2.1 O Metabolismo do Carbono2.1.1 FotossínteseNos primeiros períodos geológicos, uma membrana com atividade fotossintética sedesenvolveu em procariontes primitivos (arqueobactéria,1 bactérias sulfurosas,2

cianobactérias3 ) quando o ambiente era fortemente anóxico. A atmosfera primitivaera redutora e a hidrosfera também continha pouco oxigênio livre. Por meio da atividadefotossintética dos organismos autotróficos foi criada a base material e energética paraa evolução da vida na Terra (Figura 2.1). Ambos os produtos finais da fotossíntese, ooxigênio e o carbono assimilado, são igualmente importantes para todos os organis-mos vivos. O oxigênio tornou-se condição prévia para a respiração, a forma eficientede oxidação biológica como fonte de energia para o metabolismo e de constituintesestruturais da célula. Os carboidratos tornaram-se substratos universais para a respi-ração e o ponto de partida para diferentes biossínteses. Com a progressiva evoluçãoaté a elevada diferenciação em plantas vasculares terrestres, a produção vegetal tam-bém aumentou. As comunidades vegetais constituem, graças ao trabalho fotossintético,uma fonte imensuravelmente grande, constante e renovável de biomassa e, portanto,de bioenergia.

Pela fotossíntese, a energia radiante é absorvida e transformada em energia deligação química: 479 kJ de energia química são fixados por cada átomo-grama decarbono assimilado. Durante o processo de assimilação do carbono tomam parte pro-cessos fotoquímicos dirigidos pela luz, processos enzimáticos não dependentes daradiação (as chamadas reações do escuro) e os processos de difusão, que são as trocasde dióxido de carbono e oxigênio entre o cloroplasto e a atmosfera.

2O Balanço de Carbonodas Plantas

1. N.T.: Bactérias que apresentam características distintas em relação às eubactérias (a maioria das bac-térias), incluindo, por exemplo, a estrutura de seu ARN ribossômico e seus componentes lipídicos.Este grupo inclui as bactérias produtoras de metano (metanogênicas) e bactérias halofílicas.

2. N.T.: Nas bactérias sulfurosas fotossintetizantes, os compostos de enxofre são os doadores de elétrons,desempenhando na fotossíntese bacteriana o mesmo papel da água na fotossíntese das plantas.

3. N.T.: Algas azul-verdes ou cianobactérias, alguns microbiologistas consideram tais algas como bacté-rias.

69

70 Ecofisiologia Vegetal Cap. 2

?CO2

CO2

O2

NH3 H2 N2

O2,N2

Organismosprotocelulares

Organismoseucarióticos

Organismosfototróficos

Liberação de O

pela fotossíntese2

Algas

Plantassuperiores

Plantassuperiores

Ciano-bactériasBactérias

fotossintéticas

Respiraçãoatmosférica

Contribuiçãorelativa para

a fotossíntesetotal

Concentraçõesrelativas de O

e C e

radiaçãosolar incidentena superfície

terrestre

2

2O

4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

Concentração atual 35 Pa CO2

21 kPa O2

Radiaçãosolar

Idade da Terra (em bilhões de anos)

Anaeróbia Aeróbia

Eukaryontische algen

Ozônio

Figura 2.1 Possíveis passos da evolução da fotossíntese e sua influência em nível global. SegundoLawlor, (1993).

Cada um desses processos é influenciado por fatores internos e externos e, porconseqüência, podem limitar o rendimento assimilatório como um todo. Na próximaseção, os processos bioenergéticos e bioquímicos da fotossíntese são tratados somen-te em suas características fundamentais e na abrangência necessária para a compreen-são dos aspectos ecofisiológicos.

2.1.1.1 O Processo Fotoquímico: Conversão de EnergiaA condição prévia para o processo fotossintético ocorrer é a absorção de energia radiantepelos cloroplastos. Os receptores de radiação da fotossíntese são as clorofilas, commáximos de absorção na faixa do vermelho e do azul (veja a Figura 1.32b), bem comoos pigmentos acessórios (caroteno e xantofila) com absorção no azul e no UV. Nascianobactérias, algas vermelhas e criptomonadinos ocorrem também biliproteínas(ficocianina e ficoeritrina). Bactérias púrpuras fotoautotróficas possuembacterioclorofila com absorção máxima no vermelho extremo. A absorção da radia-ção depende em grande parte da concentração do pigmento fotossinteticamente ativo,o qual, em condições de forte radiação, pode se tornar o fator limitante para o proces-so fotoquímico (Figura 2.2).

