoágua diquinase e fosfoglucanoágua diquinase Nesse es tágio as enzimas desramificadoras transformam o amido ramifica do em glucanos lineares que por sua vez podem ser convertidos em maltose via amilose catalisada pela amilase do cloroplasto A maltotriose residual é transformada em maltopentaose e glico se pela enzima D A maltopentaose produzida é adequada para a hidrólise pela amilase do cloroplasto enquanto a glicose pode ser exportada para o citosol Em condições de estresse a clivagem fosforolítica dos glucanos D14 catalisados pela glucano fosfori lase do cloroplasto produz glicose1fosfato que pode ser clivada a triose fosfato e trocada por fosfato ou incorporada ao ciclo oxi dativo das pentoses fosfato Dois transportadores no envoltório do cloroplasto um para maltose e outro para glicose facilitam o fluxo de produtos da degradação do amido para o citosol A utilização de maltose no citosol da folha prossegue via uma transglicosidase que transfere uma porção glicosil a um heteroglicano e simultanea mente libera uma molécula de glicose A glicose citosólica pode ser fosforilada pela hexoquinase a glicose6fosfato para incorporação ao pool de hexoses fosfato Taiz08indd 236 Taiz08indd 236 27102016 142359 27102016 142359 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 237 lam 1 a atividade catalítica e 2 a distribuição da enzima entre o estroma e o grânulo de amido As plantas terrestres contêm uma segunda enzima fosfoglucanoágua diquinase que catalisa uma reação se melhante à glucanoágua diquinase mas requer estrita mente um glicano fosforilado como substrato A glucano água diquinase adiciona o fosfato do ATP ao carbono 3 de porções glicosil da amilopectina e libera fosfato inorgâ nico ver Figura 817 AdenosinaPPP ATP Pglucano OH H2O adenosinaP AMP Pglucano OP Pi Mutantes que não possuem a fosfoglucanoágua diquina se também contêm níveis aumentados de amido porém de modo diferente dos mutantes sex1 não exibem um con teúdo alterado de amilopectina fosforilada A exportação de maltose prevalece na decomposição noturna do amido transitório Dois mecanismos realizam a clivagem da ligação glicosí dica D14 do amido fosforilado ver Figura 817 1 Hidrólise catalisada pelas amilases Glicosen H2O glicosenm glicosem amilase Glicosen H2O linear glicosen2 maltose amilase 2 Fosforólise catalisada por glucanos fosforilase Glicosen Pi glicosen1 glicose1fosfato Como a maltose é o principal produto de decomposição do amido que cloroplastos exportam para o citoplasma du rante a noite amilases formam o dissacarídeo pela ação sobre o grânulo de amido ou em oligossacarídeos libera dos a partir do grânulo por amilases No entanto nem amilases nem amilases hidrolisam a ligação glicosí dica D16 que constitui 4 a 5 das ligações glicosídicas em amilopectina ver Figura 817 Duas enzimas desra mificadoras pululanase dextrinase limite e isoamilase são essenciais para a decomposição total dos grânulos de amido em glucanos lineares ver Figura 817 Os glucanos lineares fornecidos pelas pululanases e isoamilases são degradados ainda mais durante a noite pela amilase do cloroplasto A produção de maltose conduz inevitavelmente à formação de baixas quantidades de maltotriose porque a ação exaustiva da amilase não pode continuar a proces sar o trissacarídeo ver Figura 817 A enzima D catalisa a seguinte transformação 2 glicose3 glicose5 glicose maltotriose maltopentaose A formação de maltopentaose que é processada por amilases e a exportação de glicose para o citosol por meio do transportador de glicose na membrana interna do cloroplasto impedem a acumulação da maltotriose à me