UNIVERSIDADE SÃO PAULO - USP

ESCOLA SUPERIOR DE AGRICULTURA LUIZ DE QUEIROZ - ESALQ

DEPTO. CIÊNCIAS BIOLÓGICAS

FOTOSSINTESE

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\Maiz_5.jpg

A PRODUTIVIDADE AGRICOLA É O RESULTADO FINAL DOS EVENTOS BIOQUIMICOS QUE OCORREM NAS PLANTAS


Prof. Dr. LUIZ ANTONIO GALLO

 

Texto alternativo 1 : Fotossintese1

Videos relacionados

Fotossintese em geral - ingles  

Fotossintese x Respiração- esquema geral - ingles

Fotosintese – Introdução – ATP - ingles

Fase clara – esquema - ingles

Fase clara – esquema – ingles 

Ciclo de Calvin – C3

Fase clara – Ciclica e não cíclica - ingles

Fase clara – geral - ingles

Fase clara - ingles

Fotossistema I - ingles

Fase clara da fotossíntese – com legenda em portugues

Fase clara cíclica e não cíclica- ingles

Funcionamento da ATP ase - ingles

Fase clara - fotofosforilação

Fase clara esquema bem detalhado - ingles

Ciclo de Calvin - ingles

C3 x C4 x CAM - ingles

C4 x CAM            - ingles

Plantas CAM - espanhol

 

Apresentação Power point :

Fotossintese

Fotossintese link1

Fotossintese link2

 

 

Histórico

 

A vida na terra depende no final das contas da energia derivada do sol. A fotossíntese é o único processo de importância biológica que pode colher esta energia. Além disso, uma grande fração dos recursos de energia do planeta é resultado de atividades fotossintéticas recentes (biomassa) ou antigas (combustível fóssil).


O termo “fotossíntese” significa “síntese que usa luz” literalmente. Organismos fotossintéticos usam energia solar para sintetizar combinações orgânicas que não podem ser formadas sem a contribuição de energia. Energia armazenada nestas moléculas pode ser usada depois como fonte de energia a processos celulares na planta e pode servir como recurso de energia para todas as formas de vida. Aqui, será tratado o papel da luz na fotossíntese, a estrutura do aparato fotossintético, e os processos que começam com a excitação da clorofila através da luz e culminam na síntese de ATP e NADPH.

 

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\milagredanatureza.JPG

Fotossíntese em plantas superiores

 

O tecido fotossintético mais ativo em plantas superiores é o mesófilo das folhas. Células do Mesofilo têm muitos cloroplastos que contém os pigmentos verdes especializados na absorção de luz, as clorofilas. Na fotossíntese, a planta usa a energia solar para oxidar a água, enquanto liberam oxigênio, e reduzem o gás carbônico em combinações orgânicas, principalmente açúcares. A série complexa de reações que culminam na redução do CO2 incluem as reações de tilacóide e as reações de fixação de carbono. As reações de tilacóide da fotossíntese ocorrem em uma membrana interna especializada do cloroplasto chamada tilacóide (figura 1). Os produtos finais destas reações no são a alta-energia que compõem o ATP e o NADPH que são usados para a síntese de açúcares nas reações de fixação de carbono. Estes processos acontecem no estroma dos cloroplastos, a região aquosa que cerca o tilacóides.

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\cloroplasto.png

Fase Clara da fotossíntese – Produção de ATP e NADPH

 

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\image3.jpg

No cloroplasto, energia luminosa é colhida através de duas unidades funcionais diferentes chamados fotossistemas. A energia luminosa absorvida é usada para permitir a transferência de elétrons por uma série de compostos que agem como doadores de elétron e receptores de elétron. A maioria de elétrons no final das contas reduz NADP+ em NADPH. A energia luminosa também é usada para gerar uma força motiva de próton através da membrana do tilacóide que é usada para sintetizar ATP.

 

 

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\chloroplast2.gif

 

A luz

 

A luz tem características tanto de uma partícula quanto de uma onda. Um triunfo de físicos no princípio do século foi à descoberta de que a luz tem propriedades de partículas e de ondas. Uma onda é caracterizado por um comprimento de onda, denotado lambda (l) que é a distância entre cristas de onda sucessivas. A freqüência representada pela letra grega nu (n), é o número de cristas de onda nas que passam por um observador num determinado tempo. Uma equação simples (equação 1) relaciona o comprimento de onda, a freqüência, e a velocidade de qualquer onda:

 

 

 

 (equação 1) c = ln

 

Onde c é a velocidade da onda no presente caso, a velocidade da luz (3.0 x 108 m s-1). A onda de luz é uma onda eletromagnética transversal (lado-a-lado) na qual campos elétricos e magnéticos oscilam perpendicularmente à direção de propagação da onda e a 90° com relação um ao outro.

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\image1005.png

 

Luz também é uma partícula, que nós chamamos fóton. Cada fóton contém uma quantia de energia que é chamada quantum (quanta plural). O conteúdo de energia de luz não é contínuo, mas preferencialmente é entregue nestes discretos pacotes, o quanta. A energia (E) (equação 2) de um fóton depende da freqüência da luz de acordo com uma relação conhecida como a lei de Planck:

 

 (equação 2) E = hn

Onde h é a constante de Planck (6,626 x 10-34J s). Luz solar é como uma chuva de fótons de freqüências diferentes. Nossos olhos são sensíveis a só uma gama pequena de freqüência —a região de luz visível do espectro eletromagnético (figura2).

 

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\emus.gif

 

 

Quando Moléculas Absorvem ou Emitem luz, Elas Mudam o Estado Eletrônico.

 

A clorofila se parece verde a nossos olhos porque absorve luz nas partes vermelhas e azuis do espectro, então somente comprimentos de onda verdes da luz (aproximadamente 550 nm) são refletidos para nossos olhos ( Figura 2). A absorção de luz é representada através de Equação 3 na qual clorofila (Chl) em seu estado de baixa-energia, ou basal, absorve um fóton (representado através de hv) e faz uma transição para um estado de alta-energia, ou excitado, (Chl *):

 

 (Equação 3) Chl+hv                           Chl *

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\image082.jpg

 

 

A distribuição de elétrons na molécula excitada é um pouco diferente da distribuição na molécula básica. A figura 2 descreve a absorção e emissão de luz através de moléculas de clorofila. Absorção de luz azul excita a clorofila a um estado de energia mais alto que absorção de luz vermelha, porque a energia dos fótons é mais alta quando o comprimento de onda deles for mais curto. No estado de excitação mais alto, a clorofila é extremamente instável, muito rapidamente perde alguma de sua energia para o ambiente como calor, e entra no estado mais baixo de excitação onde pode ser estável por vários nanosegundos (10-9 s). Por causa desta instabilidade inerente do estado excitado, qualquer processo que captura sua energia deve ser extremamente rápido.

