Slide - Etapa Fotoquímica da Fotossíntese - 2022-2

BROETTO 2022 Universidade Estadual Paulista Julio de Mesquita Universidade Estadual Paulista Julio de Mesquita Filho Filho Instituto de Biociências Instituto de Biociências FOTOSSÍNTESE FOTOSSÍNTESE ETAPA FOTOQUÍMICA ETAPA FOTOQUÍMICA BROETTO 2022 INTRODUÇÃO Fotossíntese é um processo bioquímico onde as plantas transformam energia luminosa em energia química. O processo pode ser subdivido em duas etapas: Fotoquímica e Bioquímica. A etapa fotoquímica é dependente de luz, que na biosfera é suprida pela luz solar. Reação : Excitação de moléculas de clorofila e outros pigmentos alocados na membrana tilacóide dos cloroplastos, produzindo NADPH e ATP. A etapa bioquímica é representada pelos eventos de seqüestro de carbono no Ciclo de Calvin. BROETTO 2022 A absorção da luz excita moléculas: Se um quantum for absorvido, ocorre a impulsão de 1 elétron para a camada superior (nível de energia maior) para manter a estabilidade do átomo; Se a fonte de luz se extingue, os elétrons de maior energia retornam aos orbitais originais (estado básico). Neste retorno, ocorre emissão de luz (fluorescência) + calor . A LUZ Em moléculas de clorofila: A luz visível (h) não produz fluorescência (exceto quando ocorre fotoinibição); Elétrons são expulsos da molécula excitada e captados por uma cadeia conectante de transporte de elétrons, ao longo da membrana dos tilacóides, promovendo a redução de NADP e induzindo a atividade da ATP sintetase. BROETTO 2022 CLOROPLASTOS Membranas Tilacóide : Contem os pigmentos e proteínas das reações da etapa fotoquímica; Estroma ou matriz : Contem as enzimas e proteínas da etapa bioquímica da fotossíntese. Pigmentos CLOROFILAS: São compostos por quatro anéis pirrólicos ligados ao Mg2+. A clorofila do tipo a contem um grupo metil (CH3) ligado ao anel pirrólico II. A Clorofila b ao contrário, possui um grupo aldeído, nesta posição. CAROTENÓIDES: São pigmentos acessórios, que absorvem luz em λ diferente da clorofila. Os mais comuns são do tipo β– carotenóides, os quais possuem duplas ligações capazes de absorver luz e emitir excitons, como as clorofilas. unesp BROETTO 2022 Cloroplasto (A) Chloroplast Inner envelope Outer envelope Stroma Granal thylakoids Stroma-exposed thylakoids Thylakoid lumen (B) unesp BROETTO 2022 CH3 CHO Chlorophyll a Chlorophyll b BROETTO 2022 ESPECTRO DE ABSORÇÃO DA CLOROFILA BROETTO 2022 FOTOSSISTEMAS Os pigmentos captadores de luz estão arranjados em aglomerados funcionais chamados fotossistemas (FS): Fotossistema I: Possui uma relação alta entre clor a /clor b Assim, é excitado por λ maior, em torno de 700 nm. Fotossistema II: Possui concentração de clor a = clor b. Assim, é excitado por λ menor que 680 nm. BROETTO 2022 Reação de Hill (in vitro) Robert Hill utilizou extratos de plantas para estudar o fluxo de elétrons: Folhas....extrato + mol. Aceptoras de H+ + luz O2 + H2 2 H2O + 2 A Luz 2 AH2 + O2 Onde : A = Aceptor artificial de H (2,6 – DCFIF - corante de Hill) AH2 = 2,6-DCFIF reduzido Fluxo de elétrons BROETTO 2022 FLUXO DE ELÉTRONS DURANTE A FOTOSSÍNTESE Após atingir as moléculas de pigmentos no fotossistema, o nível energético de 1 elétron será elevado. O éxciton migrará das moléculas captadoras para o centro de reações. BROETTO 2022 Fluxo de elétrons através do FS I Este perde elétrons para um receptor A0 (forma especial de clorofila, semelhante a feofitina do FS II) gerando A0 - e P700+; A0 - é agente redutor forte, passando seus elétrons para uma cadeia transportadora* em direção ao NADP+. P700 (centro de reações) ao ser excitado pela luz converte-se em excelente doador : P700 excitado ou P700* *Cadeia transportadora : Filoquinona (A1) aceita e- de A0 - e os