(23) M2 EB U12 Oknead.uesc.br/arquivos/Biologia/bloco2/M2_EB_U12.pdf · energia, como por exemplo, a geração de biomassa por meio da fixação dos carbonos do CO 2 em compostos

EIX

O B

IOLÓ

GIC

O

I. Introdução

II. Fotossíntese

III. Quimiossíntese

IV. Referências

Processos Biológicos na Captação e Transformação de Matéria e Energia – Metabolismo energético I: Fotossíntese e Quimiossíntese

Unidade 12

Autora: Professora Consuelo Medeiros Rodrigues de Lima

430 Módulo II — Processos biológicos na captação e na transformação da matéria e da energia

Você, prezado(a) aluno(a), que está adquirindo conhecimentos na área biológica, já pensou na definição de vida? Será que já existe uma definição exata desse fe-nômeno? O estudo da vida, na verdade, da manutenção de um “estado” que nós

chamamos de vida, sempre foi e sempre será foco natural do interesse dos cientistas. Murphy e O’Neill fazem uma abordagem interessante desse tema no livro O que é vida?, o qual menciono como importante sugestão de leitura.

Além disso, o estudo do conteúdo do Módulo 1 e a leitura do texto-base des-te módulo, certamente, estimularam-no a refletir sobre as questões relativas à vida e endereçaram-no à busca de informações sobre tal tema. Essa atividade enriquecerá, e muito, sua capacidade de compreensão de cada uma das unidades deste módulo.

Atividade complementar 11. Reflita sobre a seguinte frase:

“O conhecimento adquirido por meio das investigações na área bio-

lógica permite a identificação de características comuns à matéria

animada, aos seres vivos.”

Aproveite essa questão para pesquisar e elaborar uma lista das características dos seres vivos.

2. Com as características listadas por você, vamos fazer um outro exercício reflexivo.

Carl Sagan foi um dos cientistas que ajudou na elaboração das mensagens sobre a vida no planeta Terra, as quais foram lançadas no espaço por meio da Pioneer 10 e 11 (em 1972 e 1973, respectivamente).

Se você precisasse explicar “o que é vida” para alguém que não conhecesse a Terra, como você faria? Redija uma carta de, no mínimo, uma lauda com essa explica-ção. Após essa atividade, discuta quais foram as facilidades e dificuldades que sentiu para cumprir a tarefa.

Para manter a vida, realizando as diversas funções biológicas, um organismo (ou mesmo uma célula) necessita de matéria e energia. Assim, antes de passar à leitura desta unidade, seria interessante reler o conteúdo da unidade 5 deste módulo, que trata das “estratégias de captura e obtenção de matéria pelos organismos”.

O conteúdo desta unidade pretende apresentar os processos básicos de síntese de biomoléculas utilizados pelos organismos, considerando a fonte de energia que dirige tal

#M2U12 I. Introdução

Consórcio Setentrional de Ensino a Distância 431

Biológico

P

BSC

B

ORGANISMOS AUTOTRÓFICOS ORGANISMOS HETEROTRÓFICOS

ORGANISMOS QUIMIOTRÓFICOS

ORGANISMOS AUTOTRÓFICOS

ORGANISMOS FOTOTRÓFICOS

processo. Para tanto, é importante que consideremos primeiro a classifi cação dos organis-mos de acordo com as fontes de matéria e de energia.

Em função da fonte de carbono, os organismos podem ser heterotrófi cos (do gre-go heteros, “outro”, e trophos, “alimentador”, isto é, “alimentados por outros”), os quais obtêm seus carbonos a partir de compostos orgânicos (mais reduzidos que o CO2), pro-duzidos por fontes externas ou autotrófi cos (que se “auto-alimentam ou nutrem”). Esses utilizam o CO2 como fonte única de carbono para a biossíntese celular. Animais, fungos e muitos organismos unicelulares, como a maioria das bactérias e protistas, são heterotrófi -cos, enquanto plantas, algas, cianobactérias e algumas bactérias são autotrófi cas.

Quanto à obtenção de energia os organismos podem ser fototrófi cos, se a fonte de energia para o metabolismo for a luz solar, ou quimiotrófi cos, se a energia é obtida a partir da oxidação de substâncias químicas. Se a substância química usada como fonte de energia for um composto orgânico (glicose, acetato, etc.), o organismo é denominado quimiorganotrófi co e se for inorgânica (como o íon amônio (NH4+), o H2S, o ferro ferroso (Fe2+), etc.), é quimiolitotrófi co.

Os organismos quimiorganotrófi cos são, invariavelmente, heterotrófi cos. Por ou-tro lado, muitos quimiolitotrófi cos e, praticamente, todos os fototrófi cos são autotrófi cos (Figura 1).

A maioria dos organismos autotrótrofi cos obtém energia para suas funções meta-bólicas a partir da luz e são denominados fotoautotrófi cos ou fotossintetizantes. Outros autótrofos obtêm energia a partir da oxidação de compostos inorgânicos e são denomina-dos quimioautotrófi cos ou quimiolitotrófi cos. Ambos os grupos são capazes de crescer em meio totalmente inorgânico.

Os fotoautotrófi cos compreendem um grupo bastante diverso, que inclui eucariotos (plantas superiores e algas) e procariotos (cianobactérias e outras bactérias), enquanto os qui-mioautotrófi cos compreendem apenas algumas espécies de bactérias e nenhum eucarioto.

Atividade complementar 2Agora, que tal tentar classifi car os seres humanos, a bactéria Escherichia coli e as cianobactérias utilizando as defi nições acima?

Figura 1: Organismos autotrófi cos, heterotrófi cos, quimiotrófi cos e fototrófi cos.

#M2U12



Ao realizar essa tarefa você poderá observar o compartilhamento de fontes de ener-gia e de carbono mesmo entre organismos tão diversos quanto o homem e uma bactéria.

Nós, humanos, por exemplo, somos classificados como quimioheterotróficos, mais especificamente, quimiorganotróficos, visto que utilizamos a energia conservada a partir da oxidação de compostos orgânicos.

De fato, no caso da fonte de energia ser um composto químico, ocorre a oxidação (remoção de elétrons) de tal composto e a conservação de parte da energia liberada na forma de coenzimas reduzidas (potencial redutor) e de adenosina trifosfato (ATP), um composto rico em energia (Figura 2).

Quando a fonte de energia é a luz solar, primeiro ocorre a conversão da energia dos fótons na energia química do ATP (e, muitas vezes, também em potencial redutor). A energia do ATP e também o potencial redutor são utilizados em processos que requerem energia, como por exemplo, a geração de biomassa por meio da fixação dos carbonos do CO2 em compostos orgânicos (como veremos posteriormente).

Dessa forma, podemos dizer que todos os organismos vivos compartilham a ne-cessidade de energia química na forma da molécula de ATP para realizar suas funções e que o processo de obtenção dessa forma de energia é a base para a clas-sificação dos organismos nos dois grandes grupos mencionados acima, quimiotró-ficos e fototróficos.

Entretanto, apesar das diferenças na fonte de energia, há uma característica comum na evolução de todos os sistemas viáveis: o ATP, gerado a partir de ADP e Pi, é um meio universal de troca de energia bioquímica; energia que pode ser usada para realizar o trabalho celular.

Neste ponto, caberia a análise da estrutura da molécula de ATP para ajudá-lo(a) a compreender sua função nos processos metabólicos.

Atividade complementar 3Pesquise e responda: que características tem a molécula de ATP que a habilita a exercer a função de “moeda metabólica”? Existem outras moléculas capazes de exercer tal função?

Essa diversidade nas fontes de energia e carbono envolve aspectos evolutivos inte-ressantes, inclusive os relacionados à competição por determinados nutrientes. Por exem-plo, os organismos que usam como fonte de energia compostos químicos inorgânicos, ao invés de compostos orgânicos, reduzem a questão da competição com organismos organotróficos com os quais convive. Além disso, podem aproveitar muitos compostos

Figura 2: Molécula do ATP (Adenosina Trifosfato).


Biológico

P

BSC

B

Saiba mais

Há, entretanto, certa versatilidade quanto às fontes de matéria e energia, permitindo que alguns organismos aproveitem o que estiver mais prontamente disponível em seu ambiente. Essa versatilidade reflete uma “competência metabólica” que resulta em aumento das chances de sobrevivência frente a mudanças em seu ambiente.

Tabela 1: Classificação de autótrofos e heterótrofos conforme a fonte de energia

Fonte de EnergiaDióxido de carbono (CO2)

(autotróficos)

Fonte de Carbono Fonte de Carbono

Compostos orgânicos (heterotróficos)

Substâncias Químicas

Quimioautotróficos

Bactéria do hidrogênio, bactéria sulfurosa incolor, bactéria nitrifi-

cante, bactéria do ferro.

Quimioheterotróficos

Animais, maiorias das bactérias, fungos, proto-

zoários.

Luz

Fotoautotróficos

Plantas verdes, maioria das al-gas, bactéria sulfurosa púrpura,

bactéria sulfurosa verde.

Fotoheterotróficos

Poucas algas e a bactéria não sulfurosa púrpura.

inorgânicos, como o H2S, gerados pelo metabolismo de organismos quimiorganotróficos e excretados para o meio. Tal estratégia, desenvolvida por determinados organismos qui-miolitotróficos, reflete uma forma de manutenção da vida que envolve a exploração de recursos não utilizáveis por outros organismos.

No caso dos organismos fototróficos, há a grande vantagem da disponibilidade da fonte de energia que utilizam (luz solar), além de não haver competição com os organis-mos quimiotróficos.

Em uma terminologia mais ecológica, os organismos autotróficos recebem também a denominação de produtores primários, visto que têm a capacidade de sintetizar matéria orgânica a partir de CO2, propiciando matéria e energia para os quimiorganotróficos e, também, para si mesmos.

A tabela 1 resume as informações referentes a tais classificações, considerando a natureza da fonte de energia e da fonte de carbono.

Como já mencionado, a energia química e a energia luminosa podem ser conserva-das nas células na forma de ATP e é esta forma de energia que dirige as reações biossinté-ticas e outros processos celulares que requerem energia (processos ativos). Vamos iniciar nossa empreitada conhecendo os mecanismos envolvidos no processo geral em que a fonte de energia é a luz, denominado fotossíntese.

É bem provável que você já tenha ouvido, inúmeras vezes, a palavra fotossíntese. Entretanto, talvez não tenha pensado no por que desse nome, na sua importância, quais organismos podem realizá-la, etc. Ou será que pensou? Afinal, esse é um dos temas mais instigantes da área biológica. De qualquer forma, boa parte do conteúdo desta unidade deverá ajudá-lo(a) a responder tais questionamentos e, é claro, a formular novas questões.

O desenvolvimento de organismos mais complexos na terra ocorreu atrelado à ca-pacidade de realizar a biossíntese; especialmente quando houve a aquisição da capacidade de absorver e aproveitar a energia luminosa (em princípio, fonte inesgotável de energia). Esse foi um evento evolutivo crucial, visto que permitiu o surgimento de sistemas vivos sustentáveis. Assim, um bom ponto de partida para entender a importância do processo fotossintético é a leitura de textos que apresentem uma perspectiva histórica desse tema (disponíveis na maioria dos livros-texto de bioquímica).

#M2U12 II. Fotossíntese

#M2U12



heterotróficofotoautotrófico

(Carboidato)

(CO2)

(O2)

(H2O)

Figura 3:Relação entre energia solar, os fototrófi cos e os heterotrófi cos.

Fotossíntese, de forma geral e bem resumida, é a síntese de compostos orgânicos a partir de CO2, utilizando a energia luminosa absorvida por pigmentos, especial-mente as clorofi las. Esse processo envolve a redução do CO2 e requer um doador de elétrons. Se esse doador for a H2O, resultará na liberação de O2 e o processo será designado fotossíntese oxigênica.

