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Fotossíntese

As plantas são seres autótrofos. Graças à presença de clorofila em suas folhas, elas são capazes de captar energia luminosa do sol

Fisiologia da Nutrição

Conforme o tipo de nutrição os seres vivos são classificados em autótrofos e heterótrofos.

Autótrofos são os seres que podem, partindo de produtos minerais simples, produzir os seus próprios alimentos, que são substâncias orgânicas mais ou menos elaboradas.

Heterótrofos são os seres que, não podendo sintetizar produtos orgânicos, utilizam alimentosa elaborados por outros.

Os seres autótrofos são também chamados de produtores e os heterótrofos de consumidores.

Autotrofismo

Os seres autótrofos são classificados, dependendo da fonte de energia que usem para produzir seus alimentos, em fotossíntetizantes e quimiossintetizantes.

Quimiossíntese

É um processo realizado por organismos primitivos, como algumas bactérias e algas, que produzem os seus alimentos utilizando energia proveniente de reações químicas.

Fotossíntese

É o processo de síntese orgânica realizado por vegetais portadores de clorofila, que lhes permite produzir os seus alimentos utilizando-se da energia da luz.

Luz e Fotossíntese

A luz é uma forma de energia eletromagnética emitida pelo Sol ou por fontes artificiais produzidas pelo homem, com comprimento de onda compreendido entre 390 a 760 nanometros.

Passada através de um prisma, a luz é decomposta em comprimentos de onda menores, que nos dão as diversas cores: violeta, azul, verde, amarelo, laranja e vermelho (na ordem crescente de comprimento de onda).

Destes diversos comprimento de onda ou cores, o azul e o vermelho são os que os vegetais aproveitam melhor. Isto pode ser comprovado pela experiência de Engelmann, ilustrada abaixo.

Uma alga verde foi iluminada por luz de diversos comprimentos de onda em um ambiente cheio de bactérias aerófilas. Como este gás é produzido no processo fotossíntético, podemos verificar que as bactérias se acumulam nas partes da alga iluminadas pelo vermelho e pelo azul, o que demonstra que nestes locais foi produzido Oxigênio

Fórmula das principais clorofilas:

C55H72O5N4Mg —- de cor verde azulada

C55H70O6N4Mg —- de cor verde amarelada

Reação da Fotossíntese

6CO2+12H2O+673.000cal -> C6H12O6+6H2O+6O2

Para que esta reação ocorra, são necessárias duas fases, ou etapas, controladas por diversas enzimas:

Etapa fotoquímica ou Clara

Nesta etapa, que é conhecida como “fotólise da água”, acontecem duas coisas:

1) a decomposição das moléculas de água (fotólise) com a liberação de O2, que é vai para a atmosfera.

2) formação de dois compostos, o ATP e o NADPH2, onde fica armazenada a energia da luz

Etapa química ou escura

Conhecida também como ‘ciclo de Calvin” ou “ciclo das pentoses”. Nesta fase, os dois produtos ATP e NADPH2 produzidos na primeira fase, que em conjunto são conhecidos como “o poder assimilatório”, são utilizados para a assimilação do CO2 do ar e formação de moléculas de um açucar simples que é a glicose.

As plantas são seres autótrofos. Graças à presença de clorofila em suas folhas, elas são capazes de captar energia luminosa do sol e utilizá-la na síntese de moléculas orgânicas, que lhes servirão de alimento. Esse processo, que será explicado a seguir, é chamado de fotossíntese.

6 CO2 + 12 H2—-luz—+–clorof—-> C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2

formas especiais de fotossíntese

Nas bactérias podem ocorrer dois tipos característicos de fotossíntese em que, na primeira fase, em substituição da água, que funciona como um doador de elétrons, são usados ou o H2 ou o H2S.

Modos de medir e demonstrar a fotossíntese

Pelo aparelho abaixo podemos verificar que uma planta aquática iluminada desprende bolhas de oxigênio que pode ser coletado pelo tubo de ensaio colocado acima.

Nesta experiência, quanto mais perto a luz (aumento de intensidade) mais bolhas saem.

O bicarbonato de sódio acrescentado faz aumentar o teor de CO2 na água, o que provoca o aumento do número de bolhas.