 

No mais baixo estado de excitação, a clorofila excitada tem vários possíveis caminhos para dispor de sua energia disponível (figura 4). Pode re-emitir um fóton e assim pode voltar a seu estado básico, processo conhecido como fluorescência. Quando faz assim, o comprimento de onda de fluorescência quase sempre é ligeiramente mais longo que o comprimento de onda de absorção do mesmo elétron, porque uma porção da energia de excitação é convertida em calor antes de o fóton fluorescente fosse emitido. Conservação de energia requer então que a energia de fóton-fluorescência seja mais baixa que de fóton-excitação conseqüentemente à troca para comprimento de onda mais longo. Clorofilas fluorescem na região vermelha do espectro.

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\image009.png

Alternativamente, a clorofila excitada pode voltar a seu estado basal convertendo sua energia de excitação diretamente em calor, sem emissão de um fóton. Um terceiro processo que desativa a clorofila excitada é transferência de energia, na qual uma clorofila excitada transfere sua energia a outra molécula. Um quarto processo é fotoquímico no qual a energia do estado excitado causa a ocorrência de reações químicas. A taxa dos primeiros passos do processo de armazenamento de energia fotossintética está entre as reações mais rápidas de substâncias químicas conhecidas. Esta velocidade extrema é necessária para a fotoquímica competir com as outras possíveis reações do estado excitado.

O rendimento de quantum dá Informações sobre o destino do estado excitado

 

O processo com a taxa mais alta será o mais provável para desativar a clorofila excitada; processos mais lentos ganham somente ocasionalmente a corrida para dispor da energia do estado excitado. Este conceito é expresso quantitativamente por via do rendimento de quantum (Clayton 1971, 1980). O rendimento de quantum (Ø) de um processo no qual moléculas deixam a energia de excitação delas (ou “declinam“) é a fração de moléculas excitadas que se declinam por aquele caminho. Matematicamente, o rendimento de quantum de um processo, como fotoquímico, está definido como segue (equação 4):

 

(equação 4) Ø = rendimento de produtos de fotoquímicos / número total de quanta absorvido

 

O rendimento de quantum dos outros processos é analogicamente definido. O valor de Ø para um processo particular varia de 0 (se aquele processo nunca é envolvido na decadência do estado excitado) para 1,0 (se aquele processo sempre desativa o estado excitado). A soma do rendimento do quantum de todos possíveis processos é 1.0.

Em cloroplastos funcionais mantidos sob luz fraca, o rendimento de quantum de fotoquímica é aproximadamente 0.95, o rendimento de quantum de fluorescência é 0.05 ou abaixo, e o rendimento de quantum de outros processos é desprezível. A vasta maioria das moléculas de clorofila excitadas conduz então o processo fotoquímico.

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\image011.png

 

O rendimento de quantum de formação dos produtos de fotossíntese, como 02, pode ser medido com bastante precisão. Neste caso o rendimento de quantum está substancialmente abaixo do valor para fotoquímica, porque vários eventos de fotoquímica têm que acontecer antes de qualquer formação de moléculas de 02. Para produção de 02 o rendimento de quantum máximo medido é aproximadamente 0,1, significando que 10 quanta são absorvidos para cada molécula de 02 liberada. O recíproco do rendimento de quantum é chamado “exigência de quantum”. A exigência de quantum mínima para evolução 02 é então aproximadamente 10. Medidas quantitativas da absorção de luz e o destino da energia contidas na luz são essenciais para a compreensão da fotossíntese.

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\clorofila.gif

Pigmentos fotossintéticos absorvem a luz que dá energia à fotossíntese

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\clorofilaabsorcao.gif

A energia de luz solar é primeiramente absorvida pelos pigmentos da planta. Todos os pigmentos ativos em fotossíntese são encontrados no cloroplasto. Estruturas e espectros de absorção de vários pigmentos fotossintéticos são mostrados nas Figuras 5 respectivamente. As clorofilas e bacterioclorofilas (pigmentos achados em certas bactérias) são os pigmentos típicos de organismos fotossintéticos, mas todos os organismos contêm uma mistura de mais de um tipo de pigmentos, cada qual com uma função específica. Todas as clorofilas têm uma estrutura de anel complexa a qual é relacionado quimicamente o grupo de Fe encontrado em hemoglobinas e citocromos (Figura 6). Além disso, um longo rabo de hidrocarboneto quase sempre é preso à estrutura de anel. O rabo ancora a clorofila à porção hidrofóbica de seu ambiente. A estrutura de anel contém alguns elétrons fracamente ligados e é a parte da molécula envolvida em transições de elétron e reações de redução.

 

Organização de Sistemas de Antena Receptora de Luz

 

Os sistemas de antena de diferentes classes de organismos fotossintéticos são notavelmente variados, em contraste com os centros de reação que parecem ser semelhantes em diversos organismos. A variedade de complexos de antena reflete a adaptação evolutiva aos ambientes diversos nos quais organismos diferentes vivem, como também a necessidade em alguns organismos para equilibrar o fornecimento de energia ao dois fotossistemas (Grossman et al. 1995).

A função dos sistemas de antena é entregar energia eficazmente aos centros de reação aos quais eles são associados (van Grondelle et al. 1994; Pullerits e Sundström 1996). O tamanho do sistema de antena varia consideravelmente em organismos diferentes: Menos de 20 a 30 bacterioclorofilas por centro de reação em algumas bactérias fotossintéticas, geralmente 200 a 300 clorofilas por centro de reação em plantas superiores, e alguns milhares de pigmentos por centro de reação em alguns tipos de algas e bactérias. As estruturas moleculares que servem como antenas também são bastante diversas, embora todos eles são associados de algum modo com a membrana fotossintética.

O mecanismo pelo qual a energia de excitação da clorofila que absorve a luz é carregada ao centro de reação é imaginado como sendo de transferência de ressonância (também conhecido como transferência de Förster, cientista que primeiro descreveu o fenômeno). Neste processo, fótons não são simplesmente emitidos através de uma molécula e reabsorvidos por outra; a maioria da energia de excitação é transferida de uma molécula a outra por um processo de não radioativo. Uma analogia útil para transferência de ressonância é a transferência de energia entre dois garfos de afinação. Se um garfo afinando é golpeado e corretamente colocado perto de outro, o segundo garfo de afinação recebe um pouco de energia do primeiro e começa a vibrar. A eficiência de transferência de energia entre os dois garfos de afinação depende da distância entre eles e a orientação relativa deles, como também as freqüências vibracionais, da mesma maneira que em transferência de energia por ressonância no complexo de antena.

O resultado final deste processo é que aproximadamente 95 a 99% dos fótons absorvidos pelos pigmentos de antena têm sua energia transferida ao centro de reação onde pode ser usado por fotoquímica. É importante distinguir entre a transferência de energia entre pigmentos na antena da transferência de elétrons que ocorre no centro de reação. Enquanto que a transferência de energia é um fenômeno puramente físico, a transferência de elétrons envolve mudanças químicas nas moléculas.