Plantas, cianobactérias e algas, por exemplo, realizam a fotossíntese oxigênica; des-ta forma, além de serem fonte de alimento e biomassa para os demais níveis trófi cos, tam-bém liberam oxigênio (O2), que fi ca disponível para organismos aeróbios. Caso o doador de elétrons seja outro composto, não haverá liberação de O2, caracterizando a fotossíntese anoxigênica. Isso ocorre, por exemplo, no caso da bactéria púrpura, que utiliza H2S como doador de elétrons, liberando enxofre elementar.

Relembrando, os organismos que realizam a fotossíntese são denominados fotos-sintetizantes ou fotoautotrófi cos, visto que utilizam a luz como fonte de energia e podem crescer tendo o CO2 como fonte única de carbonos. Plantas, algas (eucariotos unicelulares) e muitas bactérias (procariotos) são seres fotossintetizantes e realizam a fotossíntese atra-vés de mecanismos básicos essencialmente iguais, diferindo apenas em alguns detalhes. Em função da complexidade do processo e da relação mais direta que temos com as plan-tas, daremos ênfase à fotossíntese que ocorre nas células fotossintéticas de vegetais.

A energia luminosa é, efetivamente, a força que impulsiona a ciclagem de elemen-tos químicos essenciais aos organismos vivos, como o carbono e o oxigênio. A fi gura 3 ilustra a ciclagem de CO2 e O2 entre seres fotossintetizantes e heterotrófi cos e a luz solar como fonte primária de energia. Esse processo garante a manutenção da maio-ria dos organismos autotrófi cos (produtores de material orgânico), como também a dos consumidores heterotrófi cos.

Os organismos fotossintetizantes convertem a energia dos fótons de luz em ATP e potencial redutor (nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato na forma reduzida – NADPH) e usam essa energia para sintetizar compostos orgânicos, a partir de CO2 e H2O, liberando O2 para a atmosfera.

Os organismos heterotrófi cos com metabolismo aeróbio (que inclui o homem e as próprias plantas) obtêm energia na forma de ATP, utilizando o O2 atmosférico para oxidar os produtos ricos em energia, também oriundos do processo fotossintético.

Em resumo, na maioria dos sistemas biológicos, a síntese de moléculas orgânicas é dirigida, direta ou indiretamente, pela energia luminosa; um dos aspectos que refl ete a sua importância para os seres vivos.


Biológico

P

BSC

B

Membranaexterna

Membranainterna

Estroma

Tilacóide

Lamela

Espaço IntermembranasGrana (Pila de Tilacóides)

Fotossíntese em plantas

O processo fotossintético em vegetais ocorre em duas fases. A primeira envolve a absorção da energia luminosa e é denominada fase ou reações dependentes de luz, também conhecida como fase clara. A segunda é denominada fase ou reações de assimilação de carbono, também conhecida pela denominação equivocada (embo-ra amplamente difundida) de fase escura.

A primeira fase depende diretamente da incidência de energia luminosa, que é ab-sorvida pelas clorofilas e outros pigmentos e conservada nas moléculas de ATP e NA-DPH, com liberação de O2. A energia química do ATP e do NADPH é utilizada na segunda fase para dirigir a redução de CO2, gerando inicialmente trioses fosfato que poderão to-mar diversos caminhos metabólicos, principalmente a síntese de amido e sacarose, como também outros compostos orgânicos.

O processo geral de fotossíntese oxigênica pode ser representado pela equação abaixo, que descreve uma reação de oxido-redução, em que a H2O doa potencial redutor (elétrons) para a redução do CO2 a carboidratos:

Equação F1

CO2 + H2O + Energia Luminosa → O2 + (CH2O)

Em células eucarióticas fotossintéticas, tanto as reações de absorção de energia luminosa quanto a redução do CO2 acontecem em organelas especializadas denomi-nadas cloroplastos.

A figura 4 apresenta um esquema da estrutura básica de um cloroplasto. Sua estru-tura compreende duas membranas, uma externa (menos seletiva) e uma interna (mais se-letiva), que delimita a fase aquosa interna do cloroplasto, o estroma. Esse compartimento interno contém os tilacóides, vesículas membranosas achatadas, geralmente arranjadas em pilhas (grana). As membranas tilacóides (também chamadas lamelas) contêm toda a maquinaria (pigmentos, complexos enzimáticos, etc.) envolvida na absorção e conversão de energia luminosa em energia química, enquanto o estroma contém a maior parte das enzimas requeridas para a assimilação do CO2.

Figura 4: Esquema da estrutura de um cloroplasto.

#M2U12



Saiba mais

Um mol de fótons (6 x 1023 fótons) de luz visível contém entre 170 a 300kJ; quantidade de energia, mais que suficiente para a síntese de 1 mol de ATP, a partir de adenosina difosfato (ADP) e fosfato inorgânico (Pi), que requer entre 30 e 50kJ.

CH2

CH CH2

CH

3

CH O3

CH 3

CH 3

CH

CO

3

CH 3

CH3

CH2

CH2

CH2

CH 3CH 3CH 3

CH 3

N

N

N

N

Mg

na bacterioclorofila

CHO na clorofila b

CH

CH

3

2na ficocianina

Ligação insaturadana ficocianina

Ligação saturadana bacterioclorofila

OO

O

OCC H

HH

cadeia lateral do fitol

Clorofila α

β-caroteno

Ficoeritrina

CH 3

CH 3

CH 3

CH 3CH 3

CH 3CH 3CH 3 CH 3

CH 3

CH

CH 3

-

CH

NH H

O O

3 CH 3 CHCH 3 CH 2

CH 2CH 2

COO -

CH 2

COO

NH

N

CH 2 CH 3

N

Atividade complementar 41. Pesquise e discuta a inadequação da terminologia “fase escura” usada para deno-minar a fase de assimilação de carbono.

2. Pesquise e compare as estruturas de mitocôndrias e cloroplastos.

Primeira fase: reações dependentes da luz

A compreensão da absorção da energia luminosa requer conhecimento sobre o es-pectro eletromagnético disponível no conteúdo da unidade 10, do Módulo I, deste curso.

A radiação eletromagnética absorvida pelos pigmentos de organismos fotossin-tetizantes corresponde à luz visível (pequena faixa do espectro eletromagnético que corresponde aos comprimentos de onda (λ) ente 400 e 700 nm, que varia do violeta ao vermelho). Considerando que quanto menor o λ maior a quantidade de energia dos fótons de luz, a energia dos fótons da região do violeta do espectro é maior do que na região do vermelho.

Afinal o que acontece quando a energia luminosa é absorvida? A absorção de um fóton de luz visível por uma molécula implica a promoção de

um elétron desta molécula para um orbital de maior energia. A quantidade de energia associada a esse fóton (um quantum de energia) precisa ser exatamente igual à necessária para a transição eletrônica para que o evento ocorra. Ao absorver um fóton, a molécula passa a um estado excitado, instável. O elétron tende a retornar rapidamente para o seu orbital normal de menor energia, tornando-se mais estável.

O decaimento ou retorno da molécula para o estado basal é acompanhado de libe-ração da energia absorvida como luz (fluorescência), calor ou, em determinadas condi-ções, pode ser conservada para realizar o trabalho químico. O decaimento também pode envolver a transferência direta de energia de excitação (exciton) de uma molécula excita-da para uma próxima, caracterizando um processo denominado transferência de exciton, que também ocorre durante a fotossíntese. No caso da fotossíntese, esses fotopigmentos estão arranjados de uma forma tal que permite que parte da energia absorvida seja con-servada na forma de ATP e NADPH.

Os fotopigmentos são essenciais para que ocorra a absorção de energia luminosa. Entre estes, as clorofilas são os mais importantes, pois são pigmentos verdes, que apre-sentam estrutura característica constituída por uma longa cadeia lateral fitol e um sistema heterocíclico de anéis, como mostrado na figura 5:


Biológico

P

BSC

B

CH2

CH CH2

CH

3

CH O3

CH 3

CH 3

CH

CO

3

CH 3

CH3

CH2

CH2

CH2

CH 3CH 3CH 3

CH 3

N

N

N

N

Mg

na bacterioclorofila

CHO na clorofila b

CH

CH

3

2na ficocianina

Ligação insaturadana ficocianina

Ligação saturadana bacterioclorofila

OO

O

OCC H

HH

cadeia lateral do fitol

Clorofila α

β-caroteno

Ficoeritrina

CH 3

CH 3

CH 3

CH 3CH 3

CH 3CH 3CH 3 CH 3

CH 3

CH

CH 3

-

CH

NH H

O O

3 CH 3 CHCH 3 CH 2

CH 2CH 2

COO -

CH 2

COO

NH

N

CH 2 CH 3

N

Luz solar queatinge a Terra

300 400 500 600 700 800

Cl a

ß-caroteno

Cl b Ficoeritrina

Ficocianina

Comprimento de onda (nm)

Ab

sorç

ão

Atividade complementar 5A estrutura das clorofilas confere a elas uma grande habilidade em absorver ener-gia na região visível do espectro. Pesquise e justifique essa afirmativa.

As clorofilas a e b, embora sejam verdes, apresentam diferenças significativas no espectro de absorção de luz. Os cloroplastos contêm ambos os tipos de clorofila, as quais atuam de forma com-plementar na absorção de energia do espectro visí-vel, aumentando a eficiência do processo. A figura 6 mostra o espectro de absorção de luz visível pelos fotopigmentos.

Os pigmentos acessórios, denominados ca-rotenóides, também estão embebidos na membrana tilacóide. Os principais são o β caroteno e a luteína.

Atividade complementar 6Pesquise e avalie a estrutura e o espectro de absor-ção dos carotenóides. Após, justifique a presença dos carotenóides nas membranas tilacóides. Qual é o papel desses pigmentos?

Temos então a seguinte situação: a luz visível é absorvida por fotopigmentos (espe-cialmente as clorofilas) que estão embebidos na membrana dos tilacóides, os quais são estruturas vesiculares que estão no interior dos cloroplastos de células fotossin-tetizantes das plantas.

Mas, isso é só o começo. Os fotopigmentos não estão inseridos ao acaso nas mem-branas tilacóides. Ao contrário, estão organizados em arranjos funcionais denominados fotossistemas (PS).

Figura 5: Estrutura da molécula de clorofila a e b.

#M2U12



Moléculas antenas

A luz excita uma moléculaantena (clorofila ou pigmento

acessório), elevando um elétrona um nível de energia maior.

A molécula antena excitada passa energia a uma molécula

de clorofila vizinha, excitando-a(transferência de energia

ressonante).

Esta energia é transferidaa uma clorofila do centro

de reação,excitando-a.

-+

-+

-

+

-

+

Doador deelétrons

Receptor deelétrons

*

*

A clorofila do centro de reaçãoexcitada passa um elétrona um receptor de elétrons.

A cavidade do elétron no centroda reação é preenchida por

um elétron de um doadorde elétrons.

A absorção de um fóton provoca a separaçãode cargas no centro de reação.

Centro de reaçãoexcitado perde e-

para umreceptor deelétrons...

e o substituicom e- retiradode um doadorde um doadorde elétrons.

PhP680*

Z

Ao

PC

Ph-

P680+

Z

Ph-

P680

Z+

P700*

Ao

PCP700+

Ao

PC+

P700

-

+

-(a)

PSII

(b)PSI

Clorofilado centrode reação

Luz

*

+

Os PS (Figura 7) estão embebidos nas membranas tilacóides e são constituídos por moléculas-antena ou coletoras de luz (clorofilas, carotenóides e outros pigmentos acessórios ligados a proteínas) e um centro de reação fotoquímica (CRF). As moléculas-antena absorvem a energia luminosa e transmitem rapidamente a excitação (transferência de exciton) até o centro de reação fotoquímica, onde, efetivamente, ocorre a transdução de energia luminosa em energia química.

Figura 7:Esquema da organização de um fotossistema.