dida que o amido é decomposto durante a noite O transportador de maltose uma proteína da mem brana interna do cloroplasto transporta maltose seletiva mente através do envoltório A utilização de maltose no citosol da folha segue uma rota bioquímica não suspeitada antes do advento de plantas transgênicas As linhas trans gênicas desprovidas de uma transglicosidase citosólica degradam mal o amido e acumulam maltose em níveis muito mais elevados do que em plantas de tipo selvagem A reação de transglicosilação catalisada por essa enzima transfere uma porção glicosil da maltose para heterogli canos citosólicos constituídos de arabinose galactose e glicose heteroglicanos maltose heteroglicanos glicose glicose A fosforilação da glicose restante pela hexoquinase adiciona glicose6fosfato ao pool de hexose fosfato para a conversão à sacarose A síntese e a degradação do grânulo de amido são reguladas por múltiplos mecanismos Numerosos mecanismos regulam a atividade de enzimas envolvidas no metabolismo do amido CONTROLE REDOX A importância das condições de re dução e oxidação no controle da degradação do amido vem de experimentos bioquímicos AGPase glucanoágua di quinase fosfoglucano fosfatase e amilase 1 e potenciais alvos de tiorredoxina em triagens proteômicas amilase glucano fosforilase translocador de ADPglicose e a enzima ramificadora de amido IIa FOSFORILAÇÃO DE PROTEÍNAS A resposta rápida é a característica distintiva da sinalização por fosforilação de proteínas No plastídio quinases proteicas específicas ca talisam a transferência do fosfato do ATP para aminoá cidos específicos geralmente serina treonina e tirosina de enzimas relacionadas com o metabolismo do amido fosfoglicoisomerase fosfoglicomutase AGPase glucano água diquinase transglicosidase dpe2 amilase 3 amilases dextrinase limite enzimas ramificadoras de amido amidos sintase amido sintase ligada ao grânulo glucano fosforilase transportador de glicose e transpor tador de maltose O papel fisiológico dessas fosforilações é desconhecido FORMAÇÃO DE COMPLEXOS COM PROTEÍNAS Mui tas enzimas envolvidas na formação do grânulo sintases de amido solúveis e ligadas aos grânulos amilases e glucanoágua diquinase ligamse a proteínas de suporte que possuem domínios de ligação de amido A formação desses heterocomplexos altera marcadamente a atividade das enzimas EFETORES ALOSTÉRICOS METABÓLITOS DE BAIXO PESO MOLECULAR Moléculas pequenas interagem com sítios de enzimas distais ao sítio ativo e assim per turbam a atividade catalítica ao longo de uma distância isto é têm um efeito alostérico Dessa forma metabólitos Taiz08indd 237 Taiz08indd 237 27102016 142359 27102016 142359 238 Unidade II Bioquímica e Metabolismo de baixo peso molecular participam ativamente na síntese de amido Por exemplo o dissacarídeo trealose DGlic 11DGlic não se acumula muito na grande maioria das plantas mas a trealose6fosfato aumenta significa tivamente a ativação redutiva da ADPglicose pirofosfo rilase Biossíntese da sacarose e sinalização A produção de sacarose no citosol da folha acoplada ao carregamento e à translocação no floema assegura um fornecimento adequado de carboidratos para o desenvol vimento ótimo da planta Além disso a sacarose participa do status de carbono e energia dos tecidos que sustentam a assimilação autotrófica folhas para os compartimen tos que realizam o consumo heterotrófico p ex raízes tubérculos e grãos Assim a sacarose não só fornece es queletos de carbono para o crescimento e a biossíntese de polissacarídeos mas também é uma moléculachave de sinalização que regula a partição de carbono entre as