 

A Antena Afunila a Energia para o Centro de Reação

A energia absorvida em pigmentos de antena (figura 7) é afunilada para o centro de reação por uma sucessão de pigmentos com absorção máxima de que é trocada progressivamente para comprimentos de onda vermelhos mais longos. Esta troca em meios de máxima absorção significa que a energia do estado excitado é um pouco menor mais próximo ao centro de reação que nas porções mais periféricas do sistema de antena. Por exemplo, quando excitação é transferida de uma molécula de clorofila b que absorve no máximo a 650 nm para uma molécula de clorofila a que absorve no máximo a 670 nm, a diferença em energia entre estas duas clorofilas excitadas é perdida ao ambiente como calor.

Para a excitação ser transferido de volta à clorofila b, a energia perdida teria que ser reposta. A probabilidade de transferência inversa é então simplesmente menor porque a energia térmica não é suficiente para compor o déficit entre pigmentos de baixa-energia e de alta-energia. Este efeito dá para o processo de coleta de energia um grau de direcionalidade ou irreversibilidade e faz a entrega de excitação ao centro de reação mais eficientemente. Em essência, o sistema sacrifica um pouco de energia de cada quantum de forma que quase tudo do quanta pode ser apanhado pelo centro de reação.

Regulação e Reparo do Aparato Fotossintético

 

Sistemas fotossintéticos enfrentam uma modificação especial. Eles são adaptados para absorver grandes quantidades de energia luminosa e processar esta em energia química ao nível molecular, a energia em um fóton é uma perturbação enorme que os sistemas fotossintéticos processam elegantemente e eficazmente sob condições normais. Sob algumas condições, porém, eles podem não poder lidar com toda a energia que recebem. A energia em excesso pode conduzir à produção de espécies tóxicas e danos ao sistema se não for dissipada seguramente (Horton et al. 1996). Organismos fotossintéticos contêm então um complexo jogo de mecanismos reguladores e de conserto.

Alguns destes mecanismos regulam fluxo de energia no sistema de antena, para evitar excesso de excitação dos centros de reação e assegura que os dois fotossistemas sejam dirigidos igualmente. Embora muito efetivos estes processos não são completamente à prova de falhas, e às vezes são produzidas espécies tóxicas. São necessários mecanismos adicionais para dissipar estes componentes - em particular, espécies de oxigênio tóxicas. Até mesmo com tudo este mecanismo protetor e limpador, o aparato fotossintético às vezes ainda é danificado, e mecanismos adicionais estão presentes para reparar o sistema.

Carotenóides Servem como Pigmentos Adicionais e Agentes Fotoprotetores

 

Os Carotenóides são achados em todos os organismos fotossintéticos, com exceção de mutantes incapazes de viver fora do laboratório (o Frank e Cogdell 1996). Os diferentes tipos de carotenóides encontrados em organismos fotossintéticos são todos moléculas lineares com múltiplas conjugações de dupla ligação. Bandas de absorção na região de 400 a 500 nm dá aos carotenóides a cor laranja característica deles. Por exemplo, a cor de cenouras é devido ao carotenóide b –caroteno.

Carotenóides são normalmente intimamente associados tanto com a antena quanto com as proteínas pigmento do centro de reação e são componentes integrantes da membrana. A energia de luz absorvida por carotenóides é rapidamente transferida para as clorofilas, assim carotenóides são chamados pigmentos acessórios.

Carotenóides também fazem um papel essencial de fotoproteção. A membrana fotossintética pode ser danificada facilmente pelas grandes quantias de energia absorvidas pelos pigmentos se esta energia não puder ser armazenada através de fotoquímica; conseqüentemente a necessidade de um mecanismo de proteção. O mecanismo de fotoproteção pode ser imaginado como uma válvula de segurança, afastando a energia em excesso antes que pudesse danificar o organismo. Quando a energia armazenada em clorofilas em estado excitado é rapidamente dissipada por transferência de excitação ou fotoquímica, é dito que o estado excitado é extinto. Se o estado excitado da clorofila não é rapidamente extinto por transferência de excitação ou fotoquímica, pode reagir com oxigênio molecular para formar um estado excitado de oxigênio conhecido como oxigênio simples (102 *).

As espécies extremamente reativas de oxigênio simples vão reagir e danificar muitos componentes celulares, especialmente lipídios.

 

 

Carotenóides mostram sua ação fotoprotetora extinguindo o estado excitado da clorofila rapidamente. O estado excitado do carotenóide não tem energia suficiente para formar oxigênio simples, assim se degrada para seu estado inicial perdendo sua energia como calor.

Organismos de mutantes em que faltam carotenóides não podem viver na presença de luz. Para bactérias de não evoluídas, podem ser mantidos mutantes que faltam carotenóides, sob condições de laboratório, se o oxigênio for excluído do meio de crescimento.

Recentemente foram encontrados carotenóides que desempenham um papel não fotoquímico de extinção, que é um segundo mecanismo protetor e regulador.

Algumas xantofilas também participam na dissipação de energia

Um processo regulador principal envolvido na liberação de energia de excitação ao centro de reação só foi descrito recentemente. O processo, conhecido como extinção não fotoquímica, parece ser uma parte essencial da regulação dos sistemas de antena na maioria das algas e plantas.

Extinção não fotoquímica é a extinção da fluorescência da clorofila por processos diferentes da fotoquímica. Isto foi descoberto primeiro em estudos de fluorescência de clorofila que revelou aquela intensa iluminação produzindo um estado no qual uma fração grande das excitações no sistema de antena era extinta através da conversão em calor (o Krause e Weiss 1991). Este processo, que parece desperdiçador no princípio, é aceito agora como envolvido na proteção do organismo contra excesso de excitação e subseqüente dano. O processo pode ser imaginado como uma “maçaneta” de volume que ajusta o fluxo de excitações ao centro de reação PS-II para um nível manejável, dependendo da intensidade

luminosa e outras condições.

O mecanismo molecular de extinção não fotoquímica ainda não é entendido em detalhes.

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\image017.png

Figura 8 Estrutura química de violaxantina, anteraxantina, e zeaxantina. O estado extinto do fotossistema II é associado com zeaxantina, o estado não extinto com violaxantina. Enzimas interconvertem estes dois carotenóides, tendo a anteraxantina comum intermediário, em resposta ás mudanças de condições. Formação de Zeaxantina usa ascorbato como um co-fator, e formação de violaxantina requer NADPH

 

Vários fatores parecem ser envolvidos, inclusive o pH do lúmen do tilacóide e o estado de agregação dos complexos de antena na membrana (Horton et al. 1996). Além disso, certos carotenóides conhecidos como xantofilas são envolvidos neste mecanismo regulador. A figura 8 mostra a estrutura de duas destas xantofilas, violaxantina e zeaxantina, e um intermediário, anteraxantina. Estes carotenóides podem ser interconvertidos através de enzimas epoxidase e de-epoxidase que estão presentes no cloroplasto. O mesmo regime de alta luminosidade que induz a extinção não fotoquímica tende a ativar a enzima de-epoxidase que converte a xantofila em zeaxantina; condições de baixa luminosidade ativam a epoxidase, resultando na acumulação de violaxantina. Assim a zeaxantina é associada com o estado extinto e violaxantina é encontrada quando o sistema estiver no estado não extinto. No entanto, não é claro se o próprio carotenóide é o agente extintor, embora muitos pesquisadores assim o considerem. Esta questão é uma área muito ativa de pesquisa (Demmig-Adams e Adams 1992; Pfündel e Bilger 1994; Horton et al. 1996).