Outra maneira de se provar a fotossíntese é deixar uma planta alguns dias no escuro, de maneira que gaste todo o seu amido de reserva. Colocada no ar e parcialmente coberta, de forma que apenas uma pequena parte de sua superfície receba luz, verificar-se-á que apenas a parte exposta faz fotossíntese, produzindo glicose, que será armazenada na forma de amido.

Isto pode ser comprovado se, após fervermos a planta em alcool, para extrair a cutícula e a clorofila, passarmos IODO ou LUGOL sobre ela. Veremos que os lugares que receberam luz e produziram amido ficaram arroxeados enquanto que os outros não.

fotossíntese e respiração

A fotossíntese e a respiração são duas reações opostas uma à outra: enquanto a primeira armazena energia e produz alimentos, a segunda libera energia e gasta alimentos.

Reação da fotossíntese

6CO2+12H2O+673.000cal -> C6H12O6 +6H2O+6O2

Reação da respiração

C6H12O6 +6H2O+6O2 -> 6CO2+12H2O+673.000cal

Ponto de compensação

A fotossíntese é influenciada pela luz enquanto que a respiração, via de regra, não o é.

Desta forma podemos traçar o seguinte gráfico:

O ponto em que, dada uma intensidade luminosa, a fotossíntese e a respiração se equivalem denomina-se ponto de compensação.

Plantas que têm um ponto de baixo, com pouca luz, podem viver em ambientes sombreados e são chamadas de umbrófilas, enquanto que as que precisam de bastante luz para atingir o ponto de compensação só podem sobreviver em ambientes bem iluminados e são chamadas de heliófilas.

Os Cloroplastos:

Nos cloroplastos ocorre a reação da mais fundamental importância para a vida das plantas e, indiretamente, para a vida dos animais: a fotossíntese. Os cloroplastos são geralmente discoidais. Sua cor é verde devido a presença de clorofila. No seu interior existe um conjunto bem organizado de membranas, as quais formam pilhas unidas entre si, que são chamadas de grana. Cada elemento da pilha, que tem o formato de uma moeda, é chamado de tilacóide. Todo esse conjunto de membranas encontra-se mergulhado em um fluído gelatinoso que preenche o cloroplasto, chamado de estroma, onde há enzimas, DNA, pequenos ribossomos e amido. As moléculas de clorofila se localizam nos tilacóides, reunidas em grupos, formando estruturas chamadas de “complexos de antena”.

Ciclo de Calvin

A molécula de CO2 se liga ao “suporte” de RDP desencadeiando um ciclo de reações no qual se formam vários compostos de carbono. Para formação de uma molécula de glicose é necessário que ocorram 6 ciclos destes. Os átomos de Hidrogênio da água são adicionados a compostos de carbonos, obtidos a partir de CO2, havendo uma redução de gás, com produção de glicose.

Plantas C 4

O mecanismo de fixação do CO2 não representa o único, descoberto por Calvin, utilizado pelas plantas verdes para fixar este elemento. Em 1960, foram encontradas evidências de que o primeiro produto fotossintético da cana de açúcar não era o PGA de 3 carbonos, mas um composto de 4 carbonos. Este aspecto se distingue das plantas C 3 nas quais o produto intermediário da fotossíntese é um composto de 3 carbonos, o PGA.

Plantas Canr

Um terceiro modo de fixação, a fotossíntese com metabolismo ácido, evoluiu independentemente em muitas plantas como os cactos. Utiliza-se também moléculas de 4 carbonos. Nestas plantas, os ácidos málicos e isocítrico acumulam-se nas plantas durante a noite e são novamente convertidos em gás carbônico na presença de luz. Este processo é claramente favorável em codições de alta luminosidade e escassês de água. Estas plantas dependem muito deste processo, pelo fato de seus estômatos estarem fechados durante o dia a fim de retardar a perda de água. As células estomáticas são as únicas células epidérmicas que fazem fotossíntese e produzem glicose.