folhasfonte e os tecidosdreno Esta seção descreve prin cipalmente os mecanismos que distribuem os produtos da assimilação fotossintética de CO2 para o citosol para a sín tese de sacarose Trioses fosfato do ciclo de CalvinBenson constroem o pool citosólico de três importantes hexoses fosfato na luz Durante a fotossíntese ativa a acumulação de dihidroxia cetona fosfato e gliceraldeído3fosfato no citosol aumenta a formação de frutose16bifosfato catalisada pela aldola se citosólica ΔG0 24 kJmol Figura 818 ver também CH2OH 61 63 64 67 65c 66 62 Gliceraldeído 3fosfato Dihidroxiacetona fosfato Trioses fosfato Trioses fosfato Pool de hexoses fosfato Frutose16 bifosfato Frutose26 bifosfato Frutose6 fosfato Glicose6 fosfato 68 Glicose1 fosfato Cloroplasto Citosol CHO CHOH CH2OP CO CH2OP CH2OH ADP ATP Pi Pi Pi Pi 65a 65b ADP ATP Pi PPi POH2C O HO OH OH CH2OP CH2OP POH2C O HO OH OP CH2OH POH2C O O HO OH OH OH OH OH OH CH2OH O OP OH OH OH Figura 818 Interconversão de hexoses fosfato A frutose16 bifosfato formada a partir das trioses fosfato pela ação da aldola se é clivada na posição do carbono 1 pela frutose16bifosfatase citosólica que difere estrutural e funcionalmente de sua contra partida do cloroplasto A frutose6fosfato constitui o substrato inicial para três transformações Primeiro plantas terrestres em pregam duas diferentes reações de fosforilação da frutose6 fosfato na posição do carbono 1 do anel de furanose a clássica fosfofrutoquinase dependente de ATP ver glicólise no Capítulo 12 e uma fosfofrutoquinase dependente de pirofosfato que catalisa a fosforilação rapidamente reversível da frutose6fosfato utilizando pirofosfato como substrato Segundo a frutose6fosfato 2qui nase catalisa a fosforilação dependente de ATP da frutose6fos fato a frutose26bifosfato por sua vez a frutose26bifosfato fosfatase catalisa a hidrólise da frutose26bifosfato liberando o grupo fosforil e novamente produzindo frutose6fosfato Ter ceiro a hexose fosfato isomerase e a glicose6fosfato isomerase respectivamente favorecem a isomerização da frutose6fosfato a glicose6fosfato e da glicose6fosfato a glicose1fosfato Cole tivamente frutose6fosfato glicose6fosfato e glicose1fosfato constituem o pool de hexoses fosfato Ver Tabela 86 para uma descrição das reações numeradas Taiz08indd 238 Taiz08indd 238 27102016 142359 27102016 142359 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 239 Tabela 86 reação 3 Dado que a aldolase citosólica catali sa a reação de duas trioses fosfato o Keq para esta reação é Keq dihidroxiacetona fosfato gliceraldeído3 fosfato frutose16bifosfato trioses fosfato2 frutose16bifosfato sugerindo que a concentração de frutose16bifosfato va ria exponencialmente em resposta a alterações na concen tração de trioses fosfato Assim uma entrada constante de trioses fosfato dos cloroplastos ativos fotossinteticamente desvia a reação da aldolase no citosol de células das folhas em direção à formação de frutose16bifosfato A reação reversa a clivagem do aldol da frutose16bifosfato para dihidroxiacetona fosfato e gliceraldeído3fosfato tem lugar quando a proporção de frutose16bifosfato é alta em relação às trioses fosfato por exemplo na glicólise A frutose16bifosfatase citosólica subsequentemente catalisa a hidrólise de frutose16bifosfato na posição do carbono 1 produzindo frutose6fosfato e fosfato ΔG0 167 kJmol ver Figura 818 e Tabela 86 reação 4 A frutose6fosfato citosólica pode avançar para dife rentes destinos por meio de 1 Fosforilação do carbono 1 que restaura a frutose16 bifosfato catalisada por duas enzimas fosfofrutoqui nase e fosfofrutoquinase dependente de