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Structure of ATP

ATP

 

 

 

 

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\pigmentos.jpg

O empilhamento de tilacóides permite a divisão de energia entre os fotossistemas

 

O fato de que a fotossíntese em plantas superiores é dirigida através de dois sistemas fotoquímicos com diferentes propriedades de absorção de luz coloca um problema especial. Se a taxa de divisão de energia para os Fotossistemas I e Il não é sincronizado precisamente e as condições são tais que a taxa de fotossíntese está limitada pela luz disponível (baixa intensidade luminosa), a taxa de fluxo de elétron será limitada pelo fotossistema que está recebendo menos energia. A situação mais eficiente seria aquela na qual a recepção de energia é a mesma em ambos os fotossistemas. Porém, nenhum arranjo único de pigmentos satisfaria esta exigência, porque em diferentes períodos do dia, a intensidade luminosa e a distribuição espectral tende a favorecer mais um ou o outro fotossistema. A solução para este problema seria um mecanismo de troca de energia de um fotossistema com o outro em resposta às diferentes condições, e tal qual um mecanismo regulador opere em condições experimentais diferentes. A observação de que o rendimento global de quantum da fotossíntese é quase independente do comprimento de onda (veja Figura 7.9) dá fortes indicações que tal mecanismo existe. Progresso considerável tem sido conseguido no entendimento do mecanismo molecular que é responsável por esta redistribuição de energia (Bennett 1991; Allen 1992). A membrana do tilacóide contém a proteína quinase que pode fosforilar um resíduo de treonina específico na superfície de uma ligação membrana-antena-pigmento protéico. Este complexo de pigmento-proteína é o LHCII descrito anteriormente (veja Figura 7.20). Quando LHCII não é fosforilado, ele entrega mais energia ao fotossistema II, e quando é fosforilado entrega mais energia ao fotossistema I. A quinase é ativada quando a plastoquinona, um dos carregadores de elétrons entre os fotossistemas, acumula-se no estado reduzido, o que acontece quando o fotossistema II está sendo ativado mais freqüentemente que fotossistema I. O LHCII fosforilado migra então para fora das regiões empilhadas da membrana em direção às regiões não empilhadas, provavelmente por causa de interações repulsivas entre cargas negativas de membranas adjacentes. A migração lateral de LHCII troca o equilíbrio de energia para o fotossistema I que fica situado na lamela do estroma e longe do fotossistema II que fica situado nas membranas empilhadas da grana. Esta situação é chamada estado 2. Se a plastoquinona se torna mais oxidado por causa do excesso de excitação do fotossistema I, a quinase é desativada e o nível de fosforilação de LHCII é diminuído pela ação de uma ligação de fosfatase da membrana. O LHCII move-se então de volta para a grana, e o sistema está no estado 1. O balanço resultante é um controle muito preciso da distribuição de energia entre os fotossistemas, permitindo o uso mais eficiente da energia disponível.

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\image1024.gif

O Centro de Reação do Fotossistema II é Facilmente Danificado

 

Outro efeito que parece ser um fator principal na estabilidade do aparato de fotossintético é a fotoinibição que ocorre quando a excitação em excesso que chega ao centro de reação PS-II conduz a sua inativação e dano (Barber e Andersson 1992; Long et al. 1994).

Fotoinibição : é um complexo conjunto de processos moleculares. Está definido como a inibição de fotossíntese através do excesso de luz. Muitos dos efeitos do excesso de luz parecem estar localizados no fotossistema II, e locais inibidores tanto no lado doador quanto no receptor foram identificados. Como discutido em detalhes no Capítulo 9, esta inibição é reversível nos primeiros estágios. Porém, estágios posteriores de inibição resultam em danos para o sistema tal que o centro de reação PS-II precise ser desmontado e consertado. O local principal deste dano é a proteína D1 que faz parte do centro de reação PS-II. Esta proteína é facilmente danificada através de excesso de luz e então deve ser removida da membrana e substituída por uma cópia recentemente sintetizada. As outras partes do centro de reação PS-II são projetadas para serem recicladas, assim a proteína D1 é o único componente que precisa ser sintetizado.

Fotossistema I é Protegido Contra Espécies Ativas de Oxigênio

 

O fotossistema I é vulnerável de ser danificado por espécies de oxigênio ativas. O receptor de ferrodoxina do fotossistema I é uma espécie fortemente redutora, que pode reduzir o oxigênio molecular facilmente para formar superóxido (02 -). Esta redução compete com a condução normal de elétrons para a redução de dióxido de carbono e outros processos. Superoxido é um de uma série de espécies de oxigênio ativas que são potencialmente muito danosas às membranas biológicas. Superoxido formado deste modo pode ser eliminado pela ação de uma série de enzimas, incluindo dismutase de superoxido e ascorbato peroxidase (Asada 1994, 1996; Polle 1996).

 

Genes do Cloroplasto Exibem Padrões Não-Mendelianos de Herança

 

Cloroplastos e mitocôndrias se reproduzem através de divisão em lugar de através da síntese de novo. Este modo de reprodução não é surpreendente, desde que estas organelas contêm informação genética que não está presente no núcleo. Durante divisão da célula, os cloroplastos são divididos entre as duas células da filha. Na maioria das plantas sexuadas, porém, só a planta materna contribui com cloroplastos ao zigoto. Nestas plantas o padrão de Mendeliano normal de herança não se aplica a genes codificadores do cloroplasto, porque a descendência recebe cloroplastos de só um dos pais. O resultado é herança não-Mendeliana, ou materna. Numerosas características são herdadas desta maneira; um exemplo é a característica de resistência a herbicidas discutidas á seguir.

Alguns Herbicidas Matam as Plantas Bloqueando o Fluxo Fotossintético de Elétron

 

Muitos dos herbicidas (aproximadamente a metade das combinações comercialmente importantes) agem interrompendo o fluxo de elétrons da fotossíntese(Ashton e Faz 1981). A figura 10.A mostra a estrutura química de dois destes compostos. Foram encontrados os locais precisos de ação de muitos destes agentes onde eles enganam a redução secundária do fotossistema I (por exemplo, em paraquat) ou o complexo receptor de quinona na cadeia de transporte de elétron entre o dois fotossistemas (por exemplo, no diuron) (parte B da figura).

 

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\image019.png

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\barata.jpg

Paraquat age interceptando elétrons entre as ligações receptoras de ferrodoxina e o NADP e então reduz oxigênio a superoxido (02-). Superoxido é um radical livre que reage com uma grande gama de moléculas do cloroplasto, conduzindo à rápida perda de atividade do cloroplasto. Moléculas de lipídio da membrana da célula são especialmente sensíveis ao 02-.

