Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Rondônia

Campus Colorado do Oeste

Fotossíntese

Elaborado por: T.a. Ivan Júnior de Oliveira Vian

Contato: ivan071322@gmail.com

Facebook: Ivan Júnior

Fevereiro de 2016

Introdução

A síntese de compostos orgânicos a partir de recursos inorgânicos requer

energias que são adquiridas pelos organismos fotossintetizantes na forma de ATP

(energia) e NADPH (gerado pela oxidação de G6P - glicose-6-fosfato - que é um

açúcar fosforilado numa via glicolítica alternativa) num processo conhecido como

fotossíntese. Esse processo inicia-se com a absorção de luz solar por pigmentos

presentes nas células das plantas. A luz absorvida dirige uma serie de reações

fotossintéticas que levam a formação de carboidratos e outros componentes

orgânicos e celulares a partir do dióxido de carbono e água.

A fotossíntese constitui a rota por qual praticamente toda energia entra em

nossa biosfera. A cada ano, mais de 100 bilhões de toneladas de açúcar são

produzidas através de organismos fotossintetizantes em uma escala mundial. Até

mesmo os combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural), são produtos da

fotossíntese que se realizou há milhões de anos atrás.

A energia armazenada em compostos orgânicos pode ser utilizada em outros

processos metabólicos dentro da planta ou servir de fonte de energia para todas as

outras formas de vida. Assim, na eventual falta de energia solar qualquer tipo de

vegetação morreria, interrompendo-se a cadeia alimentar do planeta.

Fotossíntese

A fotossíntese consiste em um processo biológico pelo qual as plantas que em suas células transportam pigmentos que são capazes de absorver a energia solar e converter o gás carbônico e a água em substâncias orgânicas e oxigênio. Em outras palavras a fotossíntese é um processo físico-químico e de nível celular, realizado pelos seres vivos que possuem clorofila e que utilizam dióxido de carbono e água, para obterem glicose através da energia proveniente do sol, conforme o esquema a seguir:

Na fotossíntese, as plantas absorvem uma parte da luz solar, que é armazenada pela clorofila (pigmento verde presente nas folhas das plantas). Mesmo as plantas que possuem outras cores, também possuem clorofila. Essa energia luminosa "estocada" é usada para transformar o gás carbônico presente no ar e na água absorvida pelas raízes, posteriormente em seiva bruta, onde o produto final é a sacarose, um tipo de açúcar usado como alimento pelas plantas.

A fotossíntese inicia a maior parte das cadeias alimentares do mundo. Sem ela, os animais e muitos outros seres heterotróficos (seres que são incapazes de produzir seu próprio alimento), certamente seriam incapazes também de sobreviver porque a base da sua alimentação está sempre ligada à substâncias orgânicas proporcionadas pelas plantas de coloração característica verde.

Processo Fotossintético:

1- A região pilífera (pelos) existentes nas raízes das plantas absorvem a água e os sais minerais do solo. Esse material é chamado de seiva bruta.

2- A seiva bruta percorre os microscópicos vasos condutores que saem da raiz, seguem pelo xilema (vaso condutor localizado no caule que transporta água e sais para toda a planta) e chegam até as folhas.

3- Enquanto a seiva bruta realiza esse trajeto, o gás carbônico existente na atmosfera se infiltra na planta através de poros microscópicos conhecidos como estômatos e que estão presentes na superfície das folhas.

4- Nas folhas, devido à energia solar acumulada pela clorofila, a água e o gás carbônico provocam reações entre si, produzindo-se assim a seiva elaborada.

5- A sacarose é conduzida pelo floema para todas as partes da planta. Ela utiliza parte desse alimento para se desenvolver e a outra parte fica armazenada na raiz, caule, sementes e até na parede celular de suas células, sob a forma de amido, ácidos graxos, aminoácidos e celulose.

Luz solar 12H2O 6CO2 6O2 6H2O C6H12O6@%

Etapas da Fotossíntese

A fotossíntese ocorre em duas etapas, que envolvem várias reações químicas: a primeira é a fase clara também chamada de fotoquímica, e a segunda é a fase escura  também conhecida como fase  química.

Em linhas gerais, os eventos principais da fotossíntese são a absorção da energia da luz pela clorofila; a redução de um aceptor de elétrons chamado NADP, que passa a ser NADPH2; a formação de ATP e a síntese de glicose.