Fatores que afetam a fotossíntese

A fotossíntese é afetada por vários fatores, tais como a intensidade luminosa, a temperatura e a concentração de gás carbônico no ar. Por exemplo: em uma planta mantida em um ambiente com temperatura e concentração de CO2 constantes, a quantidade de fotossíntese realizada passa a depender exclusivamente da luminosidade

 

Fotofosforilação

Fotofosforilação é o processo de converter a energia de um elétron excitado pela luz em uma ligação de pirofosfato de uma molécula de ADP. Isto acontece quando os elétrons da água estão excitados pela luz na presença de P680 . A transferência de energia é semelhante ao transporte quimiosmótico de elétrons que acontece na mitocôndria. A energia clara causa a remoção de um elétron de uma molécula de P680 que é parte do fotossistema I I . Os P680 requerem um elétron que é retirado de um a molécula de água e divide-a em íons H+ e 2 O− . Estes íons 2 O− combinam se para formar e liberar o diatômico O2 . O elétron é impulsionado a um estado de energia mais alto e é preso a um receptor primário de elétrons que começa uma série de reações de redox e passa o elétron por uma série de portadores, para finalmente prendê-lo eventualmente a uma molécula no fotossistema

I . A luz funciona em uma molécula P700 no fotossistema I , causando a impulsão de um elétron para um nível potencial mais alto. O elétron prende-se a um aceptor primário de elétrons, diferente do associado com o fotossistema

I I . O elétron é passado novamente por uma série de reações de redox, sendo preso eventualmente a NADP+ e H+ para formar NADPH. O elétron do fotosistema I I substitui o elétron excitado na molécula P700 . Há assim um fluxo contínuo e elétrons da água para o NADPH. Esta energia é usada na Fixação de Carbono. O fluxo cíclico de elétrons acontece em alguns eucariontes e bactérias fotossintéticas primitivas.

Nenhum NADPH é produzido, só ATP. Isto acontece quando as células podem requerer ATP adicional, ou quando não há nenhum NADP+ para se reduzir a NADPH.

No fotosystem a I I , o bombeamento de íons H+ no tilacóide e a conversão de ADP + P em ATP é dirigido por gradientes de elétrons estabelecidos na membrana do tilacóide. 

As Halobactérias que crescem em água extremamente salgada são facultativamente aeróbicas, elas podem crescer quando o oxigênio está ausente. Os pigmentos purpúreos, conhecidos como retinais (um pigmento também encontrado no olho humano) age de forma semelhante a clorofila. O complexo retinal e proteínas da membrana é conhecido com o bacteriorodopsina que gera elétrons que estabelecem um gradiente de prótons, que dá poder a um a bomba de ADP-ATP gerando ATP à partir da luz solar sem clorofila. Isto apóia a teoria que os processos quimiosmóticos são universais na capacidade de gerar ATP. 

As reações de fixação de carbono, são também conhecidas como Reações Escuras (ou Reações Independentes da Luz). O dióxido de carbono não entra em utótrofos unicelulares e aquáticos por nenhuma estrutura especializada. As plantas terrestres têm que se proteger contra a falta de água e assim células especializadas conhecidas como estômatos evoluem para permitir que o CO2 entre e saia da folha. O Ciclo de Calvin ocorre no estroma dos cloroplastos. O CO é capturado pelo 2 bifosfato de ribulose (RuBP) que é um a cadeia 5-C. Seis moléculas de CO entram 2 no Ciclo de Calvin e produzem eventualmente uma molécula de glicose. As reações neste processo foram desenvolvidas por Melvin Calvin.

Melvin Calvin estudou com postos orgânicos marcadas com carbono-14, ele se encarregou deste trabalho ao término da 2ª guerra para prover material para as pesquisas de John Lawrence e para o seu próprio estudo de fotossíntese. Usando o carbono-14, disponível em abundância em reatores, e valendo-se de técnicas de trocas iônicas, Calvin e seus auxiliares traçaram o caminho completo do carbono na fotossíntese. A realização lhe valeu o prêmio Nobel de química em 1961. 

O primeiro produto estável do Ciclo de Calvin é o fosfoglicerato (PGA), um a substância química 3-C . A energia do ATP e a energia gerada pelos portadores de NADPH são usadas nos fotosistem as para prender o fosfato (fosforilato) no PGA.

Eventualmente há 12 moléculas de fosfato de gliceraldeído (também conhecido com o fosfogliceraldeído ou PGAL, 3-C) dois dos quais são removidos do ciclo para produzir glicose. As moléculas de PGAL restantes são convertidas, através de energia do ATP, em 6 moléculas de RuBP, e assim começa o ciclo novamente. 