Os herbicidas que agem no complexo receptor de quinona competem com a plastoquinona pelo local de ligação QB. Se o herbicida está presente, este desloca a forma oxidada de plastoquinona e ocupa o local específico de ligação do receptor de quinona. O herbicida não pode receber elétrons, assim o elétron não consegue deixar QA, o primeiro receptor de quinona. Assim, a ligação de herbicida efetivamente bloqueia o fluxo de elétron e inibe a fotossíntese. Muitos herbicidas que também agem desta maneira inibem o fluxo de elétron em bactérias fotossintéticas que têm complexos receptores de elétrons do tipo quinona (Trebst 1986).

Recentemente,biótipos herbicida-resistentes de ervas daninhas comuns apareceram em áreas onde um único tipo de herbicida foi continuamente usado durante vários anos. Estes biótipos podem ter ordens de magnitude mais resistentes a certas classes de herbicidas que plantas não resistentes o são. Em vários casos o fator de resistência foi localizado em uma única substituição de aminoácido na proteína D1. Esta mudança, presumivelmente na região de ligação da quinona (e herbicida) do peptídeo, a diminuição da afinidade de ligação do herbicida, torna este muito menos efetivo.

A possibilidade de uma sintonia-fina da sensibilidade de plantas de cultura aos herbicidas, fazendo mudanças sutis nas proteínas do centro de reação PS-II criou muito interesse na indústria química agrícola. Por biotecnologia, é agora possível tornar uma planta de cultura resistente a um herbicida particular, que pode ser aplicado para controlar plantas indesejáveis que não são resistentes. O sucesso desta modificação dependerá da possibilidade de serem controlados os efeitos colaterais indesejáveis das mutações herbicida-resistentes e em quão rapidamente as ervas daninhas adquirem resistência por seleção natural ou transferência de gene. Assim, é uma corrida entre a ciência e as mudanças evolutivas (Dover e Croft 1986).

Um desenvolvimento complementar é inserir fatores de resistência a certas pestes, como insetos, na planta por engenharia genética. As plantas produzem por si só as espécies tóxicas a estes, eliminando a necessidade de inseticidas.

O uso de herbicida para matar plantas não desejadas é difundido na agricultura moderna. Foram desenvolvidas muitas classes diferentes de herbicidas, e eles agem bloqueando aminoácidos, carotenóides, biossíntese de lipídio ou rompendo divisão da célula. O entendimento do modo de ação dos herbicidas foi uma ferramenta importante na pesquisa do metabolismo das planta e facilitou a aplicação deles em práticas agrícolas diferentes (Ashton e Crafts 1981). (A) estrutura química de dois herbicidas que bloqueiam o fluxo fotossintético de elétrons. DCMU também é conhecido como diuron. Paraquat adquiriu notoriedade pública por causa de seu uso em culturas de maconha. (B) locais de ação de herbicidas. Muitos herbicidas, como DCMU, agem bloqueando o fluxo de elétron aos receptores de quinona do fotossistema II, competindo pelo local de ligação da plastoquinona que normalmente é ocupado por QB. Outros herbicidas, como paraquat, agem recebendo elétrons dos primeiros receptores do fotossistema I e reagindo então com oxigênio para formar superoxido, 02-, uma espécie que é muito danosa a componentes dos cloroplastos, especialmente lipídios.

 

FASE ESCURA DA FOTOSSINTESE (Fase química)

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\image022.gif

 

A Fotossíntese continua seu metabolismo mesmo na ausência de luz. A fase escura ou química como é chamada, representa a fixação do CO2, através de três tipos de fotossíntese: Plantas C3, C4 e CAM

 

 

PLANTAS C3

 

 Ciclo de Calvin

      Todos os eucariontes fotossintetizantes, da alga mais primitiva até a angiosperma mais avançada, reduzem o CO2 a carboidratos pelo mesmo mecanismo básico: o ciclo fotossintético de redução do carbono, originalmente descrito para as espécies C3 (o ciclo de Calvin, ou ciclo redutivo das pentoses fosfato [RPP]). Outras rotas metabólicas associadas com a fixação fotossintética do CO2, tal como o ciclo fotossintético C4 de assimilação do carbono, são auxiliares ou dependentes do ciclo de Calvin.

      O ciclo de Calvin possui três fases: carboxilação, redução e regeneração.

      No ciclo de Calvin, CO2 e água do ambiente são combinados enzimaticamente com uma molécula aceptora contendo cinco átomos de carbono, para gerar duas moléculas de um intermediário com três carbonos, portanto o ciclo de Calvin é também conhecido com via C3. Esse intermediário (3-fosfoglicerato) é reduzido a carboidrato pela regeneração do aceptor de cinco carbonos (ribulose-1,5-bifosfato, abreviado RuBP).

      O ciclo de Calvin acontece em três estágios (Figura 1):

1.   Carboxilação do aceptor de CO2, ribulose-1,5-bifosfato, formando duas moléculas de 3-fosfoglicerato, o primeiro intermediário estável do ciclo de Calvin.

2.   Redução do 3-fosfoglicerato, formando gliceraldeído-3-fosfato, um carboidrato.

3.   Regeneração do aceptor de CO2, ribulose-1,5-bifosfato, a partir do gliceraldeído-3-fosfato.

O carbono presente no CO2 é a forma mais oxidada que se encontra na natureza (+4). O carbono do primeiro intermediário estável, 3-fosfoglicerato, é mais reduzido (+3), sendo ainda mais reduzido no produto gliceraldeído-3-fosfato (+1). Em resumo, as reações iniciais do ciclo de Calvin completam a redução do carbono atmosférico, facilitando assim, sua incorporação a compostos orgânicos.

 

 

 

O ciclo de Calvin opera em três fases (1) Carboxilação, (2) Redução e (3) Regeneração.

 

A carboxilação da ribulose bifosfato é catalisada pela enzima rubisco.

      O CO2 entra no ciclo de Calvin pela reação com a ribulose-1,5-bifosfato para produzir duas moléculas de 3-fosfoglicerato. Essa reação é catalisada pela enzima ribulose bifosfato carboxilase/oxigenase localizada no cloroplasto, também chamada de rubisco. Conforme indica seu nome completo, a enzima possui também uma atividade de oxigenase, na qual o O2 compete com o CO2 pelo substrato comum ribulose-1,5-bifosfato. Essa propriedade limita a fixação líquida de CO2.

      O CO2 é adicionado ao carbono 2 da ribulose-1.5-fosfato, produzindo um intermediário estável, ligado à enzima, o qual é hidrolisado para produzir duas moléculas do produto estável 3-fosfoglicerato. As duas moléculas de 3-fosfoglicerato são distinguidas pelo fato de a molécula superior conter o dióxido de carbono recém incorporado.

Figura 1. Ciclo C3

 

 

 

Duas propriedades da reação da carboxilase são de especial importância:

1.   A mudança negativa na energia livre associada com a carboxilação da ribulose-1,5-bifosfato é grande; assim, a reação direta é fortemente favorecida.