pirofosfato ver Tabela 86 reações 5a e b 2 Fosforilação do carbono 2 que produz frutose26bi fosfato catalisada por uma enzima ímpar bifuncional exclusiva do citosol Frutose6fosfato 2quinasefru tose26bifosfato fosfatase catalisa tanto a incorpora ção quanto a hidrólise do grupo fosforil ver Tabela 86 reação 5c e 6 3 Isomerização que produz glicose6fosfato cata lisada pela hexose fosfato isomerase ver Tabela 86 reação 7 A concentração citosólica de frutose6fosfato é mantida próxima do equilíbrio com a glicose6fosfato e a glico se1fosfato por meio de reações prontamente reversíveis catalisadas pela hexose fosfato isomerase ΔG0 87 kJ mol e fosfoglicomutase ΔG0 73 kJmol ver Tabela 86 reações 7 e 8 Esses três açúcares fosfato são chamados coletivamente de hexoses fosfato ver Figura 818 A frutose26bifosfato regula o pool de hexose fosfato na luz O metabólito regulador frutose26bifosfato citosólica re gula a troca de trioses fosfato e fosfato para a formação do pool de hexose fosfato Uma alta razão de trioses fosfato para fosfato no citosol típica de folhas fotossinteticamente ativas suprime a formação de frutose26bifosfato por que as trioses fosfato inibem fortemente a atividade qui nase da enzima bifuncional frutose6fosfato 2quinase frutose26bifosfato fosfatase Por outro lado uma baixa razão de trioses fosfato para fosfato típica da fotossínte se limitada promove a síntese de frutose26bifosfato porque o fosfato estimula a atividade da frutose6fosfato 2quinase e inibe a atividade da frutose26bifosfatase Concentrações mais elevadas de frutose26bifosfato ini bem a atividade da frutose16bifosfatase citosólica e ao fazêlo esgotam o nível de hexoses fosfato do citosol Por sua vez a frutose6fosfato inibe a atividade da bifosfatase e ativa a atividade de quinase da enzima bifun cional frutose6fosfato 2quinasefrutose26bifosfato fosfatase e assim aumenta a concentração de frutose26 bifosfato Como a frutose26bifosfato inibe a fruto se16bifosfatase a concentração de frutose6fosfato diminui Assim a frutose26bifosfato modula o pool de hexoses fosfato em resposta não só à fotossíntese mas também às demandas do próprio pool de hexose fosfato citosólico A sacarose é continuamente sintetizada no citosol O fotossintato produzido nas folhas é transportado prin cipalmente como sacarose aos meristemas e órgãos em desenvolvimento como folhas em crescimento raízes flo res frutos e sementes ver Figura 814 A concentração de sacarose no citosol das folhas depende de dois processos 1 Importação de carbono que transporta trioses fosfa to diurnas e maltose noturna do cloroplasto ao citosol das folhas para a síntese de sacarose 2 Exportação de carbono das folhas que transfere a sa carose do citosol da folha aos outros tecidos para as demandas de energia e a síntese de polissacarídeos O fracionamento celular a separação física de or ganelas para análise de suas atividades enzimáticas in trínsecas tem mostrado que a sacarose é sintetizada no citoplasma a partir do pool de hexose fosfato como repre sentado na Figura 819 utilizando as reações descritas na Tabela 86 A conversão de hexose em nucleotídeos de açúcar pre cede a formação de sacarose No citosol glicose1fosfato reage com UTP para produzir UDPglicose e pirofosfato em uma reação catalisada pela UDPglicose pirofosfori lase ver Tabela 86 reação 9 Duas reações consecutivas completam a síntese da sacarose a partir da UDPglicose A sacarose6Ffosfato sintase o sobrescrito F indica que a sacarose é fosforilada no carbono 6 da porção de frutose primeiro catalisa a formação de sacarose 6Ffosfato a partir de sacarose6fosfato e