Biológico

P

BSC

B

Saiba mais

Os números indicados como índices dos CRF (P680 e P700) referem-se aos comprimentos de onda (λ) em que ocorre o “descoramento” máximo dos pigmentos dos PSII e I, respectivamente. Esse “descoramento” é resultante da impossibilidade temporária dos pigmentos de absorver energia luminosa nestes λ específicos (680 e 700nm), devido à perda de um elétron do CRF.

Pode-se observar, experimentalmente, como já mencionado, que uma molécula de fotopigmento, como a clorofila, excitada pela luz visível, pode liberar a energia absorvida como fluorescência e calor. Contudo, quando tais pigmentos estão arranjados em estrutu-ras como as dos complexos coletores de luz dos PS, apenas uma quantidade insignificante de energia é liberada nestas formas. Ao invés disso, a energia de excitação é transferida até o CRF, onde é desencadeado um processo de transferência de elétrons, que culmina na geração de potencial redutor e ATP.

Assim, a incidência de luz visível no PS dispara uma seqüência de eventos, que podem ser descritos como se segue:

uma molécula-antena absorve luz e passa a um estado excitado (um elétron é promovido para um orbital de maior energia);

a energia dessa molécula excitada é transferida (transferência de exciton) para uma molécula vizinha, que passa ao estado excitado, enquanto a primeira retor-na ao seu estado basal;

essa transferência de energia de ressonância ocorre sucessivamente entre molé-culas vizinhas até alcançar a molécula especial de clorofila do CRF, promoven-do um elétron dessa clorofila para um orbital de maior energia;

a clorofila excitada transfere seu elétron para um aceptor de elétrons próxi-mo, que adquire carga negativa, enquanto a clorofila do CRF fica “vacante” de um elétron;

a vacância da clorofila do CRF é preenchida por um doador de elétrons próxi-mo, o qual se torna positivamente carregado.

Resumindo: a excitação promovida pela absorção de energia luminosa nos PS é ca-nalizada para o CRF, gerando um forte agente redutor e um forte agente oxidante, criando condições para iniciar um conjunto de reações de oxido-redução.

Atividade complementar 7Vamos lá, caro estudante. Exercite sua imaginação esquematizando o processo de transferência de energia em um PS: a transferência de exciton entre moléculas-antena vizinhas, a transferência de energia para o CRF e a geração de um forte aceptor e de um forte doador de elétrons.

O nosso conhecimento atual sobre a fotossíntese em plantas resulta de estudos con-duzidos em cloroplastos, como também em algas e bactérias. O evento central do processo fotossintético é o fluxo de elétrons dirigido pela luz e este é realizado por sistemas mul-tienzimáticos, embebidos na membrana tilacoideana.

Certamente, as plantas, as cianobactérias e as algas contam com um aparato fotos-sintético mais complexo que aquele de bactérias, que geralmente têm apenas um PS. As membranas tilacóides dos cloroplastos de células vegetais apresentam dois tipos de PS (I e II), que parecem ter evoluído a partir da combinação de sistemas bacterianos mais sim-ples. Cada um desses PS tem seu próprio CRF e suas moléculas-antena, e exercem funções distintas e complementares.

No fotossistema II (PSII) a razão clorofila a/clorofila b é igual a 1 e o seu CRF é denominado P680. O fotossistema I (PSI) contém mais clorofila “a” do que “b” e seu CRF denomina-se P700.

#M2U12



-1,6

-1,4

-1,0

-0,4

-0,6

-0,8

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

-1,2

Fotossistema II

Fotossistema I

ComplexoMn

que cindea H2O

P680*

P700

Com-plexoCit bf

P680

P700*

[ LuzLuz

Ao

QB

QA

Ph

A1

Fe-S

Fd

FP

NADP+

NADPH

PC

O2 + 2H+ ] Translocação de prótons

H2O

Via

Cícli

ca

O PSI e o PSII estão dispostos em grande número nas membranas tilacóides dos cloroplastos e seus CRF agem em seqüência para viabilizar a transferência de elétrons, a qual é dirigida pela luz da H2O até o NADP+. O esquema “Z”, apresentado na figura 8, ilustra esse movimento unidirecional de elétrons e as relações de energia nas reações de-pendentes de luz.

A excitação de P680 no PSII gera P680*, um excelente agente redutor que, em picosse-gundos (10-12 s.), transfere elétrons para a feofitina (Pheo), que adquire uma carga negativa (Pheo-). Essa transferência de elétrons converte P680* em um radical catiônico (P680

+). A Pheo- transfere seu elétron sobressalente para plastoquinona A (PQA), que o re-

passa para a plastoquinona B (PQB). PQB recebe dois elétrons e, quando isso ocorre a partir de duas transferências de PQA, ao retirar dois prótons do estroma do cloroplasto, fica na forma totalmente reduzida (PQBH2).

Similarmente, a excitação de P700 no PSI gera P700*, que pela perda de um elétron para A0 (provavelmente uma forma especial de clorofila), gerando A0

- e P700+. A0

- é um excelente doador de elétrons e inicia a transferência de elétrons por uma cadeia de trans-portadores (filoquinona – proteína Ferro-enxofre – ferrodoxina e ferrodoxina NADP+ oxido-redutase) até o NADP+ que é reduzido a NADPH.

Figura 8: esquema Z, PSI e PSII.


Biológico

P

BSC

B

Finalmente, os elétrons que geraram a PQBH2, a partir da excitação de P680, são conduzidos até PSI, onde a excitação gerou P700

+, um forte agente oxidante. Os elétrons de PQBH2 passam, um a um, do complexo citocromo b6f para a plas-

tocianina e terminam preenchendo a vacância do PSI. O complexo citocromo b6f, simi-larmente ao que ocorre para o complexo III na mitocôndria, transfere elétrons de um carreador de dois elétrons (PQBH2) para um carreador de um elétron (plastocianina), utilizando um mecanismo complexo que envolve proteína, ferro, enxofre, grupos heme, etc., forma o ciclo Q.

Esse ciclo Q resulta em um bombeamento de prótons (até 4H+/par de elétrons) do estroma do cloroplasto para o lúmen do tilacóide, gerando um gradiente de H+ através da membrana tilacoideana durante o fluxo de elétrons do PSII para o PSI. A força próton-motriz resultante desse gradiente dirige a síntese de ATP, denominada fotofosforilação (que será discutida posteriormente).

A excitação do PSII resultou em vacância de elétrons no seu centro de reação fotoquímica (CRF). Assim, P680

+ precisa adquirir um elétron para retornar ao seu estado basal e estar pronto para uma nova excitação. Para tanto, o PSII contém um complexo de cisão da água, o qual catalisa a clivagem fotolítica de duas moléculas de H2O em quatro prótons (liberados no lúmen do tilacóide), quatro elétrons e uma molécula de oxigênio. Essa clivagem fotolítica (processo de “quebra” da molécula de H2O mediado pela energia luminosa) requer a absorção de quatro fótons.

Os quatro elétrons retirados da H2O não passam diretamente para P680+, que só pode

receber um elétron por vez. Na verdade, um resíduo de tirosina (Tyr) de uma proteína do PSII doa um elétron para P680

+ e perde também um próton para o meio, resultando no radical livre Tyr (∙ Tyr).

O elétron e o próton doados são repostos quando ocorre a oxidação de um agrega-do de quatro íons de manganês (Mn) do complexo de cisão da água. O grau de oxidação do Mn pode variar de +2 a +7. Dessa forma, o agregado de quatro íons Mn pode perfeita-mente aceitar quatro elétrons da H2O e transferir, um a um, para o resíduo de Tyr oxida-do. Assim, na fotossíntese oxigênica, a fonte última de elétrons que resulta na redução de NADP+ a NADPH é a água.

Esse fluxo de elétrons descrito pelo “Esquema Z” pode ser traduzido pela equação abaixo:

Equação F2

2 H2O + 2 NADP+ + 8 fótons → O2 + 2 NADPH + 2 H+

Para cada quatro fótons absorvidos (dois por PS) dois elétrons são transferidos da H2O para o NADP+. Para haver liberação de oxigênio molecular são necessárias duas mo-léculas de H2O, a absorção de oito fótons (4 por PS), gerando assim quatro elétrons que se reduzirão a duas moléculas de NADP+.

Fotofosforilação

A síntese ATP por fotofosforilação (figura 9), da mesma forma que a fosforila-ção oxidativa mitocondrial, é também explicada pela teoria quimiosmótica de Peter Mitchell (ano).

Os elétrons fluem da água até o PSII; deste para o PSI através de uma cadeia trans-portadora de elétrons e do PSI para o NADP+. Durante o fluxo de elétrons do PSII para o PSI, parte da energia liberada é usada para bombear prótons do estroma do cloroplasto para o lúmen do tilacóide, gerando um gradiente de prótons. A membrana tilacoideana, além de conter os PS, carreadores de elétrons, etc., contém uma enzima muito similar à FoF1 ATP sintase mitocondrial: a CFoCF1ATPsintase.

#M2U12



Saiba mais

A teoria Quimiosmótica propõe que a energia potencial do gradiente eletroquímico gerado pelo movimento de prótons através de membranas (por exemplo, através da membrana mitocondrial interna, que compartimentaliza a matriz mitocondrial e o espaço entre a membrana mitocondrial interna e externa) é, em parte, conservada na forma de ATP.

Essa enzima viabiliza o retorno dos prótons ao estroma do cloroplasto e catalisa a síntese de ATP utilizando a energia do gradiente de prótons gerado pela transfe-rência de elétrons dirigida pela luz. Esse mecanismo de síntese de ATP é denomi-nado fotofosforilação.

Atividade complementar 8Pesquise sobre a fotofosforilação que ocorre nos cloroplastos e compare com a fos-forilação oxidativa mitocondrial.

De acordo com estimativas para a estequiometria da fotofosforilação, para cada O2 formado durante o fluxo de elétrons fotossintético, 12 prótons são conduzidos para o lúmen do tilacóide: quatro bombeados pelo complexo de cisão da H2O e oito pelo comple-xo citocromo b6f. A força próton-motriz, associada ao gradiente gerado, é de -17 kJ/mol. Considerando 12 moles, teríamos, em princípio, aproximadamente, 200 kJ de energia dis-poníveis para a síntese de ATP (ou seja, cerca de 6 mols de ATP). Resultados experimen-tais têm estimado 3 ATP´s por O2 produzido. Assim, a equação geral para a fotofosforila-ção (não cíclica) pode ser escrita como se segue:

Equação F32 H2O + 2 NADP+ + ~3 ADP + ~3 Pi + 8 fótons → O2 + ~3 ATP + 2 NADPH + 2 H+

Figura 9: Fluxo de elétron, bombeamento de prótons e fotofosforilação no tilacóide.


Biológico

P

BSC

B

Fotofosforilação cíclica

Até agora consideramos o fluxo não cíclico de elétrons da H2O até o NADP+, que resulta em síntese de ATP e de NADPH e liberação de O2. Alternativamente pode ocorrer o fluxo cíclico de elétrons, que envolve apenas o PSI e resulta em síntese de ATP (deno-minada fotofosforilação cíclica), mas não de NADPH. Nesse processo também não há liberação de O2.

A excitação de P700 no PSI resulta em P700*, que transfere seu elétron como já descrito. Porém a ferrodoxina da cadeia de transportadores associada ao PSI não continua até o NADP+, mas conduz o elétron de volta ao PSI através do complexo citocromo b6f e da plastocianina.

A equação abaixo descreve a fotofosforilação cíclica:

Equação F4ADP + Pi + energia luminosa → ATP

Atividade complementar 9Procure mais informações sobre o fluxo cíclico de elétrons. O que justificaria esse fluxo alternativo de elétrons?

Considerações importantes

O processo de transferência de elétrons dirigido pela luz é, realmente, muito com-plexo e precisa ser muito bem regulado. No caso de organismos que realizam a fotossín-tese oxigênica, que envolve dois PS diferentes, há necessidade de uma integração perfeita entre os dois CRF, o que requer uma organização espacial bem definida dos integrantes do processo fotossintético na membrana do tilacóide. Se os dois PS estivessem dispos-tos de forma contígua, a energia absorvida pelos complexos-antena do PSII poderia ser desviada para o CRF do PSI, comprometendo seriamente a excitação do PSII e a atuação seqüencial dos dois PS. Esse tipo de problema é contornado pela separação espacial de PSI e PSII na membrana tilacoideana.