2.   A afinidade da rubisco pelo CO2 é suficientemente alta para garantir uma rápida carboxilação nas condições de baixas concentrações de CO2 encontradas nas células fotossintetizantes.

A rubisco é muito abundante, representa até 40% do total das proteínas solúveis na maioria das folhas. A concentração de sítios ativos da rubisco no estroma dos cloroplastos é estimada em aproximadamente 4mM ou cerca de 500 vezes maior do que a concentração de seu substrato CO2.

As trioses fosfato são formadas na etapa de redução do ciclo de Calvin.

Na próxima etapa do ciclo de Calvin, o 3-fosfoglicerato formado no estágio de carboxilação passa por duas modificações:

1.   É primeiramente fosforilado, via 3-fosfoglicerato quinase, a 1,3-bifosfoglicerato, utilizando ATP gerado nas reações luminosas.

2.   Em seguida, é reduzido a gliceraldeído-3-fosfato, utilizando o NADPH gerado pelas reações luminosas. A enzima NADP:gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase do cloroplasto catalisa esta etapa. Observe que a enzima é similar aquela da glicólise, exceto que o NADP, em vez de NAD, é a co-enzima. Uma forma da enzima ligada ao NADP é sintetizada durante o desenvolvimento do cloroplasto e esta é utilizada, preferencialmente, nas reações biossintéticas.

O funcionamento do ciclo de Calvin necessita da regeneração da ribulose-1,5-bifosfato

A absorção contínua de CO2 exige que o aceptor de CO2, ribulose-1,5-bifosfato, seja constantemente regenerado. Para impedir a redução de intermediários do ciclo de Calvin, três moléculas de ribulose-1,5-bifosfato (15 carbonos no total) são formadas pelas reações que reorganizam os carbonos das cinco moléculas de triose fosfato:

1.   Uma molécula de gliceraldeído-3-fosfato é convertida, via triose fosfato isomerase, a diidroxiacetona-3-fosfato em uma reação de isomerização.

2.   Diidroxiacetona-3-fosfato passa, então, por uma condensação aldólica com uma segunda molécula de gliceraldeído-3-fosfato, uma reação catalisada pela aldolase, gerando frutose-1,6-bifosfato.

3.   Frutose-1,6-bifosfato ocupa uma posição-chave no ciclo e é hidrolisada a frutose-6-fosfato, a qual reage com a enzima transcetolase.

4.   Uma unidade de dois carbonos (C-1 - C-2 da frutose-6-fosfato) é transferida, via transcetolase, para uma terceira molécula de gliceraldeído-3-fosfato, gerando eritrose-4-fosfato (do C-3 a C-6 da rutose) e xilulose-5-fosfato (do C-2 da frutose e do gliceraldeído-3-fosfato).

5.   Eritrose-4-fosfato combina então, via aldolase, com uma quarta molécula de triose fosfato (diidroxiacetona-3-fosfato), para produzir o açúcar de sete carbonos sedo-heptulose-1,7-bifosfato.

6.   Este bifosfato de sete carbonos é, então, hidrolisado através de uma fosfatase específica, para gerar sedo-heptulose-7-fosfato.

7.   Sedo-heptulose-7-fosfato doa uma unidade de dois carbonos para a quinta molécula de gliceraldeído-3-fosfato via transcetolase e produz ribose-5-fosfato (do C-3 ao C-7 da sedo-heptulose) e xilulose-5-fosfato (do C-2 da sedo-heptulose e do gliceraldeído-3-fosfato).

8.   As duas moléculas de xilulose-5-fosfato são convertidas a duas moléculas do açúcar ribose-5-fosfato por uma ribulose-5-fosfato epimerase. A terceira molécula de ribose-5-fosfato é formada da ribose-5-fosfato pela ribose-5-fosfato isomerase.

9.   Por fim, a ribulose-5-fosfato quinase catalisa a fosforilação da ribulose-5-fosfato com ATP, regenerando assim, o aceptor inicial de CO2, ribulose-1,5-bifosfato.

O ciclo de Calvin regenera seus próprios componentes bioquímicos.

As reações do ciclo de Calvin regeneram os intermediários bioquímicos necessários para manter o ciclo em operação. Entretanto, mais importante é a possibilidade de aumento na velocidade de operação do ciclo de Calvin, em função de aumento na concentração de seus componentes intermediários; isto é, o ciclo é autocatalítico. Como conseqüência, o ciclo de Calvin possui a característica metabólica desejável de produzir mais substrato do que é consumido, desde que a triose fosfato não esteja sendo desviada para outra rota:

A importância desta propriedade autocatalítica é demonstrada por experimentos onde folhas previamente mantidas no escuro ou cloroplastos isolados são iluminados. Nestes experimentos, a fixação do CO2 inicia somente após um lapso (lag) de tempo, chamado de período de indução, e a taxa de fotossíntese aumenta com o passar do tempo nos primeiros minutos, logo após o início da iluminação. O aumento na taxa de fotossíntese durante o período de indução é devido em parte à ativação das enzimas pela luz e em parte a um aumento na concentração dos intermediários do ciclo de Calvin.

A maior parte do carbono fixado é convertida à sacarose ou amido.

      Embora a glicose seja normalmente representada como o carboidrato do produto final da fotossíntese nas equações simplificadas, na realidade pouca glicose livre é produzida nas células fotossintetizantes. A maior parte do carbono fixado é convertido em sacarose, a principal forma de transporte dos açúcares, ou em amido, a principal forma de estocagem de carboidratos nas plantas.

      Grande parte do gliceraldeído-3-fosfato produzido pelo ciclo de Calvin é exportada para o citosol, onde, por meio de uma série de reações, é convertida em sacarose. A maior parte do gliceraldeído-3-fosfato que permanece nos cloroplastos é convertida em amido, o qual é estocado temporariamente durante o período luminoso como grãos de amido no estroma. À noite, a sacarose é produzida a partir do amido e exportada da folha, através de feixes vasculares, para as outras partes da planta.

     

Regulação do ciclo de Calvin.

      A alta eficiência energética do ciclo de Calvin indica que alguma forma de regulação garante que todos os intermediários estejam em concentrações adequadas e que o ciclo seja desligado quando não se faz necessário durante o período de escuro. Em geral, variações na concentração ou na atividade específica de enzimas modulam as taxas catalíticas, ajustando, assim, o nível de metabólitos no ciclo.

      Alterações na expressão gênica e na biossíntese de proteínas regulam a concentração de enzimas. Modificações pós-translacionais de proteínas contribuem para a regulação da atividade enzimática. Em âmbito genético, a quantidade de cada enzima presente no estroma do cloroplasto é regulada por mecanismos que controlam a expressão dos genomas do núcleo e do cloroplasto.