UDPglicose ver Tabela 86 rea ção 10 Subsequentemente sacarose6Ffosfato fosfatase libera fosfato inorgânico a partir de sacarose6Ffosfato produzindo sacarose ver Tabela 86 reação 11 A formação reversível de sacarose6Ffosfato ΔG0 57 kJmol seguida de sua hidrólise irreversível ΔG0 165 kJmol torna a síntese de sacarose essencialmente Taiz08indd 239 Taiz08indd 239 27102016 142359 27102016 142359 240 Unidade II Bioquímica e Metabolismo irreversível in vivo Além disso a associação dessas enzi mas em complexos macromoleculares facilita a transferên cia direta de sacarose6Ffosfato para sacarose6Ffosfato fosfatase sem se misturar com outros metabólitos A sacarose6Ffosfato sintase é regulada por modifi cações póstradução fosforilação de proteínas e metabó litos controle alostérico ver Figura 819 No escuro a fosforilação de sacarose6Ffosfato sintase por uma qui nase específica reduz sua atividade catalítica A quinase SnRK1 sucrose nonfermenting1related protein kinase é um centro dentro de uma rede de rotas de sinalização que fosforila e inativa outras enzimas nitrato redutase trealose fosfato sintetase e frutose6fosfato 2quinase frutose26bifosfato fosfatase Na luz a sacarose6Ffos fato sintase inativa é ativada por desfosforilação via uma proteína fosfatase A fosforilação de sacarose6Ffosfato sintase também é regulada por metabólitos citosólicos a glicose6fosfato inibe a quinase SnRK1 e o fosfato ini be a fosfatase Figura 820 Além de sua regulação por fosforilaçãodesfosforilação a forma ativa de sacaro se6Ffosfato sintase é estimulada pela glicose6fosfato e inibida pelo fosfato Assim os níveis aumentados de he xoses fosfato e os níveis diminuídos de fosfato no citosol causados por altas taxas de fotossíntese aumentam a sín tese de sacarose Por outro lado a sacarose6Ffosfato sin tase é ineficiente quando o aumento dos níveis de fosfato no citosol causado por taxas mais baixas de fotossíntese diminuem as hexoses fosfato A sacarose sintetizada no citosol das células da fo lha é carregada para o floema transportada para desti nos distantes e descarregada em tecidos como folhas em desenvolvimento meristemas apicais e diferentes órgãos caules tubérculos grãos Proteínas de membrana espe cíficas chamadas de transportadores de sacarose impul sionam o fluxo de massa de sacarose para partes distantes da planta O transporte de sacarose atua combinado com outros mecanismos de sinalização específicos de tecido e célula como um sinal de longa distância que promove respostas de desenvolvimento pela regulação das respos tas hormonais ao nível de dreno Assim o carregamento e o descarregamento de elemetos crivados floema com sacarose transmitem informação bidirecional sobre nu trientes e energia entre as folhasfonte e os tecidosdreno ADP Pi Pi Pi PPi ATP Frutose6fosfato UDPglicose UTP glicose1P Sacarose6Ffosfato Sacarose6F fosfato sintase ativa Sacarose6F fosfato sintase inativa Sacarose fosfato fosfatase Sacarose6Ffosfato sintase fosfatase SnRK1 69 Sacarose 610 611 HOH2C POH2C O O OH OH CH2OH OUDP OH OH OH HO HOH2C HOH2C O O HO OH CH2OP OH OH OH O HOH2C HOH2C O O HO OH CH2OH OH OH OH O UDP Figura 819 Síntese de sacarose A sacarose6Ffosfato sinteta se catalisa a transferência da porção glicosil da UDPglicose para frutose6fosfato produzindo sacarose6Ffosfato A desfosforila ção da sacarose6Ffosfato pela enzima sacarose6Ffosfatofos fatase libera o dissacarídeo sacarose Modificações póstradução via fosforilaçãodesfosforilação e interações não covalentes via efetores alostéricos regulam a atividade da sacarose6Ffosfato sintase A fosforilação de um resíduo de serina específico