A deficiência de clorofila pode ser reconhecida pela coloração pálida ou mesmoesbranquiçada da folha (clorose) e ocasiona uma considerável redução na intensidadefotossintética. A defiência de clorofila muitas vezes ocorre no começo do desenvolvi-mento da folha e novamente no outono, em climas temperados, quando as folhas setornam amareladas. A destruição da clorofila ocorre também devido a uma radiação

Cap. 2 O Balanço de Carbono das Plantas 71

muito forte ou muito fraca, por uma perda no balanço em relação ao abastecimentomineral, pelo efeito prejudicial de um gás ou ainda devido a uma infecção virótica.Por último, a deficiência de clorofila pode também ser condicionada geneticamente,como em mutantes com folhas variegadas ou totalmente amareladas.

15

10

5

6014

10

6 612

2

24

42Clorofila [ g . cm]

m–2

Theobroma

cacao

O sítio onde a fotossíntese acontece é o cloroplasto. Essa organela está envolvi-da por uma membrana dupla e seu estroma contém um sistema de membranas forman-do tilacóides (com os pigmentos fotossinteticamente ativos), ribossomos, plasmídeos4

(o genoma dos cloroplastos) e diferentes inclusões (por exemplo, depósitos de lipídeose glicídeos). A conversão de energia radiante em energia química se sucede nostilacóides.

O processo fotoquímico ocorre assim que os cloroplastos absorvem a radiaçãofotossinteticamente ativa. No âmbito das reações fotoquímicas participam dois siste-mas de pigmentos que trabalham em série. Cada um dos fotossistemas está ligado aum complexo proteína-pigmento (CCR = complexo de coleta de radiação) (Figura2.3). Nos pigmentos-antena (clorofila, feofitina, ficobilina nas cianobactérias e algas,além de carotenóides), os quanta de luz são absorvidos e a energia é passada para ocentro de reação. O fotossistema I (FSI) é filogeneticamente mais antigo e consiste emvários pigmentos estruturalmente ordenados, nos quais a clorofila é predominante. Ocomplexo clorofila a-proteina está inserido no centro de reação, com um pico de ab-sorção em 700 nm (P

700 é o nome alternativo para este complexo). A relação entre a

quantidade total de clorofila e P700

é de 300:1 a 600:1, dependendo da espécie e doestado da planta. O fotossistema II contém um complexo clorofila a-proteína com opico de absorção em 680 nm (P

680) com mais clorofila b e xantofila que o PSI. A

xantofila tem um papel importante no desvio da energia excedente (veja na Seção6.2.1.1 o ciclo da xantofila).

A radiação fotossinteticamente ativa excita a clorofila no centro de reação, in-duzindo esta à perda de elétron, o qual será utilizado para a redução do NADP+. Paraa nova redução da clorofila é necessário um elétron, e este está disponível após a

Figura 2.2 Dependência da fotossín-tese potencial em relação ao conteúdode clorofila em folhas maduras de ca-cau (Theobroma cacao). As medidasforam realizadas sob saturação de CO2

(2.400 µl l –1 na atmosfera) com oobjetivo de excluir as limitações dosprocessos secundários da atividadefotossintética. Segundo Baker &Hardwick (1976).