PSI localiza-se principalmente nas regiões da lamela estromal (regiões em que não há membranas tilacoideanas adjacentes e comprimidas), onde também se encon-tra a CFoCF1ATP sintase. Essa disposição facilita o acesso a ADP e NADP+ do estroma do cloroplasto.

Por outro lado, PSII localiza-se quase que exclusivamente nas regiões da lamela granal, onde há justaposição de membranas. Os complexos coletores de luz (LHCII), as-sociados à PSII, também ficam nessa região. Alterações nessa associação interferem, como veremos, no grau de associação de membranas adjacentes do grana.

Considerando que a energia associada a comprimentos de onda aumenta na medi-da em que este diminui, podemos afirmar que a quantidade de energia requerida para excitar o PSII (P680) é maior do que a necessária para excitar o PSI (P700). Quando há luz intensa (sol brilhante), há maior incidência do componente de luz azul e PSII absorve mais luz que PSI; se a luminosidade é menos intensa há um maior componente de luz vermelha e PSI é mais excitado que PSII.

Esse descompasso poderia inviabilizar a integração entre os dois PS se não hou-vesse um ajuste proporcionado por alterações na associação de LHCII ao PSII induzidas pela intensidade e comprimento de onda da luz. Se PSII for mais excitado que PSI (o que ocorre quando a luminosidade é intensa) haverá acúmulo de PQH2, pois este é produzido mais rápido do que o PSI pode oxidar. PQH2 ativa uma enzima (proteína cinase), a qual

#M2U12



CH2O

C

CHOH

CHOH

O

P

CH2O P

Ribulose-1,5-bifosfato

(3)

ADP(3)

ATP

(3)

Estágio 3:regeneraçãodo receptor

CHO

CHO

CH2O P

COO-

CHOH

CH2O P

(5)

(1)

Gliceraldeído-3-fosfato

Pi(6)

NADP+

(6) NADPH

(6)

(6)

(6)

(6)

+ H+ADP

ATP

Estágio 1:fixação

Liberaçãode energia

na viaglicolítica;

síntesede amidoou açucar

3-fosfoglicerato(6)

Estágio 2:redução

CO2

(3)

catalisa a fosforilação de um resíduo de treonina (Thr), no LHCII, enfraquecendo sua interação com PSII. Isso facilita a dissociação de LHCII, que então pode mover-se para a lamela estromal, onde se localiza PSI.

Essa nova disposição facilita a transferência da energia dos fótons absorvida por LHCII para PSI excitando-o e aumentando a velocidade de oxidação de PQH2. Se PSI ab-sorver mais luz que PSII (quando há menor intensidade luminosa), PSI terá capacidade de oxidação maior do que a quantidade de PQH2 produzida por PSII, resultando em acúmu-lo de PQ (plastoquinona oxidada), que ativa uma enzima (proteína fosfatase) que catalisa a defosforilação de LHCII, revertendo a situação promovida pela fosforilação.

Certamente, esse é apenas um, entre os muitos mecanismos de regulação que ajus-tam o trabalho dos “atores biológicos” para garantir sua atuação seqüencial e a integração adequada com outros processos.

Segunda fase: reações de assimilação de CO2

Precisamos agora compreender como a energia conservada na forma de ATP e de NADPH, produtos da primeira fase da fotossíntese, é utilizada para “fixar” e reduzir carbonos sintetizando compostos orgânicos simples. Ou seja, como ocorre a síntese fotos-sintética de carboidratos. O carbono é disponibilizado para as plantas na forma de CO2 e este tem acesso às células fotossintetizantes por meio de aberturas especiais, denomina-das estômatos.

Essa fase ocorre no estroma dos cloroplastos e, em muitas espécies vegetais, se dá, diretamente, por meio de um conjunto de reações denominado ciclo de Calvin (ou ciclo de redução fotossintética do carbono). Nesse ciclo, da mesma forma que em outras vias metabólicas cíclicas, (como o ciclo do ácido cítrico mitocondrial), ao fim de cada volta, o composto inicial precisa ser regenerado. No caso do ciclo de Calvin, esse composto é a ribulose 1,5-bifosfato (RuBP), uma pentose bifosforilada.

Estudos, utilizando carbono marcado (14CO2), desenvolvidos na década de 1940 por Melvin Calvin e colaboradores, forneceram fortes indícios de que o primeiro composto detectável contendo carbono radiativo era o 3-fosfoglicerato (PGA), um composto con-tendo três átomos de carbono. Dessa forma, o ciclo de Calvin (Figura 10) também recebe a designação de Via C3.

Essa terminologia é utilizada também para diferenciar plantas em que esse com-posto de três carbonos é o primeiro intermediário desse processo, plantas C3, daquelas denominadas plantas C4, que serão discutidas mais adiante.

Figura 10:ciclo de Calvin e os seus três estágios.


Biológico

P

BSC

B

O ciclo de Calvin pode ser dividido três estágios: fixação, redução e regeneração do aceptor.

No primeiro estágio (Figura 11), o CO2 é, enzimaticamente, condensado ao aceptor de cinco carbonos, a RuBP, formando um intermediário instável de seis carbonos (que permanece ligado à enzima); este é, imediatamente, hidrolisado em duas moléculas de 3-fosfoglicerato (PGA), uma delas contendo a molécula de CO2 incorporada. A enzima que catalisa essa conversão é a ribulose 1,5-bifosfato carboxilase/oxigenase, abreviadamente, RUBISCO. A atividade carboxilase da RUBISCO é evidenciada pela reação do estágio de fixação do ciclo de Calvin. As características da RUBISCO, sua regulação e sua atividade oxigenase serão descritas posteriormente.

CH2O

C

C

C

CH2O

O

P

P

H

H

OH

OH

CH2O

C

H

HO

H+

H+

COO-

P

COO-

C

CH2O

H OH

P

CH2O

CHO-

+

COO-

P

CH2O

C

C

C

CH2O

-O

P

P

H H

H

O

OH

O

O

C

Ribulose-1,5-bifosfato Intermediário enediol

3-fosfoglicerato

3-fosfoglicerato

Carbanion

CH2O

C

C

C

CH2O

HO

P

P

H

H H

O

OH

OH

COO-

CH2O

C

C

C

CH2O

HO

P

P

H

O-

OH

HO

COO-

2`-carboxi-3-ceto-D-arabinitol-1.5-bifosfato(intermediário α - cetoácido)

Intermediário hidratado

Intermediário da reaçãocom seis carbonos ligados à

ribulose-1,5-bifosfatocarboxilase (rubisco)

Figura 11:Primeiro estágio do ciclo de Calvin.

#M2U12



Saiba mais

As cinases e as desidrogenase são duas “famílias” de enzimas que desempenham um papel metabólico estratégico, catalisando reações de transferência de grupo fosfato e de transferência potencial redutor, respectivamente.

Atividade complementar 10Se você é daqueles que têm interesse especial nos mecanismos químicos envolvidos nos processos biológicos, a análise da reação de carboxilação catalisada pela RU-BISCO é um bom modelo para você explorar. Aproveite e discuta com colegas que tenham o mesmo tipo de interesse.

No segundo estágio (Figura 12), que ocorre em dois passos, a primeira reação é a fosforilação do PGA em 1,3-bifosfoglicerato, à custa de ATP. Esse intermediário é, então, reduzido a gliceraldeído 3-fosfato (uma triose-fosfato), utilizando o potencial redutor do NADPH. A enzima que catalisa o primeiro passo é uma cinase (3-fosfoglicerato cinase) e a do segundo passo uma desidrogenase (gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase). Esse estágio é, essencialmente, o reverso das reações correspondentes na glicólise (via do ca-tabolismo de carboidratos descrita na unidade que trata da respiração celular) e as reações são catalisadas por isoenzimas daquelas citossólicas. O gliceraldeído 3-fosfato pode ser convertido em seu isômero, diidroxiacetona fosfato, pela ação de uma isomerase.

O terceiro estágio (Figura 13) é constituído por um conjunto de reações, envolvendo o rearranjo do esqueleto carbônico de trioses-fosfato geradas no segundo estágio, que permite a regeneração da ribulose 1,5-bifosfato, utilizada no estágio de fixação do CO2. Essa regeneração é essencial para garantir a continuidade da incorporação de CO2 em um composto orgânico de três carbonos, o 3-fosfoglicerato (primeiro estágio do ciclo de Cal-vin), garantindo assim a síntese de carboidratos e outras biomoléculas. Essa conversão de trioses-fosfatos em pentoses bifosfato requer a participação de inúmeras enzimas, como transcetolases e transaldolases, e o gasto de um ATP por pentose-bifosfato regenerada.

Figura 12:Segundo estágio do ciclo de Calvin.


Biológico

P

BSC

B

OH

CH2

O

C CH2O P

OH

CH

O

CH CH2O P

Diidroxiacetona-fosfato

CH2O

C

C

C

CH2O

O

OHH

OHH

P

P

CH2O

C

C

C

C

C

CH2O

O

HHO

OHH

OHH

OHH

P

P

CH2OH

C

C

C

CH2O

O

OHH

OHH

P

CH2OH

C

C

C

CH2O

O

HHO

OHH

P

CH2OH

C

C

C

CH2O

O

HHO

OHH

P

CH2OH

C

C

C

CH2O

O

OHH

OHH

P

CH2OH

C

C

C

CH2O

O

OHH

OHH

P

Reações de fixaçãodo CO2

Rebulose-1.5-bifosfato (3)

Sedoeptulose-1,7-bifosfato

Frutose-1,6-bifosfato

Frutose-6-fosfato

Sedoeptulose-7-bifosfato

Ribulose-5-fosfato

Ribulose-5-fosfato

Ribulose-5-fosfato

3C

3C

4C5C

5C 5C

7C

3C 3C 3C

6C

Ribose-5-fosfato

Eritrose-4-fosfato

6 Trioses fosfatoGliceraldeído-3-

fosfato

OH

CH

O

CH CH2O P


6Pi

(a)

(b)

Pi

Pi

6NADP+

6NADPH

6ATP

6ADP

3ADP

3ATP

3CO2

OH

CH2

O

C CH2O P

OH

CH2

O

C CH2O P






OH

CH

O

CH CH2O P

OH

CH

O

CH CH2O P

OH

CH

O

CH CH2O P

HO

OH2C

H

H

P CH2OH

OH

O

H HO

H

OHH

P

OHH

OC

C

C

CH2O

H

OHH

P

OHH

OHH

OC

C

C

C

CH2O

HO

OH2C

H

H

P PCH2O

OH

O

H HO

TPP-2C

TPP

TPP

1

4

6

5

7

8 2

3

7

TPP-2C

Xilulose-5-fosfato

Xilulose-5-fosfato

Para que se tenha como resultado líquido a síntese de uma triose-fosfato, são ne-cessárias três moléculas de CO2 e uma de fosfato inorgânico (Pi) e, é claro, três voltas no ciclo de Calvin, o que significa o consumo de nove moléculas de ATP e seis de NADPH. A figura 14 ilustra a estequiometria do ciclo de Calvin para a síntese de uma triose fosfato; processo que pode ser resumido pela equação geral apresentada abaixo:

Figura 13: Terceiro estágio do ciclo de Calvin.

#M2U12



Equação F53 CO2 + 3 H2O + 9 ATP + 6 NADPH + 6 H+ → Gliceraldeído 3-P + 6 NADP+ + 9 ADP + 8 Pi


A maior parte das trioses-fosfato geradas (considerando o resultado líquido) pelo ciclo de Calvin é convertida em amido, no cloroplasto, e estocada ou exportada para o citossol da célula, onde é convertida em sacarose para ser transportada para outros tecidos vegetais (não fotossintéticos ou regiões em crescimento).