na en zima pela ação em concerto de ATP e de uma quinase específi ca SnRK1 produz uma enzima inativa A liberação do fosfato da sacarose6Ffosfatosintase fosforilada por uma sacarose6F fosfatosintasefosfatase específica recupera a atividade basal A notação 6F na sacarose6Ffosfato indica que essa sacarose é fosforilada no carbono 6 da porção frutose Ver Tabela 86 para a descrição das reações numeradas Taiz08indd 240 Taiz08indd 240 27102016 142359 27102016 142359 Capítulo 8 Fotossíntese Reações de Carboxilação 241 SnRK1 ADP P ATP Glicose6fosfato Glicose6fosfato Síntese de sacarose Efeito de Fosfato Aumenta a síntese de sacarose Sacarose6F fosfato sintase ativa Sacarose 6F fosfato sintase ativa Estimula a sacarose6F fosfato sintase Inativa SnRK1 Pi Diminui a síntese de sacarose SnRK1 Sacarose6F fosfato sintase inativa ADP P P ATP Sacarose 6F fosfato sintase inativa Sacarose6F fosfato sintase fosfatase Inativa a sacarose6F fosfato sintase fosfatase Inibe a sacarose6F fosfato sintase ca osf tas a e 6 at nt a R nR nRR Figura 820 Glicose6fosfato e fosfato regulam a síntese de sa carose A glicose6fosfato aumenta a síntese de sacarose pela mo dulação da atividade de duas enzimas associadas A glicose6fos fato intensifica a atividade da própria sacarose6Ffosfato sintase e também impede a formação da forma inativa da sacarose6Ffos fato sintase mediante inibição da quinase SnRK1 que fosforila e desativa a enzima O fosfato diminui a síntese de sacarose de uma maneira inversa Ele inibe a atividade da sacarose6Ffosfato sinta se e desativa a sacarose6Ffosfato sintase fosfatase a enzima que converte sacarose6Ffosfato sintase em sua forma ativa A tran sição de folhas do escuro para a luz aumenta a concentração de glicose6fosfato e simultaneamente diminui a concentração de fos fato no citosol Assim o nível mais elevado de glicose6fosfato e o nível baixo de fosfato aumentam em conjunto a síntese de sacarose na luz Os Xs vermelhos indicam enzimas inativas RESUMO A luz solar em última análise fornece energia para a assimilação de carbono inorgânico em material orgânico autotrofia O ciclo de CalvinBenson é a rota predominante para essa conversão em muitos procariotos e em todas as plantas O ciclo de CalvinBenson NADPH e ATP gerados pela luz nos tilacoides dos cloroplastos acionam a fixação endergônica de CO2 atmosférico pelo ciclo de CalvinBenson no estroma do cloroplasto Figura 81 O ciclo de CalvinBenson tem três fases 1 carboxilação da ribulose15bifosfato com CO2 catalisada pela rubisco produ zindo 3fosfoglicerato 2 redução do 3fosfoglicerato a trioses fosfato usando ATP e NADPH e 3 regeneração da molécula aceptora do CO2 ribulose15bifosfato Figuras 82 83 CO2 e O2 competem nas reações de carboxilação e de oxigena ção catalisadas pela rubisco Figura 84 A rubisco ativase controla a atividade da rubisco em que o CO2 funciona como ativador e substrato Figura 85 A luz regula a atividade da rubisco ativase e quatro enzimas do ciclo de CalvinBenson via sistema ferredoxinatiorredoxina e al terações na concentração de Mg2 e pH Figuras 86 87 O ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono O ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono fotorrespiração minimiza a perda de CO2 fixado mediante atividade de oxigena se da rubisco Tabela 82 Taiz08indd 241 Taiz08indd 241 27102016 142359 27102016 142359 242 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Cloroplastos peroxissomos e mitocôndrias participam no mo vimento do carbono do nitrogênio e dos átomos de oxigênio pela fotorrespiração Figuras 88 89 As propriedades cinéticas da rubisco a temperatura