      No curto prazo, a regulação do ciclo de Calvin é obtida por vários mecanismos que otimizam a concentração dos intermediários. Tais mecanismos minimizam reações que operam em direções opostas, as quais desperdiçariam recursos. Dois mecanismos gerais podem alterar as propriedades cinéticas das enzimas:

1.   A transformação das ligações covalentes, tipo a redução dos dissulfitos e a carbamilação dos grupos amino, que vão gerar uma enzima quimicamente modificada.

2.   A modificação das interações não-covalentes, tipo a ligação de metabólitos ou mudanças na composição do ambiente celular. Ademais, a ligação das enzimas às membranas dos tilacóide aumenta a eficiência do ciclo de Calvin, alcançando, assim, um nível maior de organização que favorece a canalização e a proteção dos substratos.

A ativação de enzimas, dependentes da luz, regula o ciclo de Calvin.

Cinco enzimas reguladas pela luz operam no ciclo de Calvin:

1.   Rubisco

2.   NADP:gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase

3.   Frutose-1,6-bifosfatase

4.   Sedo-heptulose-1,7-bifosfatase

5.   Ribulose-5-fosfato quinase

As últimas quatro enzimas contêm um ou mais grupos dissulfitos. A luz controla a atividade dessas quatro enzimas por intermédio do sistema ferredoxina-tiorredoxina, um mecanismo de oxirredução covalente baseado em um tiol e identificado por Bob Buchanan e colaboradores. No escuro, esses resíduos estão no estado oxidado, que deixa a enzima inativa ou subativa.

A atividade da rubisco aumenta na luz.

      A atividade da rubisco também é regulada pela luz, porém a enzima não responde à tiorredoxina. George Lorimer e colaboradores descobriram que a rubisco é ativada quando um CO2 de ativação reage lentamente com um grupo e-NH2 sem carga da lisina, dentro do sítio ativo da enzima. O derivado de carbamato resultante se liga, então, rapidamente ao Mg2+, produzindo o complexo ativado.

      No estado ativo, a rubisco se liga a uma outra molécula de CO2, que reage com a forma 2,3-enediol da ribulose-1,5-bifosfato, produzindo 2-carcoxil-3-cetoribitol 1,5-bifosfato e, como conseqüência, a rubisco libera duas moléculas de 3-fosfoglicerato.

      A rubisco também é regulada por um açúcar fosfato natural, carboxiarabinitol-1-fosfato, muito semelhante ao intermediário transitório de seis carbonos de reação de carboxilação. Esse inibidor está presente em baixas concentrações das folhas de leguminosas como a soja e o feijoeiro. Carboxiarabinitol-1-fosfato liga-se à rubisco à noite e é removido pela ação da rubisco ativase pela manhã, quando o fluxo de fótons aumenta.

 

 

      Movimentos iônicos dependentes da luz regulam as enzimas do ciclo de Calvin.

      A luz provoca alterações iônicas reversíveis no estroma, as quais vão influenciar a atividade da rubisco e outras enzimas do cloroplasto. No momento em que a iluminação inicia, prótons são bombeados do estroma para o lume dos tilacóides. O efluxo de prótons é acoplado à absorção do Mg2+ para o estroma. Tais fluxos iônicos reduzem a concentração estromal de H+ e aumenta a concentração de Mg2+. Essas alterações na composição iônica do estroma do cloroplasto são invertidas quando escurece.

      Várias enzimas do ciclo de Calvin (rubisco, frutose-1,6-bifosfatase, sedo-heptulose-1,7-bifosfatase e ribulose-5-fosfato quinase) são mais ativas em pH 8 do que em pH 7 e necessitam de Mg2+ como um cofator para a catálise. Portanto, esses fluxos iônicos dependentes da luz aumentam a atividade de enzimas-chave do ciclo de Calvin.

      O transporte de membrana dependente da luz regula o ciclo de Calvin.

      A taxa na qual o carbono é exportado do cloroplasto tem função na regulação do ciclo de Calvin. O carbono é exportado como trioses fosfato em troca de ortofosfato por meio de um translocador de fosfato na membrana interna do envoltório do cloroplasto. Para garantir a operação contínua do ciclo de Calvin, pelo menos cinco sextos da triose fosfato precisam ser reciclados. Assim, no máximo um sexto pode ser exportado para a síntese de sacarose no citosol ou desviado para a síntese de amido dentro do cloroplasto. A regulação desse aspecto do metabolismo fotossintético do carbono será discutida mais adiante neste capítulo, quando se considerar a síntese de sacarose e amido.

     

 

PLANTAS C3 – que possuem apenas o Ciclo C3 (Ciclo de Calvin) de fixação do CO2, onde a Ribulose bi fosfato carboxilase, a Rubisco, fixa o CO2 na ribulose bi fosfato , produzindo duas moléculas de gliceraldeido 3 fosfato (3C).

 

A RUBISCO : a enzima RUBISCO - ribulose bifosfato carboxilase é constituida por 8 subunidades grandes (L subunit com 475 aa) e oito subunidades pequenas (S subunit com 123 aa.).

Devido á incapacidade da Rubisco em diferenciar o O2 do CO2, ela apresenta a fotorrespiração, processo prejudicial nas plantas C3.

RuBisCo é conhecida como a proteína mais importante e mais abundante da Terra, uma vez que praticamente toda a vida depende direta ou indiretamente dela .


Esta proteína ocorre nas plantas superiores, nas plantas inferiores e numa grande variedade de bactérias fotossintéticas. A RuBisCo representa normalmente mais de 50% da proteína das folhas das plantas superiores, pelo menos quando nos referimos a plantas do tipo C3*. Graças a esta proteína, as plantas terrestres fixam cerca de 50000000000000 kg de carbono, mas para tal necessitam de grandes quantidades de RuBisCo. Podemos dizer que por cada pessoa do nosso planeta existem cerca de 10 kg desta proteína nas plantas terrestres.

A enzima Rubisco é uma proteína abundante nas folhas (quase 50% da proteína solúvel total das folhas) e é a enzima mais abundante do planeta. A Rubisco é uma proteína oligomérica composta de 8 subunidades grandes (L, com aproximadamente 56 KDa cada) e 8 subunidades pequenas (S, com aproximadamente 14 KDa). O gene que codifica as subunidades grandes está localizada no DNA do cloroplasto, entanto que o gene que codifica as subunidades pequenas está localizado no DNA do núcleo. A Rubisco, além de atual como uma carboxilase, também apresenta atividade oxigenase. Quando atua como oxigenase, o aceptor ribulose 1,5-bifosfato se combina com o oxigênio para produzir um PGA e uma molécula de fosfoglicolato. Esse processo é denominado de fotorrespiração.


II.Fase de Redução


Nesta fase, o PGA (ácido orgânico) formado pela adição de CO2 à ribulose 1,5-bifosfato é convertido (reduzido) num açúcar de 3 carbonos (Triose-P). Neste processo é necessário utilizar a energia do "poder redutor" do NADPH2 e o ATP. A reação se dá em duas etapas, a primeira de fosforilação, adicionando um P do ATP, e a seguir reduzindo com NADPH2. O poder redutor do NADPH2 é usado para transformar o grupo ácido do PGA no grupo aldeído da triose-P; o ATP é necessário para suprir energia extra a fim de executar esta etapa.