No caso de folhas em desenvolvimento, uma parte significativa dessas trioses será oxidada no citossol, pela via glicolítica, gerando ATP para atender a demanda do tecido. Então, boa parte das trioses geradas precisa ser exportada para o citossol.

Nas reações da primeira fase da fotossíntese, ATP e NADPH são sintetizados na mesma proporção (3/2) que são consumidos no ciclo de Calvin. A cada três voltas no ci-clo, nove moléculas de ATP são hidrolisadas liberando nove moléculas de ADP e 8 de Pi, considerando que uma molécula de Pi foi incorporada na geração de uma triose-fosfato. Assim sendo, é necessário que a célula disponha de mecanismos para garantir a demanda de Pi livre no estroma; caso contrário a síntese fotossintética de ATP ficaria comprometida e, conseqüentemente, a assimilação de CO2.

Outro ponto importante é que a alta seletividade da membrana interna do cloro-plasto impede, inclusive, a passagem livre de compostos fosforilados, como os produtos da fotossíntese.

Entretanto, a membrana interna do cloroplasto contém um sistema de transporte específico, denominado antiporte fosfato inorgânico – triose-fosfato, que mede a troca, um para um, de Pi e triose-fosfato. Isso viabiliza o movimento simultâneo de Pi citossóli-co para o estroma do cloroplasto e de triose-fosfato do estroma para o citossol da célula. Dessa forma, esse sistema de co-transporte contorna os problemas que poderiam advir da depleção de Pi no estroma ou do fato dos produtos da fotossíntese não serem exportados

Figura 14: Estequiometria de assimilação de três moléculas de CO2 no ciclo de Calvin.


Biológico

P

BSC

B

Saiba mais

O termo turnover refere-se ao número de moléculas de substrato convertidas em produto, por uma única molécula de enzima, em uma unidade de tempo definida, considerando a condição de saturação da enzima pelo substrato.

para o citossol, evitando desencadar uma cascata de conseqüências danosas para os vege-tais e para os organismos que deles dependem.

É importante ressaltar que a regulação do metabolismo de carboidratos em plan-tas é muito complexa e o destino metabólico das trioses-fosfato sintetizadas por meio da fotosíntese requer uma regulação muito fina. Um regulador importante é a frutose 2,6-bifosfato. A concentração desse intermediário metabólico na planta é regulada pelos produtos da assimilação de carbonos, dirigida pela luz. Quando a taxa fotossintética está alta (como ocorre na presença de luz), há uma diminuição da concentração de frutose 2,6-bifosfato por mecanismos que envolvem a regulação da atividade de cinases e fosfatases, ocorrendo o inverso em ausência de luz. Assim, a concentração de frutose 2,6-bifosfato na planta reflete sua taxa fotossintética.

Atividade complementar 11A regulação é um ponto fundamental para o entendimento do metabolismo. Assim, caro estudante, seria interessante procurar saber mais sobre a regulação do meta-bolismo de carboidratos em plantas, especialmente os mecanismos que envolvem a frutose 2,6 bifosfato.

Ribulose 1,5-Bifosfato Carboxilase/Oxigenase – RUBISCOA RUBISCO é uma enzima realmente especial. É uma das principais responsáveis

por uma atividade fundamental para todos os organismos heterotróficos (como nós) e é uma das enzimas mais abundantes da biosfera.

A RUBISCO de plantas tem uma estrutura complexa de dezesseis subunidades, sen-do oito subunidades grandes idênticas e oito subunidades pequenas, também idênticas. A função catalítica é exercida pelas subunidades grandes (cada subunidade contém um sítio catalítico), enquanto a função das subunidades pequenas ainda permanece incerta.

A atividade carboxilase da RUBISCO está diretamente relacionada à produção de biomassa pelos vegetais. Cada molécula de RUBISCO pode fixar apenas três moléculas de CO2 por segundo, a 25°C, evidenciando um baixo número de turn over. Assim, para ga-rantir altas taxas de fixação de CO2, a célula requer uma grande quantidade dessa enzima, a qual constitui quase 50% das proteínas solúveis do cloroplasto de vegetais.

A RUBISCO inicia o processo de assimilação de CO2 e está sujeita à regulação por diversos mecanismos. Vamos, então, conhecer alguns deles. A conversão da RUBISCO na sua forma ativa requer a carbamilação de um resíduo específico de lisina (201Lys) e a ligação de um íon Mg+2. Esse íon é fundamental para a aproximação e orientação dos re-agentes no sítio ativo.

Contudo, a ribulose 1,5-bifosfato (um dos substratos da RUBISCO) inibe a carbami-lação ao ligar-se ao sítio ativo da RUBISCO, alterando a conformação da enzima e impe-dindo o acesso ao resíduo de 201Lys (Figura 15). A enzima RUBISCO ativase contorna essa inibição, deslocando a ribulose 1,5-bifosfato ligada, à custa da hidrólise de uma molécula de ATP, deixando assim o resíduo de 201Lys acessível para a carbamilação não enzimática por CO2, seguida pela ligação do íon Mg+2.

Algumas plantas, em ausência de luz, sintetizam um composto (2-carboxi-arabini-tol 1-fosfato) muito similar ao β-cetoácido intermediário, formado na reação de carboxi-lação, catalisada pela RUBISCO. Esse composto, denominado “inibidor noturno”, é um potente inibidor da forma ativa da RUBISCO. Ele sofre hidrólise induzida pela luz ou é expulso do sítio ativo da enzima pela RUBISCO ativase, deixando a RUBISCO ativa.

Atividade complementar 12Pesquise sobre outros fatores que interferem na atividade da RUBISCO e também de outras enzimas que participam do ciclo de Calvin.

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3

i

+

-

-

[ ]

As plantas realizam a fotossíntese, a respiração (mitocôndrial) e, também, a fo-torrespiração, que consiste em uma reação dispendiosa, colateral ao processo fotossintético, e que ocorre em função da incapacidade da RUBISCO de discernir CO2 de O2.

Além da atividade carboxilase, a ribulose 1,5-bifosfato carboxilase/oxigenase (RUBISCO), como o nome indica, apresenta também ativi-dade oxigenase (Figura 16). Isso significa que a RUBISCO não tem especificidade absoluta para o CO2, podendo usar o O2 como substrato; mais ainda, como o sítio ativo é o mesmo para CO2 e O2, esses dois substratos competem para ocupar o sítio ativo da enzima.

Se o O2, ao invés de CO2, ocupar o sítio ativo da RUBISCO, os produtos serão, ao invés de duas moléculas de 3-fosfoglicerato, uma mo-lécula de 3-fosfoglicerato (três carbonos) e uma molécula de 2-fosfoglicolato (dois carbonos), um composto metabolicamente inútil. Conse-qüentemente, a atividade oxigenase da RUBIS-CO compromete a fixação de CO2 e gera uma perda líquida para a célula.


Biológico

P

BSC

B

++

Glicinadescarboxilase

CO2 liberado nafotorrespiração

-

-

Atividade complementar 13Pesquise e responda: considerando que a reação com o O2 (atividade oxigenase da RUBISCO) compromete significativamente o organismo, como se explica que a evo-lução tenha gerado uma enzima com sítio ativo que reconhece tal molécula como substrato? Ter gerado uma enzima sem especificidade absoluta para o CO2?

A célula desenvolveu um mecanismo que minimiza a perda resultante da atividade oxigenase da RUBISCO, porém envolve um alto custo energético. Essa via é denominada via do Glicolato (Figura 17) e envolve três compartimentos celulares (cloroplasto, peroxis-somo e mitocôndria) na conversão de duas moléculas de fosfoglicolato em uma molécula de serina (três carbonos) e uma de CO2. A serina é convertida em hidroxipiruvato, que é reduzido a glicerato e este, finalmente, é fosforilado (à custa de ATP) a 3-fosfoglicerato.

#M2U12



A ocorrência combinada da atividade oxigenase da RUBISCO com a via do glicola-to consome O2 adicional e produz CO2 (da mesma forma que a respiração mitocon-drial) e é dirigido pela luz (como a fotossíntese). Por isso, recebeu a denominação de fotorrespiração. Essa via termina gastando ATP e NADPH produzidos pela fo-tossíntese e pode comprometer a formação de biomassa em até 50%.

Considerações importantesO CO2 corresponde a 0,04% da atmosfera atual, enquanto o O2 corresponde a apro-

ximadamente 20%. Sabe-se que o O2 compete com o CO2 pelo sítio ativo da RUBISCO e que a relação condensação de CO2/condensação de O2 é de aproximadamente 3/1, ou seja, há uma taxa significativa de fotorrespiração.

A solubilidade de CO2 e de O2 depende da temperatura e, em temperaturas mais altas, a razão O2/CO2 em solução aumenta. Além disso, com o aumento da temperatura ocorre uma diminuição da afinidade da RUBISCO por CO2, favorecendo a reação com O2. Algumas adaptações evolutivas surgiram (especialmente em plantas de climas mais quentes) minimizando a ineficiência no processo de assimilação de CO2.

Muitas plantas que crescem nos trópicos desenvolveram um mecanismo, no qual o CO2 é “pré-fixado” temporariamente em um composto de quatro carbonos (mala-to), antes da fixação definitiva por meio do ciclo de Calvin.

O malato é, a seguir, descarboxilado, liberando CO2 para a RU-BISCO. A enzima que “pré-fixa” o CO2 (na forma de HCO3-), a fosfo-enolpiruvato carboxilase, tem alta afinidade por CO2 e não usa O2 como substrato. Essa adaptação resulta em aumento da concentração local de CO2, favorecendo a atividade carboxilase da RUBISCO.

Essas plantas receberam a denominação de plantas C4 e o processo de assimilação de carbono que desenvolveram, de via C4. Por outro lado, as plantas cujo primeiro passo para a assimilação do CO2 é a reação de condensação do CO2 à ribulose 1,5-bifosfato para formar 3-fosfoglicerato, um composto de três carbonos, recebem a denominação de plantas C3.

As plantas C4 (por exemplo, milho, sorgo, cana-de-açúcar, ca-pim da roça, etc.) crescem em regiões de altas temperaturas e alta intensidade luminosa; têm altas taxas fotossintéticas e de crescimen-to; baixas taxas de fotorrespiração e de perda de água e, além disso, têm estruturas especializadas nas folhas (células mesofílicas e células do envoltório do feixe). A figura 18 apresenta a via de assimilação de carbono das plantas C4.

Outro ponto fundamental a ser considerado é o gasto energé-tico. As plantas C4 utilizam cinco moléculas de ATP por molécula de CO2 assimilada, enquanto as plantas C3 utilizam três. A análise simples do gasto de energia pode induzir-nos a pensar que as plan-tas C4 desenvolveram uma adaptação desvantajosa. Entretanto, se considerarmos que a afinidade da RUBISCO por CO2 diminui com o aumento da temperatura, em determinadas temperaturas (entre 28 e 30°C), esse custo energético para contornar a fotorrespiração será muito vantajoso para a planta C4.

Figura 18: Reações da via C4.


Biológico

P

BSC

B

Atividade complementar 14Existem, certamente, outras adaptações para contornar um possível aumento da fotorrespiração, como, por exemplo, a desenvolvida pelas chamadas plantas CAM. Pesquise e avalie a adaptação desenvolvida pelas plantas CAM e compare com a das plantas C4.

Fotossíntese em bactérias

O estudo da fotossíntese bacteriana agregou conhecimentos, especialmente no entendi-mento dos eventos moleculares, essenciais para a compreensão do processo fotossintético.

O mecanismo de absorção da energia luminosa em bactérias envolve apenas um fotossistema, com um de dois tipos básicos de centro de reação fotoquímica (CRF). O CRF tipo I (feofitina-quinona) envolve a transferência de elétrons da feofitina (Pheo) para uma quinona e o tipo II (Fe-S), em que ocorre o fluxo de elétrons para um centro ferro-enxofre através de uma quinona.