e as con centrações de CO2 e O2 atmosféricos controlam o equilíbrio en tre o ciclo de CalvinBenson e o ciclo fotossintético oxidativo C2 do carbono As cianobactérias têm mecanismos alternativos para recuperar os átomos de carbono do 2fosfoglicolato para utilização no ciclo de CalvinBenson Figura 810 Tabela 83 Mecanismos de concentração de carbono inorgânico As plantas terrestres têm dois mecanismos de concentração de carbono que precedem a assimilação de CO2 pelo ciclo de CalvinBenson fixação fotossintética C4 do carbono C4 e me tabolismo ácido das crassuláceas CAM Mecanismos de concentração de carbono inorgânico o ciclo C4 do carbono O ciclo fotossintético C4 do carbono fixa o CO2 atmosférico via PEPCase em esqueletos de carbono em um compartimento Os produtos ácidos de quatro carbonos fluem para outro compar timento onde o CO2 é liberado e refixado via rubisco Figura 811 Tabela 84 O ciclo C4 pode ser acionado por gradientes de difusão dentro de uma única célula bem como pelos gradientes entre mesofilo e células da bainha do feixe vascular anatomia Kranz Figura 812 Tabela 85 A luz regula a atividade de enzimaschave do ciclo C4 NADP malato desidrogenase PEPCase e piruvato fosfato diquinase O ciclo C4 reduz a fotorrespiração e a perda de água em climas secos e úmidos Mecanismos de concentração de carbono inorgânico metabolismo ácido das crassuláceas CAM Em ambientes áridos a fotossíntese CAM captura CO2 atmosfé rico e reaproveita CO2 respiratório O CAM geralmente está associado a características anatômicas que minimizam a perda de água Nas plantas CAM a captura inicial de CO2 e sua incorporação final em esqueletos de carbono estão separadas temporalmen te Figura 813 Fatores genéticos e ambientais determinam a expressão CAM Acumulação e partição de fotossintatos amido e sacarose Na maioria das folhas sacarose no citosol e amido nos cloro plastos são os produtos finais da assimilação fotossintética de CO2 Figura 814 Tabela 86 Durante o dia a sacarose flui do citosol das folhas para tecidos dreno enquanto o amido se acumula na forma de grânulos nos cloroplastos À noite o conteúdo de amido dos cloroplas tos cai para fornecer esqueletos de carbono para a síntese de sacarose no citosol com a finalidade de nutrir os tecidos hete rotróficos Formação e mobilização do amido do cloroplasto A biossíntese de amido durante o dia prossegue por etapas su cessivas iniciação alongamento ramificação e terminação da cadeia de polissacarídeo Figuras 815 816 A degradação do amido durante a noite requer primeiro a fos forilação do polissacarídeo Glucanoágua diquinase e fosfoglu canoágua diquinase catalisam a transferência do fosfato do ATP para o amido Figura 817 A degradação dos glucanos lineares por amilases dos cloro plastos produz maltose que é exportada para o citosol para a síntese de sacarose Biossíntese da sacarose e sinalização Durante o dia a razão entre trioses fosfato e fosfato inorgânico modula a partição de carbono entre os cloroplastos e o citosol A acumulação de trioses fosfato no citosol aumenta o pool de hexoses fosfato Hexoses fosfato são precursores na síntese ci tosólica de sacarose catalisada por sacarose6Ffosfato sintase e sacarose6Ffosfato fosfatase Figuras 818 819 Fosforilação e interações não covalentes com metabólitos re gulam a atividade da sacarose6Ffosfato sintase Figura 820 Além de fornecer carbono para o crescimento e a biossíntese de polissacarídeo a sacarose atua como um sinal na regulação de genes que codificam enzimas transportadores e proteínas de armazenamento Taiz08indd 242 Taiz08indd 242 27102016 142359 27102016 142359