Fotossíntese

10 REVISTA DE BIOLOGIA E CIÊNCIAS DA TERRA ISSN 15195228 Volume 11 Número 2 2º Semestre 2011 Uma síntese sobre aspectos da fotossíntese Nícolas Fernandes Martins1 RESUMO Para o equilíbrio da vida uma constante energia é requerida sendo uma diferença fundamental entre plantas e animais é a forma como é obtido a energia para a manutenção da vida Os animais adquirem seus alimentos em compostos orgânicos e a energia química através da respiração ao contrário plantas absorvem energia em forma de luz a partir do sol Dessa forma a fotossíntese fora uma curiosidade para a humanidade em conjunto com outros processos fisiológicos cumprindo um importante papel na cadeia alimentar requerendo diferentes áreas do conhecimento científico Palavraschave fotossíntese histórico da fotossíntese fase clara e escuro A synthesis about photosynthesis aspect ABSTRACT For a constant balance of life energy is required to be a fundamental difference between plants and animals is the way its got the energy to sustain life The animals get their food in organic compounds and chemical energy through breathing unlike plants absorb energy in the form of light from the sun Thus photosynthesis was a curiosity to humanity along with other physiological processes fulfilling an important role in the food chain requires different areas of scientific knowledge Keywords photosynthesis history of photosynthesis light phase and dark 1 INTRODUÇÃO A fotossíntese um breve histórico A fotossíntese é um importante processo para manutenção da vida o que seríamos sem o complexo de reações da fotossíntese A fotossíntese inicia como entendimento da humanidade com os naturalistas que acreditavam que as plantas extraiam seu alimento do ambiente externo assim os animais obtêm alimento de matéria orgânica e realizam respiração uma apreciação grosseira da época se dava a fotossíntese o precursor do estudo da nutrição vegetal Almeida 2005 se dá com o filósofo grego Aristóteles 384 a 322 aC que acreditava que o alimento que era consumido pelas plantas era obtido diretamente do solo O Filósofo Aristóteles acreditava que a vida dos animais era dependente dos alimentos que eram consumidos acreditavam que as plantas obtinham seu alimento diretamente do solo O primeiro a relatar de nutrientes no solo para o crescimento da planta Devido aos processos históricos Raven 2002 a nutrição vegetal passara um bom tempo obscuro temos poucos dados a respeito da época da idade média mas renasce a discussão 11 com Jan Baptista Van Helmont 15771644 que cultivara uma pequena árvore em um vaso onde adicionava apenas água Sua conclusão era de que toda a substância da planta era da água e não do solo Suas conclusões foram precipitadas mas para a época fora de grande aceitação Foi o médico holandês Jan Ingenhousz 17301799 quem evidenciou ainda numa base empirista que o processo de purificação do ar só ocorre à luz solar Concluiu que as plantas à noite ou à sombra contaminam o ambiente que as envolve exalando ar prejudicial aos animais Constatou que somente as partes verdes das plantas restauram o ar e que o Sol por si só não tem o poder de fazêlo sem a cooperação das plantas Essa idéia de que a fotossíntese tem o papel de purificar o ar corresponde a um obstáculo representado pelo conhecimento pragmático que explica os fenômenos em termos utilitários como uma função designada Outros cientistas posteriores a discussão da nutrição vegetal fora Joseph Priestley 1733 1804 sendo um dos temas que revolucionou a química contribuindo com a fisiologia natural expôs um ramo de hortelã ao ar que queimara uma vela de cera decorridos alguns tempos podia ser queimado outra vela Na época Priestley acreditara ter descoberto um método de restaurar o ar viciado pela queima das velas Concluirá na época que a natureza seria um meio de restaurar o ar sujo provocado pela queima das velas O médico holandês Jan Ingenhousz 17301799 quem propôs a primeira fórmula empírica da fotossíntese CO2 H2O energia CH2O O2 Embora a sua grande contribuição errou em afirmar que a produção de oxigênio vinha da molécula de dióxido de carbono e não da água Início do século passado Van Niel 1930 é o primeiro pesquisador a suspeitar da origem do oxigênio Nas bactérias sulfurosas o dióxido de carbono não produzia oxigênio Presenciara que as bactérias sulfurosas produzem carboidratos a partir do dióxido de carbono mas não produzem oxigênio e sim glóbulos de enxofre CO2 2H2S CH2O H2O 2S LUZ Niel extrapolou estes resultados de forma ousada e especulativa propondo que nas algas fotossintetizantes e plantas verdes superiores era a água a molécula partida e não a de dióxido de carbono ou seja o oxigênio liberado seria proveniente da água m 1937 Robin Hill obtém oxigênio utilizando cloroplasto na ausência de gás carbônico Anos posteriores pesquisadores comprovaram o proposto por Niel O ano de 1941 é considerado uma revolução para o estudo de fotossíntese pois é nesse ano que temos