A bactéria púrpura, por exemplo, apresenta CRF tipo II e a excitação do fotossiste-ma pela luz promove um fluxo cíclico de elétrons. A absorção dos fótons de luz dirige os elétrons do CRF, P870, através de uma cadeia de carreadores de elétrons passando por um complexo citocromo bc1 e pelo citocromo c2, retornando ao CRF. Durante o fluxo de elé-trons pelo citocromo bc1, há um bombeamento de prótons, gerando um gradiente quimios-mótico e uma força próton-motriz, que promoverá a síntese de ATP (fotofosforilação).

A maquinaria fotossintética da bactéria sulfurosa verde envolve um CRF do tipo I e a excitação do CRF, P840, pela luz pode gerar um fluxo cíclico de elétrons (como na bactéria púrpura) ou gerar um fluxo não-cíclico de elétrons. Nesse caso, a excitação causa o fluxo de elétrons do CRF, P840, para o NAD(P)+, através de uma proteína ferro-enxofre (ferrodoxina), reduzindo-o a NAD(P)H. A reposição dos elétrons do CRF, geralmente, é feita através da oxidação de compostos sulfurosos reduzidos, como o sulfeto de hidrogênio (H2S). Essa oxidação do H2S é análoga à oxidação da H2O, que ocorre na fotossíntese oxigênica. Dessa forma, há síntese de ATP (fotofosforilação) e também geração de potencial redutor.

As cianobactérias formam um grupo com morfologia e fisiologia diversa, que surgiu na Terra há bilhões de anos e são os únicos procariotos que realizam fotossíntese oxigênica. A maquinaria fotoquímica, geradora de oxigênio de cianobactérias, prova-velmente foi essencial para gerar uma atmosfera que propiciasse o desenvolvimento da respiração aeróbia.

As cianobactérias foram originalmente classificadas como algas (algas azul-esver-deadas) porque continham clorofila “a” e realizavam fotossíntese oxigênica. Depois, a microscopia eletrônica revelou sua estrutura celular procariótica e elas passaram a ser classificadas como bactérias (bactérias verde-azuladas). Contudo, hoje persiste uma no-menclatura dual para as cianobactérias.

Esses organismos, apesar de não apresentarem nem cloroplasto nem mitocôndria, são capazes de gerar ATP tanto por fotofosforilação, quanto por fosforilação oxidativa (mecanismo apresentado na unidade referente à respiração celular). A membrana plasmá-tica das cianobactérias apresenta uma estrutura contendo muitos dobramentos, onde está inserida a maquinaria para ambos os processos.

A capacidade das cianobactérias de realizar a síntese de ATP utilizando esses dois mecanismos (fotofosforilação e fosforilação oxidativa) deve estar atrelada a características morfológicas e metabólicas peculiares. Seria interessante conhecê-las em mais detalhes, você não acha?

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Atividade complementar 15Pesquise sobre as cianobactérias, especialmente sua estrutura e formas de obtenção

de energia; compare-a com outros procariotos e, também, com eucariotos.

Para finalizar esta parte, gostaria de indicar o site:

http://www.splammo.net/bact102/102pnsb.html

No qual você terá acesso a um artigo sobre a fantástica bactéria fotossintética não-sulfurosa púrpura. Certamente, você também vai ficar impressionado com a ver-satilidade desses microorganismos; com a capacidade que essas bactérias têm para usar uma diversidade de fontes de matéria e energia. Conhecer esses organismos e suas estratégias de sobrevivência estimula-nos a buscar mais conhecimento para entender a vida.

O termo “quimiolitotrofia” foi proposto pelo microbiologis-ta russo Sergei Winogradsky, quando do desenvolvimento de es-tudos em bactérias oxidantes de enxofre, referindo-se à liberação de energia associada à oxidação de compostos inorgânicos. Além das contribuições relativas às bactérias oxidantes de enxofre, ele demonstrou que o processo de nitrificação (oxidação de amônia a nitrato) era resultado de atividade bacteriana. Winogradsky foi um microbiologista excepcional e agregou conhecimentos essenciais ao desenvolvimento da bioquímica de microorganismos.

A capacidade de utilizar a energia armazenada em com-postos inorgânicos é, praticamente, exclusiva de organismos proca-riotos e tal processo bacteriano é considerado essencial para a ma-nutenção dos ciclos biogeoquímicos da natureza. A observação de atividade quimioautotrófica em organismos superiores, como no caso da nitrificação em certos fungos, é rara e não afeta o ambiente de forma significativa.

“Quimiossíntese” é o termo geral usado para indicar a síntese de moléculas orgâni-cas, a partir de CO2 e H2O, utilizando a energia química de compostos inorgânicos, como NH4+, H2, H2S e Fe2+ (lembre-se que, analogamente, quando a energia usada provém da luz, a designação é fotossíntese). Nesse processo, o doador de elétrons também é um composto inorgânico. A quimiossíntese é, geralmente, realizada por bactérias quimiossintetizantes, as quais são também designadas quimioautotrófi-cas, quimiolitotróficas ou quimiolitoautotróficas.

Os diferentes grupos de bactérias quimiolitotróficas que existem podem ser di-ferenciados em função do composto inorgânico que oxidam para obter energia. Assim, temos: bactérias nitrificantes oxidam compostos reduzidos contendo nitrogênio; bactérias oxidantes de enxofre oxidam compostos reduzidos contendo enxofre; bactérias oxidan-tes de ferro oxidam ferro reduzido e, por fim, as bactérias de hidrogênio oxidam o gás hidrogênio. Existem ainda as bactérias acetogênicas, que produzem ácido acético a partir de CO2, e as carboxidobactérias, que oxidam monóxido de carbono além de H2, as quais

#M2U12 III. Quimiossíntese


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fazem parte do grupo das bactérias oxidantes de hidrogênio. Vamos, então, considerar alguns desses grupos.

Bactérias nitrificantes

As bactérias nitrificantes (Figura 19) estão presentes tanto no solo como na água, especialmente em ambientes de pH alcalino ou neutro, onde a amônia é mais abundante que o íon amônio e mais carbonato está disponível para a fixação de CO2.

A maioria das espécies é quimiolitotrófica facultativa, pois pode crescer em meio completa-mente inorgânico, mas pode tam-bém utilizar fontes orgânicas de carbono, tal como o acetato, para seu crescimento. Acredita-se que os sistemas de citocromos, respon-sáveis pela oxidação de amônia, nitrito e também pela geração de potencial redutor (NAD(P)H) da maioria dessas bactérias, está con-tido em um complexo sistema cito-plasmático de membranas.

As bactérias nitrificantes obtêm a energia para crescer a partir de compostos inorgânicos nitrogenados reduzidos, principalmente amônia (NH3) e nitrito (NO2-).

Um grupo de nitrificadores, denominado “oxidante da amônia” ou nitrosificantes, oxida a amônia a nitrito. Um outro grupo, os “oxidantes de nitrito”, também conhecido como as bactérias nitrificantes verdadeiras (produtoras de nitrato), oxidam nitrito a nitra-to. As equações abaixo evidenciam a estequiometria geral desses processos:

Equação Q12 NH3 + 3 ½ O2 → 2 NO2- + 3 H2O

Equação Q2NO2- + ½ O2 → NO3-

Para realizar a oxidação completa da amônia a nitrato é necessária a atividade se-qüencial dos dois grupos de bactérias acima citados, visto que nenhuma bactéria nitri-ficante sozinha tem a capacidade de realizar esses dois passos seqüenciais. Assim, para garantir a oxidação efetiva da amônia a nitrato, é necessário que esses dois grupos de bactérias nitrificantes cresçam em estreita associação e que esses dois passos estejam perfeitamente acoplados.

Em geral, a denominação de gênero iniciada por “nitroso” é dada às bactérias ni-trosificantes e a denominação iniciada por “nitro” é dada às bactérias nitrificantes verda-deiras (que produzem nitrato). As nitrosificantes são geralmente do gênero Nitrosomonas e as nitrificantes verdadeiras são geralmente do gênero Nitrobacter.

Grupo oxidante da amônia – nitrosificantes

A oxidação da amônia a ácido nitroso ocorre em dois passos, como mostrado nas equações abaixo, tendo como intermediário a hidroxilamina (NH2OH):

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Saiba mais

A enzima AMO (amônia mono-oxigenase) é uma proteína integral de membrana, cuja atividade enzimática é essencial para esse processo. Apresenta uma ampla especificidade, podendo também oxidar metano, o que a torna semelhante à bactéria oxidante de metano. Esta enzima é inibida por várias substâncias, incluindo o acetileno (muito utilizado em investigações na área ecológica).

Saiba mais

A enzima HAO (hidroxilamina oxido-redutase) é uma enzima periplasmática que catalisa a reação de oxidação da hidroxilanina a HNO e subsequentemente a ácido nitroso, gerando energia. O HNO pode ser degradado, espontaneamente, a N2O, óxido nitroso (conhecido como “gás hilariante” e que, se você procurar saber mais sobre ele, verá que já foi utilizado como anestésico).

Equação Q3NH3 + O2 + XH2 → NH2OH + H2O + XA reação acima é catalisada pela enzima amônia mono-oxigenase (AMO).

Equação Q4aNH2OH + X → HNO + XH2

X é um carreador de hidrogênio, como o NAD+.

Equação Q4bHNO + H2O → HNO2 + 2 H+ + 2e-

A enzima que catalisa as reações Q4a e b acima é a hidroxilamina oxido-redutase (HAO) e a variação de energia livre padrão (ΔG°’) da oxidação de amônia a ácido nitroso é -275 kJ/mol.

É importante notar que o potencial redutor gerado na equação Q4a “alimenta” a reação Q3 e os elétrons da equação Q4b são transportados por um amplo sistema de cito-cromos ligado à membrana bacteriana. Esse fluxo de elétrons gera energia livre suficiente para a síntese de ATP. Como?

Bem, se você se recorda do mecanismo de fotofosforilação, fica mais fácil entender o que ocorre neste caso. Os ácidos gerados pela oxidação de compostos inorgânicos nitro-genados resultam na liberação de prótons (H+) que são transportados através da membra-na, gerando uma força próton-motriz e viabilizando a síntese de ATP pela ATPase (ATP sintase) da membrana celular. O poder redutor gerado durante os processos de oxidação é utilizado nas reações de fixação de CO2 que ocorrem no ciclo de Calvin.

Grupo oxidante de nitrito – nitrificantes verdadeiras

A oxidação do nitrito a nitrato ocorre em apenas um passo, como apresentado na equação abaixo, catalisado pela enzima nitrito oxido-redutase (NOR) e o ΔG°’ é -76 kJ/mol:

Equação Q6NO2- + H2O → NO3- + 2 e- + 2 H+

Os elétrons provenientes da água fluem por uma cadeia de citocromos até o oxigê-nio, reduzindo a água no citoplasma da célula bacteriana. O gradiente resultante do acú-mulo de prótons no espaço periplasmático gera uma força próton-motriz através da mem-brana celular, que é utilizada para a síntese de ATP, por mecanismos quimiosmóticos.

O potencial redutor (NAD(P)H) é gerado por transferência reversa de elétrons, um processo que requer energia. Nesse processo, a enzima ATP sintase da membrana, ao invés de sintetizar ATP (como geralmente faz), hidrolisa-o liberando energia para reduzir NADP+ a NADPH que será utilizado na redução de CO2 em carboidratos no ciclo de Calvin.

O sistema gerador de energia das bactérias nitrificantes tem um rendimento relati-vamente baixo. Isso implica restrições energéticas para esses organismos, especialmente para as oxidantes de nitrito. Talvez, para contornar, em parte, essa forte restrição energéti-ca, a maioria dos oxidantes de nitrito é também quimiorganotrófica, podendo usar glicose e outros substratos orgânicos como fonte de energia.

Atividade complementar 16O metabolismo das bactérias nitrificantes é, em geral, estritamente aeróbio. Entre-tanto a amônia também pode ser oxidada em condições anóxicas, por meio de um processo denominado “anamox”. Pesquise sobre esse processo e compare-o com o descrito acima.