Fase fotoquímica: Quebra da água e liberação de oxigênio

Esta fase ocorre na membrana tilacoidal e dela participam um complexo de pigmentos existente nos grana (aceptores de elétrons) moléculas de água e a luz. Como resultado desta fase pode ser destacado a produção de oxigênio, ATP e também a formação de uma substância chamada NADPH2. Tanto o ATP quanto o NADPH2; serão utilizadas na fase escura.

Nessa etapa, a clorofila, ao ser iluminada, perde elétrons, o que ocasiona “vazios” na molécula. O destino dos elétrons perdidos e a reocupação desses vazios podem obedecer a dois mecanismos que se diferem, chamados de fotofosforilação cíclica e de fotofosforilação acíclica.

1- Fotofosforilação Cíclica: No chamado fotossistema I, predomina a clorofila a. Esta, ao ser iluminada, perde um par de elétrons excitados que são muito ricos em energia. Estabelece-se, na molécula da clorofila, um "vazio" de elétrons. O par de elétrons é recolhido por uma série de citocromos, substâncias que aceitam elétrons adicionais, tornando-se instáveis e transferindo esses elétrons para outras moléculas.

À medida que passam pela cadeia de citocromos, os elétrons vão gradativamente perdendo energia, que é empregada na fosforilação (produção de ATP pela união de mais um grupo de fosfato a uma molécula de ADP). Como essa fosforilação é possível devido à energia luminosa, captada pelos elétrons da clorofila, ela é chamada de fotofosforilação.

Após a passagem pela cadeia de citocromos, os elétrons retornam à molécula da clorofila, ocupando o "vazio" que haviam deixado. Como os elétrons retornam para a clorofila, o processo é cíclico.

2- Fotofosforilação acíclica: Esse mecanismo emprega dois sistemas fotossintetizantes: o fotossistema I e o fotossistema II. No fotossistema I, predomina a clorofila a, enquanto no fotossistema II, predomina a clorofila b.

A clorofila a iluminada perde um par de elétrons ativados, recolhidos por um aceptor especial que pode ser chamado de ferridoxina. Ao mesmo tempo, a clorofila b, excitada pela luz, perde um par de elétrons que, depois de atravessarem uma cadeia de citocromos, ocupa o "vazio" deixado na molécula da clorofila a. Durante a passagem desses elétrons pela cadeia de citocromos, há uma liberação de energia e uma produção de ATP. Como o vazio de elétrons da clorofila a não é preenchido pelos mesmos elétrons que saíram dessa molécula, o mecanismo é chamado fotofosforilação acíclica.

No interior dos cloroplastos, a água é decomposta na presença da luz. Essa reação é a fotólise da água, também conhecida como reação de Hill.

Dos produtos da fotólise da água, os elétrons vão ocupar os vazios deixados

pela perda de elétrons pela clorofila b. Os prótons de Hidrogênio, juntamente com os elétrons perdidos pela clorofila a, irão transformar o NADP em NADPH. Ao mesmo tempo, oxigênio é liberado. Esse é um aspecto importante da fotossíntese: todo o oxigênio gerado no processo provém da fotólise da água.

Os seres fotossintetizantes utilizam a água como fonte de átomos de

hidrogênio para a redução do NADP. Esses átomos de hidrogênio são posteriormente empregados na redução do CO2 até carboidrato, o que acontece na fase química da fotossíntese.

Fase escura ou química: Produção de Glicose

Nessa fase, a energia contida no ATP e o hidrogênio do NADPH2, são utilizados para a construção de moléculas de glicose. A síntese de glicose ocorre durante um complexo ciclo de reações chamado ciclo das pentoses ou ciclo de Calvin-Benson, do qual participam vários compostos simples.

Durante o ciclo, moléculas de CO2 unem-se umas as outras formando cadeias carbônicas que levam à produção de glicose. A energia necessária para o estabelecimento das ligações químicas ricas em energia é proveniente do ATP e o hidrogênio que promoverá a redução do CO2 que é fornecido pelo NADPH2.

Ciclo de Calvin-Benson

O ciclo começa com a reação de uma molécula de CO2 com um açúcar de cinco carbonos conhecido como ribulose difosfato catalisada pela enzima rubisco (ribulose bifosfato carboxilase/oxigenase, RuBP), uma das mais abundantes proteínas presentes no reino dos vegetais. 

Forma-se, então, um composto instável de seis carbonos, que logo se quebra em duas moléculas de três carbonos cada. O ciclo prossegue até que no final, é produzida uma molécula de glicose e é regenerada a molécula de ribulose difosfato.