4. N.T.: Filamentos circulares de DNA extracromossômicos, também veiculando informações genéticas.

72 Ecofisiologia Vegetal Cap. 2

fotólise da água ou de um outro doador de elétrons apropriado (por exemplo, H2S para

as bactérias fotoautotróficas). Para a otimização do trabalho fotossintético é necessá-rio um fluxo eletrônico bem sincronizado, do FSII para o FSI, pois essa transferênciaeletrônica é o fator limitante das reações dependentes da radiação. Pela fotólise daágua, além de um próton, também oxigênio é liberado. Os prótons se concentram nointerior dos tilacóides e, desta forma, um gradiente protiônico é formado entre o inte-rior e o exterior. Esse gradiente de cargas (diferentes valores de pH) providencia aformação do composto energético adenosina-trifosfato (ATP). Assim, o processofotoquímico fornece, por meio desse transporte não cíclico, um composto reduzido(NADPH

2), um composto universal de alta energia (ATP) e oxigênio:

2 2 2 2 2 228

2 2H O NADP ADP P NADPH ATP Oih+ + + → + ++ υ (2.1)

O elétron da clorofila P700

, após a absorção da radiação, pode também retornarpara um sistema de redução oxidando a molécula de clorofila novamente. Esse siste-ma cíclico de transporte eletrônico também está acoplado com a formação de ATP(fotofosforilação cíclica).

Q

QPQ

QB

QA

Fd Fd

FSIIFSI

P680

P700

FeS

FeS

Citb

Citf

Red2H

+nH

+

PLI

H O2 2H+ H

+2H · nH+

Canal de prótons

+12

O2

Lúmem do tilacóide

Membrana do tilacóide

NADPH 018 · H+

NADP–

ATP

ADP · PiFC

Calor

Fluorescência

FFFA

ECLA

CC

R

CC

R

CC

R

Estr

om

a

FFFA

2H+

Figura 2.3 Esquema bastante simplificado dos componentes que participam do transporte eletrôniconas membranas dos tilacóides durante a fotossíntese. ECLA = enzima catalisadora da lise da água. FSII =fotossistema II com o complexo coletor de radiação (CCR, área mais escura). P680 e plastoquinonascomo aceptores de elétrons QA e QB. PQ = “pool” de plastoquinona. Complexo citocromo b6/f contendo:ferridoxina (Fd), citocromo b6 (Citb), centro de enxofre-ferro (FeS) e citocromo F (Citf). PLI =plastocianina. FSI = fotossistema I com o complexo coletor de radiação (CCR, área mais escura), P700 eFeS. Fd + Red = ferridoxina-NADP+-redutase. FC = fator de acoplamento com ATP sintetase. PQ, PLI eFd são transportadores eletrônicos móveis. Segundo Hess (1991).

P700+ P680

Cap. 2 O Balanço de Carbono das Plantas 73

Somente uma parte da energia radiante absorvida é aproveitada no processofotoquímico; o restante é convertido em radiação fluorescente, fosforescente e calor.O registro da fluorescência em folhas intactas e tecidos verdes (fluorescência da clo-rofila a in vivo), especialmente durante a fase de indução pela exposição à radiaçãoapós uma fase de escuro (efeito Kautsky), permite avaliar o estado do fotossistema,do transporte eletrônico e a preparação do gradiente protiônico necessário à síntesedo ATP. Dentro de um questionamento ecofisiológico, a fluorescência in vivo se pres-ta especialmente para a investigação da adaptação à radiação e para a detecção dasmudanças do aparato fotossintético durante o desenvolvimento ou durante o estresse.

O Rendimento Quântico da FotossínteseO rendimento quântico das reações fotoquímicas depende da energia do quanta de luzabsorvido, que por sua vez depende do comprimento de onda. O rendimento quânticoda fotossíntese (Φa

) é o resultado da razão entre todo o trabalho fotoquímico e aabsorção dos quanta de luz. Ele pode ser mensurado em moles de O

2 liberado (ocasio-

nalmente também em moles de CO2 assimilado ou carboidrato formado) por mol de

fótons absorvidos (veja a Equação 2.2).

Φa Otrabalho fotoquímico mol O

quanta de luz absorvidos mol de fótons22=

( )

( ) (2.2)

Plantas terrestres conseguem um rendimento quântico de 0,05 a 0,12 mol O2 por

mol de fótons absorvidos (Björkman & Demmig, 1987; Long et al., 1993); plantasvasculares submersas, de 0,01 a 0,07; macroalgas, de 0,03 a 0,09; e microalgas, de0,07 a 0,012 moles de O

2 por mol de fótons absorvidos (Frost-Christensen &

Sand-Jensen, 1992).