repassa a uma proteína Fe – S; A Ferredoxina (Fd) será o próximo transportador: por mudança de valência de seu centro férrico (Fe2+ para Fe3+), repassa os elétrons para o NADP+ através da catálise da enzima Ferredoxina NADP+ – oxidoredutase, formando por fim o NADPH BROETTO 2022 Recomposição das vacâncias eletrônicas no FS I Os experimentos de Emerson (década de 40, USA) postularam a existência de um segundo fotossistema, que poderia recompor as vacâncias eletrônicas produzidas pela luz no FS I (P700). Concluiu que os cloroplastos deveriam possuir outro centro de reações absorvendo luz abaixo de 700 nm, já que observou um efeito de “queda no vermelho”, quando os cloroplastos foram iluminados com λ próximo a 700 nm. Este foi elucidado e chama-se FS II, baseado no centro de reações P680, o qual conecta-se ao FS I através de uma cadeia conectante de transporte de elétrons. BROETTO 2022 EXPERIMENTO COM EXCITAÇÃO DE PIGMENTOS EM SUSPENSÃO DE CLOROPLASTOS LIVRES BROETTO 2022 CENTRO DE REAÇÕES DO FS I BROETTO 2022 CENTRO DE REAÇÕES DO FS II BROETTO 2022 Cadeia conectante de elétrons entre os fotossistemas O centro de reações excitado do FS II (P680*) transfere os elétrons para a FEOFITINA ; forma-se então a feofitina reduzida com carga negativa ou Pheo- . P680* passa para o estado de radical catiônico P680+. Pheo- passa e- para PQA (plastoquinona A) e desta os e- são transferidos para PQB . Com mais 2 prótons da fotólise da água, PQB fica totalmente reduzido na forma de quinol ou PQBH2 . A passagem de e- de PQBH2 para P700, ocorre através do complexo CITOCROMO b6 f . Os e- são transferidos do PQBH2 para o citocromo f (Cit f ou Cit c552) passando inicialmente por uma proteína Fe – S . Do Cit f, os elétrons reduzirão a Plastocianina (contem centros de cobre), a qual fará a tansferência final para o P700. BROETTO 2022 ESQUEMA Z DE TRANSPOSTE DE ELÉTRONS DURANTE A FOTOSSÍNTESE BROETTO 2022 Indução da ATP sintase durante a formação da cadeia conectante Com a transferência de elétrons para o Cit f, um elétron fluirá do PQBH2 em direção do Cit b6, formando o ciclo Q, já que o elétron será devolvido para PQB. Este fluxo, induz ao bombeamento de 4 prótons (4 H+ ) do estroma em direção ao lúmen do tilacóide, formando um gradiente elétrico e químico. Por causa do pequeno volume do tilacóide, o influxo de uma pequena quantidade de prótons (4) causa grande efeito sobre o pH no lúmen. A diferença do pH do estroma (pH 8,0) e do lúmen (pH 5,0) representa uma diferença de 1000 vezes a concentração de prótons. Isto é suficiente para induzir a ATP sintase. BROETTO 2022 FOTÓLISE DA ÁGUA Reposição de vacâncias produzidas nas moléculas do FS II Para a Fotólise da Água, são requeridos 4 fótons segundo a reação: 2 H2O 4 H+ + 4 e- + O2 Os 4 e- produzidos não podem ser repassados diretamente para P680, o qual só pode aceitar um elétron por vez. Assim, o doador imediato desses elétrons para o P680 é um resíduo de tirosina (Tyr Z ou compostro Z) localizado na proteína D1 do FS II. O resíduo de tirosina recupera os elétrons vacantes de um agregado de 4 íons Mn, no complexo de cisão da água [Complexo Mn]4+ + H2O [Complexo Mn] 0 + 4H+ + O2 BROETTO 2022 FOTOFOSFORILAÇÃO Fotofosforilação Acíclica: Ocorre pelo movimento de prótons no Cit b6f envolvendo os dois fotossistemas, quando os elétrons irão fluir da água em direção ao NADP. Fotofosforilação Cíclica : Ocorre apenas em nível do FS I sem no entanto produzir O2 ou NADPH. Os elétrons fluem da Ferredoxina para o complexo Cit b6f e deste para a Plastocianina a qual irá finalmente recompor vacâncias provocadas pela luz no P 700. unesp BROETTO 2022 ADP + Pi ATP CF1 CF0 H+ H+ ATP SINTASE Stroma Lumen BROETTO 2022 COMPLEXO CFO – CF1 DA ATP SINTASE