Porém, para que o ciclo tenha sentido lógico, é preciso admitir a reação de seis moléculas de CO2 com seis moléculas de ribulose difosfato, resultando em uma molécula de glicose e a regeneração de outras seis moléculas de ribulose difosfato.

A redução do CO2 é feita a partir do fornecimento de hidrogênios pelo NADH2 e a energia é fornecida pelo ATP.

O esquema apresentado é apenas uma simplificação do ciclo de Calvin, pois na verdade, as reações desse ciclo se parecem com as que ocorrem na glicólise, só que em sentido inverso. É correto admitir, também, que o ciclo origina unidades do tipo CH2O, que poderão ser canalizadas para a síntese de glicose, sacarose, amilase e, inclusive, aminoácidos, ácidos graxos e glicerol.

Fatores que podem influenciar na Fotossíntese1- Concentração de CO2;

O CO2  é o substrato empregado na etapa química como fonte do carbono que é incorporado em moléculas orgânicas. As plantas contam, naturalmente, com duas fontes principais de CO2: o gás proveniente da atmosfera, que penetra nas folhas através de pequenas aberturas chamadas estômatos, e o gás liberado na respiração celular. 

Sem o CO2, a intensidade da fotossíntese é nula. Aumentando-se a concentração de CO2 a intensidade do processo também se eleva. Entretanto, essa elevação não é constante e nem ilimitada. Quando todo o sistema enzimático envolvido na captação do carbono estiver saturado, novos aumentos na concentração de CO2 não serão acompanhados por elevação na taxa fotossintética.

2- Temperatura;

Na etapa química, todas as reações são catalisadas por enzimas, e essas têm a sua atividade influenciada pela temperatura. De modo geral, a elevação de 10 °C na temperatura duplica a velocidade das reações químicas. 

Porém, a partir de temperaturas próximas a 40 °C começa a ocorrer alterações enzimáticas, e a velocidade dessas alterações tende a diminuir. Portanto, existe uma temperatura ótima na qual a atividade fotossintetizante é máxima, e que não é a mesma para todos os vegetais.

3- Comprimento de ondaTodos os organismos fotossintéticos contêm um ou mais pigmentos orgânicos

capazes de absorver a radiação visível que iniciará às reações fotoquímicas da

fotossíntese. Esses pigmentos podem ser extraídos das folhas com solventes orgânicos. Em algumas plantas, os principais pigmentos fotossintéticos são as clorofilas (a e b) e os carotenoides. As clorofilas são os pigmentos que dão às plantas a sua cor verde característica. A clorofila a é verde-azulada e a b é verde-amarelada. A clorofila a ocorre em todos os organismos fotossintéticos que liberam O2. A clorofila b, cujo teor é de cerca de 1/3 do da clorofila a, está presente nas folhas de plantas superiores (plantas que possuem vasos condutores de seiva) e nas algas verdes. Os máximos de absorção (comprimento de onda correspondente a um pico na curva de absorção de luz) da clorofila a são 420 e 660 nm nas regiões azul e vermelho, respectivamente. Os máximos de absorção da clorofila b correspondem, respectivamente, a 435 e 643 nm nas regiões azul e vermelho, como está ilustrado abaixo.

4- Intensidade Luminosa;

Quando uma planta é colocada em completa escuridão, ela não realiza fotossíntese. Aumentando-se a intensidade luminosa, a taxa da fotossíntese também aumenta. Todavia, a partir de certo ponto, novos aumentos na intensidade de iluminação não são acompanhados por elevação na taxa da fotossíntese. A intensidade luminosa deixa de ser um fator limitante da fotossíntese quando todos os sistemas de pigmentos já estiverem sendo excitados e a planta não tem como captar essa quantidade adicional de luz. Atingiu-se então o ponto de saturação luminosa.

Aumentando-se ainda mais a intensidade de exposição à luz, chega-se a um ponto a partir do qual a atividade fotossintética passa a não acontecer mais. Trata-se do ponto de inibição da fotossíntese pelo excesso de luz.

5- Compensação fótica e fotoperiodísmo;

Dos compostos orgânicos elaborados pela fotossíntese: I. parte é empregada na organização do próprio vegetal; II. parte é metabolizada e libera a energia indispensável à manutenção das atividades da planta, através das reações de respiração e fermentação; 

III. parte é consumida como alimento pelos animais; 

IV. parte é decomposta pela ação de microrganismos;

V. parte passa a se fossilizar, podendo, no futuro, servir como combustível.

O oxigênio liberado pela fotossíntese é usado na respiração da maioria dos seres vivos. Certas bactérias e fungos, através da quimiossíntese, também sintetizam matéria orgânica.