a marcação com elementos radioativos é proposta uma equação genérica correta a respeito do tema 6CO2 12H2O C6H12O6 6H2O 6O2 A luz na fotossíntese De acordo com Taiz Zeiger 2004 a energia total do sol que representa os 100 é perdida de várias maneiras chegando somente 5 para a produção de carboidrato Dos 100 da energia solar total 60 são ondas não absorvíveis sendo que 8 perda por reflexão e transmissão sendo mais 8 perda de dissipação de calor no metabolismo da planta é gasto 19 restando somente 5 é convertido para o carboidrato A luz tem como principal cientista o Isaac Newton 16421727 e James Clerk Maxwell 18311879 ambos trabalharam com as propriedades da luz suas idéias para o estudo da fotossíntese é que Quanto menor o comprimento da onda maior a sua energia reciprocamente quanto maior o comprimento da onda menor é sua energia e Demonstrou que a luz é uma pequena parte de um vasto espectro contínuo de radiação O espectro eletromagnético e assim para a fotossíntese o comprimento de ondas de 680 a 700 nem é feixe excelente para a realização da fotossíntese o espectro eletromagnético A luz na clorofila excita a molécula aceptora de elétrons tendo propriedades redox dos estados bases e excitados da clorofila do centro de reação Taiz Zeiger 2004 ver figura 1 12 Clorofila em estado base Clorofila em estado excitado Luz Figura 1 Representação da clorofila em estado base onde temos mau agente redutor e oxidante após a luz temos bom agente redutor e oxidante Os proplastídeos e a formação do cloroplasto O proplastídeos são células indiferenciadas que de acordo com os estimulos ambientais e com a natureza da planta diferencia para determinado plastídeos Os plastídeos temos de várias denominações já diferenciados são chamamos etioplasto cloroplasto leucoplasto Os nomes advém das estruturas dos compostos de armazenamento Os cromoplastos armazenam estruturas pigmentares já os cloroplastos armazenam clorofilas e leucoplasto armazenam vários compostos orgânicos tais como amido amiloplasto proteína proteinoplasto lípidios eleoplasto e outros O cromoplasto contém pigmentos não possuem clorofila e sintetizam e retém pigmento do grupo dos carotenóides Exemplo é a cenoura Os carotenoídes e as ficolbilinas tem a função antioxidante dessa forma previne danos fotooxidativos as moléculas de clorofila ou seja sem os carotenóides não haveria fotossíntese Os cloroplasto é uma organela presente nas células das plantas e de outros organismos fotossíntetizadores tais como nas algas e alguns protistas Possui clorofila como seu pigmento Temos três tipos de clorofila sendo a clorofila a ocorre em todos os eucariontes fotossintetizantes e cianobactérias tendo como função transformar a energia luminosa em energia química A clorofila b tem um espectro de absorção ligeiramente diferente da clorofila a possui pigmento acessório que serve para ampliar o feixe de luz A clorofila c substitui a clorofila b em algumas cituações em diatomáceas O leucoplasto são plastídeos maduros menos diferenciados que perdem seus pigmentos e não apresentam um sistema de membranas internas elaborada formandose assim os óleos e proteínas Exemplo é a batata Fase Clara e Fase Escura da fotossíntese Nos escritos de Raven 2002 o mais ativo tecido fotossintético em plantas superiores é o mesófilo das folhas Células mesofílicas possuem pigmentos especializados para a captação da luz as clorofilas Na fotossíntese a planta usa a energia do sol para oxidar a água e assim produzir oxigênio e para reduzir o CO2 produzindo compostos orgânicos rincipalmente açúcares A série completa de reações que culmina na redução do CO2 inclui as reações nas tilacóides e as reações de fixação de carbonos As reações nas tilacóides produzem compostos ricos em energia ATP e NADPH os quais são usados para a síntese de açúcares nas reações de fixação de carbono Esses processos de síntese ocorrem no estroma do cloroplasto a região aquosa que circunda as tilacóides No cloroplasto a energia da luz é captada por duas diferentes unidades funcionais chamadas fotossistemas A energia luminosa absorvida é usada para fornecer força à transferência de elétrons ao longo de uma séria de compostos que atuam como doadores e aceptores de elétrons A maioria dos elétrons reduz NADP em NADPH A energia da luz também é usada para gerar uma força motiva de prótons ao longo da membrana tilacóides força essa usada para a síntese de ATP O Complexo da Antena O complexo da antena é um centro de reação que consiste em moléculas de pigmentos que agregam a energia luminosa para o centro de reação O centro de reação é constituído de um complexo de proteínas e moléculas de clorofila que possibilitam a conversão de energia luminosa em energia química Nesses fotossistemas é capaz de absorver fótons o importante do complexo é que somente 13 molécula de clorofila a está localizada na parte central do centro de reação do fotossístema Além da clorofila a outros pigmentos fazem parte da