Lembre-se da com plexidade da vida, cada reação neste processo, com o no Ciclo de Krebs, é catalisada por uma enzima específica diferente.

O Caminho C-4

Algum as plantas desenvolveram um passo preliminar ao Ciclo de Calvin  (que também é chamado de caminho C-3), este passo de preâmbulo é conhecido com o C-4. Enquanto a maioria da fixação de carbonos com eça com o RuBP, os C-4 começam com uma molécula nova, fosfoenolpiruvato (PEP), um a ubstânciaquímica 3-C que é convertida em ácido de oxaloacético (AOA, um a substância química 4-C) quando o CO é com binado com o PEP. O AOA é convertido em Ácido 2 Málico e então é transportado da célula do mesófilo para as células da bainha (as células que envolvem as estruturas vasculares no interior das folhas), onde o AOA é quebrado em PEP m ais CO . O gás carbônico entra no Ciclo de Calvin, com o PEP 2 sendo então devolvido à célula do mesófilo. Os açúcares resultantes são agora adjacentes aos veios das folhas e podem ser prontamente transportados ao longo da planta.

A captura do CO pelo PEP é mediada pela enzima PEP-carboxilase que tem um a 2 afinidade mais forte por gás carbônico que a RuBP-carboxilase. Quando o nível de CO cai abaixo do patamar da RuBP-carboxilase, o RuBP é catalisado com oxigênio 2 em vez de gás carbônico. O produto daquela reação forma ácido glicólico, uma substância química que pode ser “quebrada” através da fotorrespiração e não pode ser produzido nem NADH nem ATP, cujo efeito destrói o Ciclo de Calvin . As plantas C-4 que freqüentem entre crescem juntas, têm que se ajustar a níveis baixos de CO , elevando-se a concentração de 2 CO artificialmente em certas células para 2 prevenir a fotorrespiração. As plantas C-4 evoluíram nas regiões trópicas e são adaptadas a temperaturas mais altas que as plantas C-3 achadas a latitudes mais altas. As plantas C4 comuns incluem a grama e a cana de açúcar. Note também que o AOA e o Ácido Málico têm funções em outros processos, assim estas substâncias químicas estão presentes em todas as plantas. 

O Ciclo de Carbono

As plantas podem ser vistas com o depósitos de carbono, podendo remover CO2 da  atmosfera e oceanos e fixando-o em substâncias químicas orgânicas. As  plantas também produzem algum gás carbônico pela sua respiração, mas isto é rapidamente consumido através da fotossíntese. Plantas também convertem energia da luz em energia química de ligações C-C covalentes. Os Animais são produtores de CO que derivam a sua energia de carboidratos e outras substâncias 2 químicas produzidas por plantas pelo processo de fotossíntese. 

O equilíbrio entre a rem oção de gás carbônico pelas plantas e geração de gás carbônico pelos animais também é igualada pela formação de carbonato nos oceanos. Isto remove o excesso de gás carbônico do ar e água (ambos têm que estar em equilíbrio em relação ao gás carbônico). Com bustíveis fósseis, com o petróleo, carvão, e a madeira geram gás carbônico quando queimados. Os combustíveis fósseis são formados em última instância através de processos orgânicos, e também representam um tremendo depósito de carbono. A atividade humana aumentou grandemente a concentração de gás carbônico no ar.

Este aumento conduziu ao aquecimento global, um aumento nas temperaturas ao redor do mundo, o Efeito Estufa. O aumento das concentrações de gás carbônico e outros contaminantes produziram no ar a chuva ácida onde a água cai no ar poluído e quim icam ente se combina com gases carbônicos, óxidos nitrosos, e óxidos de enxofre, produzindo uma chuva com pH tão baixo quanto 4. Isto resulta em matanças de peixes e mudanças no pH da terra que pode alterar a vegetação natural e usos da terra. O problema do Aquecimento Global pode conduzir ao degelo das calotas polares no pólo Norte e na Antártida o que pode elevar o nível do mar em pelo menos 120 metros. Mudanças no nível do mar e sua temperatura afetariam o clima, alterando a produção de gêneros agrícolas e os padrões de chuva

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