As células vegetais, assim como a maioria das células vivas, realizam a

respiração aeróbica, processo que absorve O2 e elimina CO2. A intensidade desse processo não é influenciada pela luz, e a célula o realiza tanto em locais claros como em locais escuros.

Já a intensidade da fotossíntese é influenciada pela luz. Com respeito às trocas gasosas, a fotossíntese tem papel inverso ao da respiração, pois absorve CO2

e elimina O2, como mostra o gráfico abaixo: 

Ponto I: Nessa situação, sob baixa luminosidade, a intensidade da fotossíntese é também baixa, de tal forma que a intensidade da respiração é superior a ela. Assim, a planta absorve O2 e elimina CO2 para o meio ambiente.

Ponto II: corresponde à intensidade luminosa na qual a intensidade da fotossíntese é igual a da respiração celular. Portanto, o oxigênio liberado pela fotossíntese é consumido na respiração celular, e CO2 liberado na respiração celular é consumido na fotossíntese. Sendo assim, as trocas de gases entre a planta e o ambiente são nulas. Esta intensidade luminosa é chamada de Ponto de Compensação Luminoso

(PCL) ou Ponto de Compensação Fótico. As plantas que vivem preferencialmente em locais pouco iluminados (plantas umbrófilas, por exemplo) têm PCL baixo. Já as que vivem em locais bem iluminados (plantas heliófilas, por exemplo) têm PCL elevado. 

Ponto III: sob intensa luminosidade, a fotossíntese é predominante em relação a respiração. Assim, a planta absorve CO2 e elimina O2 para o ambiente. Como a produção de compostos orgânicos é superior ao consumo, nesta situação a planta cresce e incorpora matéria orgânica.

Ponto IV: quando uma planta é colocada em completa obscuridade, ela não realiza fotossíntese. Aumentando a intensidade luminosa, a taxa da fotossíntese também aumenta. Todavia, a partir de certo ponto, novos aumentos na intensidade de iluminação não são acompanhados por aumentar na taxa da fotossíntese. A intensidade luminosa deixa de ser um fator limitante da fotossíntese quando todos os sistemas de pigmentos já estiverem sendo excitados e a planta não tem como captar essa quantidade adicional de luz. Atingiu-se então o ponto de saturação luminosa.

6- Ponto de compensação luminoso (fótico);

O ponto de compensação luminoso é o momento em que a velocidade

da fotossíntese e da respiração são iguais. Para determinar o ponto de compensação luminoso da planta, deve ser feito uma analogia correspondente a intensidade da luz, da respiração e da fotossíntese. É de fácil percepção, as ideias de como a fotossíntese e a respiração de certa forma se contrapõem, como está descrito em imagem abaixo:

Durante o ponto de compensação luminoso, os dois processos se tornam inativos, pois a glicose e o oxigênio (O2) sintetizados pela fotossíntese são absorvidos pela respiração. E o dióxido de carbono (CO2) sintetizado na respiração é absorvido na fotossíntese. Ainda assim, as plantas com o ponto de compensação luminoso alto, possuem a intensidade da fotossíntese maior que a intensidade da respiração. O que quer dizer que a glicose e o oxigênio são mais produzidos do que absorvidos, resultando no desenvolvimento da planta. As plantas com o ponto de compensação luminoso alto são chamadas de umbrófilas. E as plantas com o ponto de compensação baixo são chamadas de heliófilas. 

No gráfico abaixo estão representados os pontos de compensação fótica das plantas ombrófilas e das plantas heliófilas.

Ação dos herbicidas na Fotossíntese

Herbicidas são produtos químicos que tem poder de controlar ervas daninhas, interferindo assim com a forma como elas crescem. Isso só acontece através de vários “modos de ação” (MOA), que em última análise, podem bloquear a germinação das sementes ou o estabelecimento de mudas e impedem à produção de carboidratos essenciais, proteínas ou lipídios pelas plantas, ou desidratam folhas e caules.

Existem vários tipos de MOA de herbicidas. Alguns afetam a fotossíntese de várias maneiras para finalmente desviar o fluxo de energia da luz solar. Eles destroem as membranas e desidratam folhas.