rede tais como clorofila b e c e os carotenóides Embora a fotossíntese Delizoicov et al 1990 envolva uma série complexa de reações químicas é possível entendêla de forma bem clara com dois desenhos que foram usadas num curso de formação continuada de formação de professores que foram muito bem sucedidos e utlizados posteriormente nas aulas de fisiologia vegetal A figura 2 representa as reações que ocorre na menbrena do tilacóide os dois fotossistemas trabalham juntos o fluxo de elétrons da fosforilação chamado de esquema ziguezague mostra a via de transferencia do elétron da H2O para o nível de energia necessária para reduzir NADP que ocorre durante fluxo de elétrons acíclico assim como as relações energéticas Para elevar a energia do elétron da H2O para o nível de energia para reduzir NADP a NADPH cada elétron precisa ser energizado duas vezes H 3C H 3C O O R R O H 3C H 3C R OH H 3C H 3C e 1 e 2 H O OH Quinona Q Plastosemiquinona Q Plastohidroquinona QH 2 P 680 PS II QH 2 H 2O O 2 H Q H H H H H H H H H H 2 e NADP redutase Fd 2e H NADP NADP H H H H H H H H H ADP P ATP A B C D 2 e 2 e E F P 700 PS I G H I J Figura 2 Representação esquemática da Fase Clara onde temos em A representação do fosfolipídio temos uma camada dupla de glicolipídios sendo B as estruturas de membranas chamados de fotossístema II onde ocorre a fotólise da água O complexo C é o pastoquinona onde ocrre o transporte de életrons representadoquinona plastosemiquinona e plastohidroquinona O D é a cadeia intermediária de transportadores de életrons E é a plastocianina F é o fotossístema I G é a membrana do tilacóide H e I é o complexo da antena e o J ATP sintetase A produção de ATP A fase fotoquímica fase luminosa ou fase clara Raven 2002 é a primeira fase do processo fotossintético A energia luminosa é captada por meio de pigmentos fotossintetizantes capazes de conduzila até o centro de reação Tal centro é composto por um complexo de clorofila também denominado P700 porque absorve a onda luminosa com 700 nanometros de comprimento Os elétrons excitados da P700 saem da molécula e são transferidos para uma primeira substância aceptora de elétrons a ferredoxina Esta logo os transfere para outra substância e assim por diante formando uma cadeia de transporte de elétrons Tais substâncias aceptoras estão presente na membrana do tilacóide Nessa transferência entre os aceptores os elétrons vão liberando energia gradativamente e esta é aproveitada para transportar hidrogênio iônico de fora para dentro do tilacóide reduzindo o pH do interior deste A redução do pH ativa o complexo protêico ATP sintetase representado na figura 2 e 3 O fluxo de hidrogênios iônicos através do complexo gira em seu interior 14 promovendo a fosforilação de moléculas de adenosina difosfato dando origem à adenosina trifosfato representado na figura 3 Existe uma outra forma de fosforilação a fotofosforilação acíclica onde os elétrons das moléculas de clorofila P700 excitados pela luz são captados pela ferredoxina mas ao em vez de passarem pela cadeia transportadora são captados pelo NADP nicotinamida adenina dinucleotídeo Fosfato e não retornam para o P700 Este fica temporariamente deficiente de elétrons Esses elétrons são repostos por outros provinientes de outro fotossistema onde o par de clorofilas a dessa vez P680 excitado pela energia luminosa libera elétrons que são captados por uma primeira substância aceptora a plastoquinona Em seguida passa aos citocromos e plastocianina até serem captados pelo P700 que se recompõe Este processo de transporte também promove a síntese do ATP Já o P680 fica deficiente de elétrons Esses elétrons serão repostos pela fotólise da água A quebra da molécula da água por radiação fotólise da água produz iôns de hidrogênios A figura 3 mostra a estrutura molecular ATP Adenosina trifosfato e a ADP adenosina difosfato como é a formação de ADP em ATP pela enzima ATPsintetase e com á agua que temos a formação de ADP tendo a formação de ácido fosofórico e íons de hidrogênio N H C C N H 2 C C N N C H P O O O O P O O C H 2 O P H O H O H H H H H H H O H O H H P O O C H 2 O P O C C N N C H N H C C N H 2 A T P H 2O H P O 4 2 H A D P H H H A T P A D P P H J H H H H H H O O O O O O Figura 3 Representação das moléculas adenosina trifosfato reagindo com a água formando a adenosina difosfato e o J representação da proteína de membrana a ATPsintetase REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS TAIZ L ZEIGER E Fisiologia vegetal Porto Alegre 3ª edição Artmed 2004 RAVEN PH EVERT RF EICHHORN S Biologia vegetal Tradução de Jane Elizabeth Kraus 6ed Rio de Janeiro Guanabara Koogan 2001 ALMEIDA R O Noção De Fotossíntese Obstáculos Epistemológicos Na Construção Do Conceito Científico Atual E Implicações Para A Educação Em Ciência Revista Candomba 2005 DELIZOICOV D ANGOTTI J A Metodologia de Ensino de Ciências São Paulo 2000 1 Nícolas Fernandes Martins Universidade Federal de São CarlosUFSCAR Email nicolasscpgmailcom