2.1.1.2 Fixação e Redução do Dióxido de Carbono: Conversão de SubstânciasNas reações primárias, a energia ganha e o aumento do potencial de redução (forma-ção de ATP e NADPH

2, respectivamente) são empregados para a conversão do dióxido

de carbono em algumas substâncias de maior valor energético (carboidratos). Essasreações ocorrem no estroma do cloroplasto.

O Caminho de Fixação do CO2 via Pentose-Fosfato (Ciclo de Calvin-Benson)O dióxido de carbono que chega ao interior do cloroplasto é primeiramente fixado porum aceptor, a pentose-fosfato (Ribulose-1,5-bifosfato, RuBP). A carboxilação doaceptor é catalisada através da enzima RuBP-carboxilase-oxigenase (Rubisco). Essaenzima está contida na folha em grandes quantidades (representa 50% da proteínasolúvel do cloroplasto). O produto dessa carboxilação logo se decompõe em duasmoléculas de 3-ácido fosfoglicérico (PGA). Cada uma dessas duas moléculas contém3 átomos de carbono, por isso é dado o nome a essa fixação do carbono de via C

3. O

PGA é reduzido em muitas reações, consumindo ATP e NADPH2, até gliceraldeído-3-

fosfato (GAP). A redução do dióxido de carbono é dada quantitativamente na equa-ção 2.3.

74 Ecofisiologia Vegetal Cap. 2

nCO nAcp nNADPH mATP

CH O nNADP nAcp mH O

Enzima

n i

2 2

2 2

2 3

2 3nADP 3nP

+ + + →

+ + + + ++( )(2.3)

A triosefosfato (GAP) conflui para um “pool” de carboidratos com diferentesnúmeros de carbono em suas moléculas (C

3-C

7). Deste “pool”, múltiplos produtos do

metabolismo são formados (açúcar, amido, ácido carboxílico, aminoácidos) e, simul-taneamente, a Ribulose-1,5-bifosfato é regenerada.

A eficiência de carboxilação, ou seja, a velocidade com que o CO2 fixado é

processado, é limitada principalmente pela quantidade e atividade enzimática e peladisponibilidade de CO

2. Em segundo, a eficiência de carboxilação é influenciada por

vários outros fatores: concentração do aceptor, temperatura, grau de hidratação doprotoplasma, suprimento de substâncias minerais (especialmente fosfato), e grau dedesenvolvimento e atividade da planta. Os fito-hormônios, como o ácido abscísicoque regula o fluxo iônico, também intervêm na eficiência de carboxilação.

Por meio do aumento da concentração de CO2 no meio externo (na atmosfera ou

na água), o trabalho catalítico da RuBP-carboxilase/oxigenase é melhor aproveitado.Em plantas de pântano, a concentração de CO

2 nos espaços intercelulares pode au-

mentar até o valor de 4% devido à difusão deste gás originada nas raízes (Brix, 1990).Mecanismos de concentração do CO

2 são especialmente efetivos no auxílio do

trabalho de carboxilação:

1. Plantas aquáticas, as quais são precariamente abastecidas de CO2 quando

comparadas com as plantas terrestres, podem utilizar o HCO3– em adição ao CO

2 dis-

solvido. Essa capacidade está baseada em diferentes mecanismos, como no transporteativo de HCO

3– nas células (por exemplo, em cianofícias e algas verdes), conversão de

HCO3– em CO

2 pela anidrase carbônica na parede celular (em microalgas) e utilização

de HCO3– acoplado ao transporte polarizado de prótons H+ (em Characeae e em folhas

de macrófitas submersas). A anidrase carbônica, uma enzima que contém zinco, estána parede celular, no citosol e, especialmente, nos cloroplastos de todas as plantas,acelerando a conversão de HCO

3– em CO

2 por um fator de 100. O transporte polar nas

folhas de plantas aquáticas se realiza a partir de uma atividade intensificada da H+-ATPase após exposição à radiação da epiderme inferior. Essa atividade acarretadecaimento dos valores de pH no apoplasto da epiderme, alterando, assim, a relaçãoHCO