Quatro são os tipos de herbicidas que afetam principalmente a fotossíntese. Paraquat e seu herbicida irmão, o diquat, são os únicos membros do primeiro tipo. Quando a energia solar é captada pela clorofila, ela é transferida em um fluxo de elétrons através do “Fotossistema I”, o que pode causar amarelecimento e ressecamento. Quase todas as plantas verdes são afetadas pelo paraquat, o que o torna um herbicida não seletivo de amplo espectro.

O segundo tipo bloqueia a transferência de energia através do ‘Fotossistema II’. Herbicidas desse tipo se ligam a uma proteína envolvida na cadeia de transmissão, reduzindo sua eficácia. Isso retarda o crescimento da planta.

Um terceiro tipo, os inibidores da protoporfirinogênio oxidase (PPO), interferem com uma enzima envolvida na produção de clorofila e outras moléculas de grande importância na fotossíntese. Sem clorofila nova, as folhas amarelam e consequentemente a fotossíntese diminui. O quarto tipo de inibidor da fotossíntese, impede a produção de pigmentos de folhas chamadas carotenóides. Herbicidas desta categoria têm vários alvos diferentes, mas todos resultam em plantas tratadas que desbotam e se tornam esbranquiçadas.

O quinto tipo é o glufosinato. Embora seja um inibidor enzimático, ele afeta a fotossíntese indiretamente, e seus sintomas que aparecem mais rápido se atribuem à destruição da membrana, resultando em desidratação.

MOA, controle de ervas daninhas

1- A fotossíntese é afetada levando à destruição das membranas celulares, o efeito específico é muito mais rápido do que outros desidratantes.

2- As folhas amarelam e ressecam especialmente se expostas à luz solar;

3- A fotossíntese é afetada levando à destruição das membranas celulares, porém, mais lentamente do que por outros desidratantes.

4- Amarela e resseca as folhas a partir das pontas, bordas e entre os vasos.

Considerações Finais

O conhecimento do processo de fotossíntese é de extrema importância para todos os seres humanos de forma específica. Pois na verdade, de forma mais simples o processo de fotossíntese nada mais é do que uma cadeia ou um ciclo, onde as plantas “inspiram” do gás carbônico produzido por seres humanos, animais e outros e “expiram” gás oxigênio, ao contrario dos outros seres vivos que “inspiram” gás oxigênio e “expiram” gás carbônico. Sendo assim, se uns dos processos forem interrompidos de alguma forma certamente a vida se extinguiria, a não ser que utilizando do ponto de vista científico forem criados equipamentos produtores de O 2

ou de CO2.

Em outras palavras o processo de fotossíntese é um dos processos mais importantes que existem, sendo ele o responsável pela manutenção dos níveis de oxigênio na Terra, além de ser também um dos responsáveis pela vida de diversos seres na Terra.

Mas na opinião do grupo, foi um tema que achamos interessante de pesquisar, tanto para conhecimentos técnicos, como para conhecimentos biológicos.

Literatura Consultada

Sites:

FotossínteseDisponível em:< https://pt.wikipedia.org/wiki/Fotoss%C3%ADntese> Acesso em: 20 de fevereiro de 2016.

Aspectos básicos da fotossíntese:Disponível em: <http://migre.me/t2QVD> Acesso em : 19 de fevereiro de 2016.

Compensação fótica e fotoperiodísmo:Disponível em: < http://guiadoestudante.abril.com.br/estudar/biologia/resumo-biologia-compensacao-fotica-fotoperiodismo-646775.shtml> Acesso em: 20 de fevereiro de 2016.

Ponto de compensação fótico:Disponível em: < http://www.colegioweb.com.br/fotossintese/ponto-de-compensacao-luminoso-fotico.html> Acesso em: 20 de fevereiro de 2016.

Ação dos herbicidas na fotossíntese:Disponível em: < http://paraquat.com/portugues/banco-de conhecimentos/produ %C3%A 7%C3%A3o-e-prote%C3%A7%C3%A3o-da-lavoura/modo-de-a%C3%A 7%C3%A3o-como-os-herbicidas-funcionam> Acesso em 20 de fevereiro de 2016.

Livro:Fisiologia Vegetal: fotossíntese, respiração, reações hídricas e nutrição mineral / Ricardo A. Marenco, Nei F. Lopes. 3 ed., atual. ampl. – Viçosa, MG, Ed. UFV, 2009.