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Os organismos nitrificantes têm o metabolismo muito ativo, o que compensa suas concentrações relativamente baixas no ambiente. O nitrito, agente mutagênico para plan-tas e animais, não se acumula porque é rapidamente oxidado a nitrato, em função da associação entre oxidantes de amônia e oxidantes de nitrito.

No solo, a atividade das bactérias nitrificantes é fundamental para a ciclagem do nitrogênio. A alta solubilidade do nitrato permite que ele seja rapidamente carreado pela água de superfície. Além disso, organismos denitrificadores podem converter o nitrato em nitrogênio gasoso, facilitando sua eliminação do solo.

Outro ponto relevante em termos ambientais é o óxido nitroso (N2O), substância intermediária formada nos processos realizados pelos organismos nitrificadores e denitri-ficadores, a qual pode reagir fotoquimicamente com o ozônio atmosférico, o que pode-ria comprometer a camada de ozônio. Todavia, a atividade bacteriana existe há bilhões de anos e não inviabilizou o estabelecimento e a manutenção dessa camada. O problema vigente da destruição da camada de ozônio é, quase certamente, decorrente do avanço tecnológico da civilização humana, especialmente a liberação de CFC (cloro-fluor-carbo-no) na atmosfera.

Atividade complementar 17A liberação de CFC tem sido alvo de discussão no mundo todo. Pesquise sobre esse tema e discuta com seus pares sobre os fatores que contribuem para o comprome-timento da camada de ozônio. Seria interessante também refletir sobre possíveis alterações nas atividades humanas que poderiam evitar o avanço da destruição da camada de ozônio.

Oxidantes de enxofre

A oxidação de compostos inorgânicos reduzidos, contendo enxofre é a fonte de energia para muitos grupos de bactérias litotróficas. Dois desses grupos, os “oxidantes de enxofre unicelulares” e os “oxidantes de enxofre filamentosas”, fazem parte do domínio Eubactéria. Outros oxidantes de enxofre, como a família Sulfolobaceae, fazem parte do do-mínio Archaea. Algumas bactérias, como a Thiobacillus ferrooxidans, podem oxidar também pirita (FeS2), formando óxido e sulfato férrico e podem obter energia tanto da oxidação do ferro quanto do enxofre. Trataremos aqui do metabolismo energético de alguns grupos de Eubactérias.

Figura 20:Thiobacillus thiooxidans.

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Saiba mais

Durante o crescimento das bactérias sulfurosas há uma diminuição do pH resultante da produção de ácido sulfúrico, podendo chegar a pH 1,0, como no caso da bactéria acidofílica Thiobacillus thiooxidans. Mesmo em tal condição extrema de pH, o organismo mantém a viabilidade.

Os principais gêneros do grupo de Eubactérias oxidantes de enxofre unicelulares são o Thiobacillus, que habita o solo e a água; o Thiomicrospira, comum em habitats mari-nhos; e o Thermothrix, que cresce em temperaturas entre 40 e 80°C em condições de pe-quena disponibilidade de oxigênio. Os oxidantes de enxofre filamentosos são comuns em ambientes aeróbicos que têm disponibilidade de sulfeto. Esse tipo de habitat, que favorece um ciclo ativo de enxofre, é denominado “sulfureta”. Os gêneros mais estudados são o Beggiatoa e o Thioploca.

Algumas eubactérias oxidantes de enxofre usam como fonte de energia o enxofre elementar (S0), outras usam tiossulfato (S2O3

2-). O sulfeto também é utilizado e pode ser fornecido como sulfeto de hidrogênio ou como sulfeto metálico (como sulfeto de ferro ou de cobre). Algumas espécies que usam o sulfeto de hidrogênio (H2S) como fonte de energia podem depositar o enxofre elementar, resultante da oxidação inicial do H2S, em seu interior. Essa reserva de energia pode atender à demanda energética em situações emergenciais, através da oxidação do enxofre em sulfato.

Cabe salientar que o enxofre elementar tem baixíssima solubilidade, o que poderia comprometer sua absorção quando é fornecido a partir de fonte exógena. Se for este o caso, é necessário que o organismo cresça aderido à partícula de enxofre, para que possa obtê-lo. Esse processo de aderência é, provavelmente, mediado por proteínas de membra-na ou periplasmáticas, que solubilizam o enxofre, por meio da redução de S0 a HS-, que, a seguir, pode ser internalizado e utilizado no metabolismo quimiolitotrófico.

Há, ainda, bactérias que têm versatilidade para oxidar três fontes diferentes de en-xofre. Entretanto, independentemente da forma de enxofre oxidada, o produto final será o ácido sulfúrico, como ilustrado pelas equações apresentadas abaixo:

Equação Q7S2- + 4 O2 → 2 SO4

2-

Equação Q82 S0 + 3 O2 + 2 H2O → 2 H2SO4

Equação Q9S2O3

2- + 2 O2 + H2O → 2 SO42- + 2 H+

Um exemplo interessante é o caso do Thiobacillus spp., em que o sulfeto, o en-xofre elementar e o tiossulfato podem ser os substratos reduzidos a serem oxidados pela enzima sulfeto oxidase para formar sulfito, o qual pode seguir dois diferentes caminhos metabólicos.

O caminho mais comum envolve a oxidação do sulfito (SO32-) a sulfato pela enzima

sulfito oxidase, que transfere elétrons para o citocromo c, gerando o bombeamento de pró-tons e a síntese de ATP. Alternativamente, o sulfito é oxidado a sulfato, que é transferido para AMP (adenosina monofosfato) para formar adenosina fosfosulfato (APS). A enzima que catalisa essa reação é a adenosina fosfosulfato redutase, atuando de forma reversa. O ATP é formado a partir do gradiente de prótons e o ADP por fosforilação ao nível do substrato.

Esses dois caminhos metabólicos são ilustrados pelas equações que se seguem:

Equação Q10.1SO3

2- → SO42- + 2 e-

Equação Q10.2aSO3

2- + AMP → APS + 2 e-

Equação Q10.2bAPS + Pi → ADP + SO4

2-


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De uma forma geral, todos os elétrons obtidos a partir de compostos sulfurados reduzidos são transportados até o O2 através de um sistema de carreadores de elétrons, gerando uma força próton-motriz que viabiliza a síntese de ATP.

O potencial redutor requerido para a fixação autotrófica de CO2 pelo ciclo de Cal-vin é obtido, como no caso das bactérias oxidantes de nitrito, a partir do fluxo reverso de elétrons; o que implica gasto extra de ATP.

O grupo dos quimiolitotróficos do enxofre é, em sua maioria, aeróbio, mas algumas espécies, como a Thiobacillus denitricans, podem crescer anaerobicamente, usando nitrato como aceptor de elétrons.

Oxidantes de ferro

A crosta terrestre tem ferro em abundância, sendo encontrado na natureza, princi-palmente nas formas férrica (Fe3+) e ferrosa (Fe2+). Além da redução de natureza química, o Fe3+ pode ser reduzido através dos mecanismos da respiração anaeróbia e o Fe2+ pode ser reduzido, como apresentado, por meio do metabolismo quimiolitotrófico. As bacté-rias oxidantes de ferro apresentam um metabolismo muito interessante envolvendo essas formas de ferro. Além disso, estão relacionadas a importantes processos ecológicos, espe-cialmente em ambientes poluídos por ácidos.

São poucas as espécies de bactérias capazes de obter energia a partir da oxidação do ferro ferroso (Fe2+) ao ferro férrico (Fe3+) e os oxidantes conhecidos requerem oxigênio para realizar esse processo. Para viabilizar o crescimento dessas bactérias é necessário que grande quantidade de ferro seja oxidada, pois a quantidade de energia disponibili-zada por meio desse processo de oxidação é pequena.

Em meio aquoso, o ferro férrico (Fe3+) produzido tende a precipitar como hidróxido férrico [Fe(OH)3]. Ferro ferroso (Fe2+) é instável em condições aeróbias e pH fisiológico (próximo à neutralidade), visto que sua oxidação ocorre espontaneamente. Contudo, em pH ácido, mesmo em condições óxicas (presença de O2), o Fe2+ é estável.

Assim, as bactérias que realizam esse processo ou vivem em condições de pH mui-to ácido (são acidófilas obrigatórias) ou em ambientes com baixíssima disponibilidade de O2. As espécies de bactérias oxidantes do ferro (Figura 21) mais conhecidas são a Thiobacillus ferrooxidans, a Leptospirillum ferrooxidans, a Gallionella ferruginea e a Sphaerotilus natans.

Figura 21:a) Thiobacillus ferrooxidans;

b) Leptospirillum ferrooxidans;

c) Gallionella ferruginea;

d) Sphaerotilus natans, espécies de bactérias oxidantes de ferro.

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As espécies de oxidantes de ferro Thiobacillus ferrooxidans e Leptospirillum ferrooxidans crescem caracteristicamente em meio ácido (como os escoadouros de minas de carvão), utilizando Fe2+ como doador de elétrons. Essas bactérias crescem em associação com bactérias oxidantes de enxofre e têm um papel importante na poluição de minas ácidas e na oxidação mineral.

Algumas espécies oxidantes de ferro vivem em pH neutro, apesar do Fe2+ ser ins-tável em tais condições, a partir da utilização do Fe2+ mobilizado de condições anóxicas para condições óxicas. As regiões de interface entre águas subterrâneas anóxicas (ricas em Fe2+) e o ar (como, por exemplo, “bolsões de ar”) viabilizam esse processo. Espécies como Gallionella ferruginea e Sphaerotilus natans crescem em tais interfaces e oxidam o Fe2+, gerado em ausência de O2, antes que a oxidação espontânea se processe.

A bactéria aeróbica Thiobacillus ferrooxidans obtém energia oxidando Fe2+ por um processo muito interessante, na medida em que consegue tirar vantagens energéticas a partir das características de seu ambiente. Ela utiliza o ferro como fonte de energia em um ambiente em que o pH externo é dois. O pH citoplasmático sob essas condições é cerca de seis. Em pH dois o ferro está principalmente na forma solúvel (Fe2+) e há uma grande disponibilidade de H+ nas proximidades da superfície da membrana externa.

A cadeia de transporte de elétrons dessas bactérias contém citocromos dos tipos c e a1 e rusticianina, uma proteína periplasmática que contém cobre. A rota de fluxo de elétrons até o oxigênio (O2/H2O, E0’, potencial padrão de redução igual a +0,82) tende a ser muito curta, especialmente devido ao elevado E0’ do par Fe3+/Fe2+ (+0,77V, em pH 2).

A oxidação inicia-se no periplasma, onde a rusticianina remove os elétrons do Fe2+ produzindo Fe3+ insolúvel. A rusticianina reduzida transfere elétrons para o citocromo c e este, então, reduz o citocromo a1 na superfície interna da membrana citoplasmática. Os elétrons, então, são transferidos para o oxigênio (1/2O2) com a concomitante captação de prótons (H+) do citoplasma, reduzindo-o a H2O.

Uma série dessas reações pode resultar em diminuição da concentração de H+ no interior da célula e, conseqüentemente, em um gradiente de H+ através da membrana (maior concentração de H+ externamente). Os H+ tendem a dirigir-se do ambiente externo para o ambiente interno (a favor do gradiente de concentração), liberando energia para a síntese de ATP pela ATPase da membrana.

Assim, podemos dizer que a função da cadeia de transporte de elétrons na Thioba-cillus ferrooxidans é bombear elétrons de fora para o citoplasma, onde por sua vez os H+ são removidos (durante a formação de H2O), promovendo a síntese de ATP.

Dessa forma, havendo disponibilidade de Fe2+ para T. ferroxidans, a síntese de ATP pode ocorrer devido à força próton-motriz resultante do gradiente natural existente através da membrana citoplasmática.