3–/CO

2 a favor do CO

2. O mecanismo de transporte é auxiliado pelas dobras da

membrana plasmática (semelhante às células de transferência )5 das células da epidermeinferior (por exemplo, Egeria densa). Cianobactérias, algas e plantas marinhasvasculares utilizam geralmente mais do HCO

3– do que a maioria das macrófitas de

água doce. No entanto, nem todos os órgãos das plantas vasculares submersas sãocapazes de obter carbono inorgânico dissolvido (CID) por meio desse mecanismo.Caules verdes com aerênquimas bem desenvolvidos se comportam como tecidos de

5. N.T.: Tipo celular encontrado em vegetais superiores, com muitas protuberâncias em suas paredes emuitos plasmodesmas, os quais aumentam o movimento de solutos. Estas células estão em associaçãocom células do xilema e do floema.

Cap. 2 O Balanço de Carbono das Plantas 75

plantas terrestres [por exemplo, Elodea e Egeria (Rascio et al., 1991)]. O ficobiontede liquens também utiliza mecanismos de concentração de CO

2. Assim, os liquens

podem ainda assimilar até mesmo em baixa pressão parcial de CO2 (Badger et al.,

1993).2. Em muitas plantas se constituiu a via do ácido dicarboxílico como um meca-

nismo específico de concentração de CO2 para a fixação, a qual será analisada em

seguida em detalhes.

A Via do Ácido Dicarboxílico para a Fixação do CO2Aproximadamente 10% de todas as espécies vegetais conhecidas têm como primeiroproduto da fixação do CO

2, não uma C

3-molécula, mas o ácido dicarboxílico com 4

átomos de carbono, que é resultado da β-carboxilação do ácido fosfoenolpirúvico(PEP). A redução para carboidrato ocorre, entretanto, sempre pela via pentose-fosfato.

A ligação entre CO2 e PEP ocorre por meio de uma reação bioquímica corriquei-

ra (reação de Wood-Werkman), a qual pode ser encontrada tanto em microrganismoscomo no metabolismo de organismos altamente desenvolvidos.

Do ponto de partida desta reação da via do ácido dicarboxílico geneticamentefixada (também chamada de via C

4 devido aos 4 átomos de carbono do ácido

oxalacético), duas variantes evoluíram.

1. Um processo de duas fases: fixação do CO2 (via C

4) e formação de carboidratos

(via C3) que se sucedem em tecidos separados espacialmente na folha (síndrome C

4).

2. Um processo em dois tempos distintos: fixação noturna do CO2 formando

ácido dicarboxílico, o qual é estocado nos vacúolos; durante o dia, este ácido édescarboxilado e o CO

2 se torna disponível para ser processado pela via da pentose-

fosfato no cloroplasto da mesma célula (Metabolismo Ácido das Crassuláceas, MAC,ou, na denominação inglesa muito utilizada, CAM, Crassulacean Acid Metabolism).

Uma visão geral das características marcantes das três diferentes vias metabóli-cas, C

3, C

4 e CAM, é dada na Tabela 2.1.

Dentro do grupo das plantas que utilizam a via do ácido dicarboxílico como viade fixação do CO

2, duas estratégias distintas de produção ocorrem: maximização da

assimilação devido à grande capacidade de trabalho (gramíneas C4) e flexibilidade e

acúmulo do carbono móvel (plantas MAC).Um indicador da extensão da participação da via C

4 no processo de assimilação

de carbono como um todo é a razão isotópica entre 13C e 12C na matéria seca dasplantas. A razão isotópica 13C/12C é registrada em partes por mil tendo por referênciaum padrão:

δ1313 12 13 12

13 12

1000C

C C C C

C Camostra padrão

padrão

=− ⋅( / ) ( / )

( / ) (2.4)

Atualmente, o 13CO2 está em uma concentração de aproximadamente 1,1% em

relação ao 12CO2 na atmosfera. A ocorrência do 13C na massa vegetal é baixa, porque

durante a carboxilação o 12C é favorecido pelas enzimas. A Rubisco favorece maisfortemente o 12C, discriminando mais o 13C quando comparada com a PEP-carboxilase(–28‰ e –9‰, respectivamente), a qual na verdade utiliza HCO

3–.