A equação abaixo ilustra o processo de oxidação do Fe2+ a Fe3+, com redução do oxigênio a H2O:

Equação Q112 Fe2+ + O2 + 2 H+ → 2 Fe3+ + H2O

As bactérias T. ferroxidans utilizam como fonte de carbonos o CO2 e requerem ATP e potencial redutor para reduzi-lo a compostos orgânicos através do ciclo de Cal-vin. O potencial redutor é obtido por meio do fluxo reverso de elétrons (já mencionado), com gasto extra de ATP.


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Oxidantes de hidrogênio

A capacidade de utilizar o gás hidrogênio (H2) como doador de elétrons é com-partilhada por um grande número de organismos quimiolitotróficos, tanto do domínio Bacteria quanto do Archaea. Os principais gêneros são Ralstonia e Alcaligenes.

Consideraremos aqui, especialmente, as bactérias oxidantes de H2 que desenvolvem metabolismo aeróbio, embora muitos destes oxidantes realizem o metabolismo anaeró-bio para crescer, utilizando diferentes aceptores de elétrons, como o nitrato e o sulfato.

O hidrogênio gasoso (H2) é uma excelente fonte de energia e sua oxidação é realiza-da por diferentes grupos de Eubacterias. Um grupo, denominado mesofílico, é quimioli-totrófico facultativo e pode usar também fonte orgânica de carbono para crescer.

Um segundo grupo é o constituído por Eubactérias termofílicas e há ainda dois ou-tros grupos, as carboxidobactérias, que oxidam monóxido de carbono (CO) e hidrogênio, e as bactérias acetogênicas, que produzem ácido acético a partir de CO2.

Os organismos oxidantes de hidrogênio típicos conservam energia na forma de ATP, a partir da força próton-motriz gerada na reação de oxidação do H2 pelo O2.

A reação geral, apresentada abaixo, envolve a liberação de grande quantidade de ener-gia (ΔG°’= -237 kJ/mol) e é catalisada pela hidrogenase, uma enzima ligada à membrana.

Equação Q12H2 + ½ O2 → H2O

Os elétrons do H2 são transferidos para o O2 através de uma cadeia de transporta-dores constituída por uma quinona e uma série de citocromos.

O metabolismo de algumas espécies oxidantes de H2 envolve duas hidrogenases, uma associada à membrana envolvida com a energética de síntese de ATP e uma hidroge-nase solúvel que oxida o H2 e transfere os elétrons, diretamente, para NAD+, reduzindo-o a NADH. Como o potencial redutor do H2 (-0,42) é muito baixo viabiliza essa transferên-

Figura 22: Alcaligenes eutrophus, bactéria oxidante de hidrogênio.

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cia direta de elétrons, evitando o gasto de ATP para gerar poder redutor através do fluxo reverso de elétrons.

As bactérias oxidantes de H2 quimiolitotróficas podem usar CO2 como fonte única de carbono e, assim, realizam a redução do carbono através do ciclo de Calvin. A equação abaixo apresenta a estequiometria geral desse processo. A fórmula (CH2O) está represen-tando compostos celulares:

Equação Q136 H2 + 2 O2 + CO2 → (CH2O) + 5 H20

Como já mencionado, a maioria das bactérias oxidantes de H2 típicas é quimioli-totrófica facultativa, ou seja, é também quimiorganotrófica (isto é, capaz de crescer utili-zando compostos orgânicos como fonte de energia). Essa é uma das principais diferenças entre os quimiolitotróficos do hidrogênio e as diversas bactérias quimiolitotróficas de en-xofre e nitrificantes, cujos membros são, em sua maioria, quimiolitotróficos obrigatórios.

As bactérias oxidantes de H2 típicas, quando em condições de grande disponibili-dade de compostos orgânicos como a glicose, têm a síntese das enzimas hidrogena-ses e a repressão das do ciclo de Calvin. Assim, tais bactérias, para tirar proveito de tal versatilidade, precisam dispor de um mecanismo de regulação muito sensível para alterar a atividade das suas enzimas, em função da disponibilidade de mate-rial, aos metabolismos quimiolitotrófico e quimiorganotrófico.

Um aspecto importante a ser ressaltado é que a maioria das bactérias do hidrogê-nio tem o crescimento favorecido por condições microaeróbias. Nestas condições, elas utilizam o metabolismo quimiolitotrófico a partir do H2, pois a hidrogenases são sensíveis ao oxigênio. Concentrações de oxigênio entre 5% e 10% e a presença de níquel (Ni2+ é co-fator das hidrogenases) favorecem o crescimento das bactérias oxidantes de H2.

Assim sendo, considerando que na natureza a disponibilidade de H2 em ambientes óxicos é muito baixa e inconstante, é provável que as interfaces entre ambientes óxicos e anóxicos tenham as condições mais adequadas para o crescimento desses microorga-nismos, visto que nessas regiões o H2 resultante do metabolismo fermentativo de alguns organismos ficaria disponível em maior quantidade e maior constância, favorecendo o metabolismo quimiolitotrófico de H2 nessas bactérias.

Carboxidobactérias

Antes de abordarmos as carboxidobactérias, é importante ressaltar alguns aspectos do monóxido de carbono (CO).

O CO é gerado pela combustão incompleta de madeira, carvão e óleo, sendo, por-tanto, comum no ambiente. CO é um composto letal para os seres humanos e para outros animais, pois se liga irreversivelmente à hemoglobina, comprometendo o transporte de oxigênio aos tecidos e, conseqüentemente, o metabolismo aeróbio. Contudo, os níveis de CO na atmosfera não têm sofrido alteração significativa por muitos anos. Provavelmente, o fator mais importante na manutenção dos níveis de CO atmosféricos seja o consumo microbiano de CO.

Felizmente, para todos nós, as carboxidobactérias estão amplamente distribuídas no solo e em ambientes aquáticos e são muito eficientes na degradação do CO. A presença de bactérias carboxidotróficas nas camadas superficiais do solo é fundamental para retirar o CO liberado em ambientes óxicos, que ocorre principalmente pela combustão incomple-ta de combustíveis fósseis, pelos escapamentos de carros e pelo catabolismo da lignina.


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As espécies de bactérias carboxido-tróficas (Figura 23) mais conhecidas são a Pseudomonas carboxydovorans, Bacillus sch-legelii e Alcaligenes carboxydus. Certamen-te, a atividade das carboxidobactérias é o principal escoadouro de CO na natureza, representando assim um processo ecológi-co essencial.

As carboxidobactérias obtêm ener-gia oxidando H2 e monóxido de carbono (CO) formando dióxido de carbono (CO2) e constituem um grupo especial de bacté-ria do hidrogênio. Essa reação é catalisa-da pela desidrogenase de monóxido de carbono, uma enzima que contém molib-dênio. A equação geral abaixo representa esse processo:

Equação Q14CO + H2 + ½ O2 → CO2 + 2 H+ + 2 e-

Os elétrons provenientes da oxidação de CO em CO2 são transferidos para uma cadeia transportadora de elétrons, promovendo a conservação de energia na forma de ATP. Essas bactérias oxidantes de CO, também denominadas carboxidotróficas, são autotróficas, ou seja, geram seus compostos orgânicos a partir da fixação de CO2 pelo ciclo de Calvin.

Bactérias do hidrogênio termofílicas

O grupo das bactérias do hidrogênio termofílicas compreende a ordem Aquificales e contém os gêneros termofílicos Hydrogenobacter e Aquifex, que crescem em fontes termais. Algumas espécies do gênero Hydrogenobacter crescem em temperaturas ótimas entre 70 e 75°C e algumas do gênero Aquifex podem crescer em temperaturas tão altas quanto 95°C.

Nenhuma espécie desse grupo pode crescer utilizando fonte de carbono orgânica. Dessa forma, seus componentes podem ser considerados, de fato, quimiolitotrófi-cos do hidrogênio obrigatórios.

Todas as espécies conhecidas requerem oxigênio, porém em concentrações extre-mamente baixas. O CO2 não é fixado através das reações do ciclo de Calvin, mas utilizan-do o ciclo do ácido cítrico redutivo (ou reverso).

O ciclo do ácido cítrico reverso é um mecanismo de carboxilação redutiva para fixação do CO2 que é, essencialmente, o reverso do ciclo do ácido cítrico. O acetato é o principal intermediário e uma volta completa tem como resultado líquido a produ-ção de uma molécula de acetil-CoA. Esse componente pode, prontamente, entrar no ciclo do ácido cítrico sintético, disponibilizando precursores metabólicos essenciais.

Bactérias acetogênicas

O grupo das bactérias acetogênicas compreende bactérias anaeróbias que podem usar hidrogênio como fonte de energia e dióxido de carbono como aceptor final de elé-

Figura 23: Carboxidobactéria.

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trons, gerando ácido acético como produto final, de acordo com a equação geral apresen-tada a seguir:

Equação Q154 H2 + 2 CO2 → CH3COOH + 2 H2O

Essas bactérias quimiolitotróficas acetogênicas utilizam a via do Acetil Coenzima A (CoA) para realizar a redução do CO2. Parte do acetato produzido pelo crescimento au-totrófico é, então, usado como fonte de carbono para a síntese de componentes celulares. Esses organismos são considerados autotróficos porque sintetizam seu próprio material celular a partir de CO2.

A via do Acetil-CoA, também denominada via de Ljungdahl-Wood em homenagem aos seus descobridores, gera uma molécula de acetato a partir de duas moléculas de CO2.

Não é uma via cíclica como o ciclo de Calvin. De fato, envolve a redução do CO2

utilizando duas vias lineares. Uma molécula de CO2 é reduzida ao grupo metil do acetato e a outra é reduzida ao grupo carbonil. O processo é finalizado pela geração de acetil-CoA. Uma enzima-chave, a monóxido de carbono desidrogenase, catalisa a reação de redução do CO2 a CO, usando uma molécula de H2, como mostrado na equação abaixo:

Equação Q16CO2 + H2 → CO + H2O

O CO produzido é incorporado ao acetato na posição carbonil (-COO-). O grupo metil resulta da redução do CO2 através de uma série de reações envolvendo a coenzima tetraidrofolato. Esse grupo metil é, então, transferido para uma enzima contendo vitami-na B12 como cofator.

No mecanismo de reação da etapa final, o grupo CH3, que está ligado a um átomo de níquel da enzima, é condensado ao CO, que está ligado a um átomo de ferro da enzima, juntamente com a coenzima A, para gerar acetil-CoA como produto final. Há requerimen-to de ATP no início desse processo.

Essas bactérias conservam energia na forma de uma molécula de ATP durante a conversão de acetil-CoA em acetato (via acetil-fosfato), pelo mecanismo de fosforilação ao nível do substrato, entretanto a maior parte da energia é conservada devido ao estabele-cimento de um gradiente de Na+ através da membrana, gerando uma força sódio-motriz (análoga à força próton-motriz, que envolve H+) que dirige a síntese de ATP catalisada pela ATPase de membrana.

Finalmente, cabe ressaltar que o conhecimento sobre quimiossíntese conduziu-nos ao mundo versátil, surpreendente e maravilhoso dos microrganismos. Contudo, o conjun-to de informações acima representa apenas uma “pincelada” deste amplo, e ainda miste-rioso, quadro da vida bacteriana. Certamente, você, caro aluno, terá novas oportunidades para conhecer e apreciar com mais cuidado o fantástico mundo bacteriano.

Nelson, David L.; Cox, Michael M. Lehninger Principles of Biochemistry. 4. ed. Freeman, 2004.

M. Berg, Jeremy; Tymoczko, John L.; Stryer, Lubert. Biochemistry. 5. ed. Freeman, 2002.

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#M2U12 IV. Referências


Biológico

P

BSC

B

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Madigan, Michael; Martinko, John; Parker, Jack. Microbiologia de Brock. 10. ed. Tradução: NOME DO TRADUTOR. CIDADE: Pearson Prentice Hall, 2004.

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(23) M2 EB U12 Oknead.uesc.br/arquivos/Biologia/bloco2/M2_EB_U12.pdf · energia, como por exemplo, a geração de biomassa por meio da fixação dos carbonos do CO 2 em compostos