Uma vez que o CO2 foi reduzido ao nível do açúcar de 3 carbonos (triose-P), a parte conservadora da energia da fotossíntese foi executada. Depois, disso é necessário regenerar a molécula inicial aceptora de CO2 , isto é, a ribulosa 1,5-bifosfato, a fim de a fixação de CO2 continuar indefinidamente (fase de regeneração) e transformar a triose-P em açúcares mais complexos, carboidratos, gorduras, aminoácidos, etc (fase de síntese de produtos).
III. Fase de regeneração


O aceptor inicial de CO2, RuBP é regenerado para ulteriores reações de fixação, através de uma serie complexa de reações envolvendo açúcares fosfatados com 3,4,5,6 e 7 carbonos.


IV.Fase de Síntese de produtos:

Os produtos finais da fotossíntese são considerados primariamente como açúcares e outros carboidratos, mas gorduras, ácidos grassos, aminoácidos e ácidos orgânicos têm sido também admitidos como sintetizados na fixação fotossintética do carbono. 

Relação entre fase clara(fotoquímica) e fase escura (química)

 

  

 


 

 

FOTORRESPIRAÇÃO EM PLANTAS C3

 

Fotorrespiração



 

Esquema da fotorrespiração envolvendo três organelas


A enzima Rubisco, além da atividade carboxilase, também apresenta atividade oxigenase. Isso significa que o oxigênio molecular (O2) e o CO2 competem pela mesma enzima e pelo mesmo substrato ribulose 1,5-bifosfato. O processo fotorrespiratório envolve a cooperação de 3 organelas: o cloroplasto, o peroxissoma e a mitocôndria. A fotorrespiração se inicia no cloroplasto, com a oxidação da RuBP pelo oxigênio. Os dois produtos da ação da Rubisco sobre a RuBP e O2 sâo o ácido fosfoglicérico (3C) e o ácido fosfoglicólico (2C). A seguir o fosfoglicolato é transformado em glicolato que logo sai do cloroplasto e ingressa ao peroxissoma onde é oxidado para formar glioxilato e peróxido de oxigênio. O peróxido de hidrogênio formado é degradado pela ação da catalase:


2H2O2Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\image020.gif2H2O + O2 

Catalase


Logo, o glioxilato é convertido a glicina por meio de uma transaminação. A seguir, a glicina é transportada até a mitocôndria, onde duas glicinas sâo convertidas em uma serina e uma molécula de CO2. Essa reação mitocondrial é a fonte de CO2 liberado durante a fotorrespiração.

A serina, logo é convertida em PGA por meio de uma serie de reações que envolvem a perda de um grupo amino. Parte do PGA é convertido em RuBP e parte é convertido am amido nos cloroplastos. A equação geral da fotorrespiração é:

2RuBP+3O2+2ATP+ H2ODescrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: C:\Meus documentos 2011\web BIOQUIMICA 2011\image020.gifCO2+3PGA+2ADP+ 3Pi



O processo fotorrespiratório conserva em media, 3/4 dos carbonos da RuBP que reagem com o oxigênio. A competição entre o CO2 e o O2 por Rubisco explica a forte inibição da fotossíntese das plantas C3 em condições de baixo nível de CO2, e o incremento da fotossíntese em baixos níveis de oxigênio.


A fotorrespiração é um processo dependente de luz por três motivos: 1º. A formação de RuBP ocorre mais rápido na luz do que no escuro. A regeneração da RuBP no ciclo de Calvin requer de ATP produzido na fase fotoquímica. 2º A liberação do oxigênio a partir da molécula de água é um processo que requer de luz, e 3º porque a enzima Rubisco que cataliza a oxigenação (ou carboxilação) é ativada por luz e inativada no escuro.

 

Em termos de produtividade, a fotorrespiração é um processo que reduz a fixação de CO2 e o crescimento das plantas, no entanto, agora se sabe que o processo fotorrespiratório é importante para remover o excesso de energía (ATP e NADPH2) produzido sob altos niveis de radiação ou não utilizados sob situações de estresse hídrico, por exemplo. (
Site internet http://br.answers.yahoo.com/question/index?qid=20090402050641AACa2UO



MECANISMO DE CONCENTRAÇÃO DO CO2: O CICLO C4 DO CARBONO

1. Introdução

A vida na terra depende, em ultima análise, da energia proveniente do sol e a fotossíntese é o único processo de importância biológica que pode aproveitar esta energia.

Os organismos fotossintetizantes utilizam a energia solar para sintetizar compostos carbonados que não poderiam ser formados sem um input de energia. Mais especificamente, a energia luminosa dirige a síntese de carboidratos a partir do dióxido de carbono e água com a liberação de oxigênio. A energia armazenada nessas moléculas pode ser utilizada para impulsionar processos celulares na planta e servir como fonte de energia para todas as formas de energias.

A oxidação fotoquímica da água a oxigênio molecular está ligada à geração do ATP e do nucleotídeo reduzido de piridina (NADPH), pelas reações que ocorrem nas membranas dos tilacóides dos cloroplastos. Essas reações são denominadas reações luminosas da fotossíntese (figura 1).

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/lightrxn.gif

Figura 1. Reações luminosas da fotossíntese.

As reações que catalisam a redução do CO2 a carboidratos estão ligadas ao consumo de NADPH e ATP pelas enzimas que se encontram no estroma, a fase solúvel dos cloroplastos.

As plantas vasculares podem ser divididas em três grupos de acordo com seu mecanismo fotossintético de fixação do carbono: C3, C4 e CAM.

A marcação inicial de ácidos C4 foi observada primeiro em estudos com C14O2 em cana-de-açúcar, por Korchasck e colaboradores e em milho, por Karpilov e colaboradores. Quando as folhas eram expostas ao C14O2 por alguns segundo, na presença de luz, 70 a 80 % do marcador eram recuperados nos ácidos C4 malato e aspartato diferentemente do que acontecia nas plantas que fotossintetizavam somente via ciclo de Calvin.

Hatch & Slack (1970), descobriram que os ácidos C4 malato e aspartato são os primeiros intermediários estáveis detectáveis da fotossíntese em folhas de cana-de-açúcar e que o átomo de carbono 4 do malato, subseqüentemente, torna-se átomo de carbono 1 do 3-fosfoglicerato. A carboxilação inicial nessas folhas não é catalisada pela rubisco, mas pela PEP (fosfoenolpiruvato) carboxilase.

As enzimas que participam do processo ocorrem em um dos dois tipos de células – PEP carboxilase e a piruvato ortofosfato diquinase são restritas às células do mesófilo; as descarboxilases e as enzimas de ciclo completo de Calvin estão confinadas às células da bainha vascular. Assim, Hatch & Slack formaram um modelo clássico do ciclo C4.

 

2. Anatomia da folha das plantas com mecanismo C4

 

Existem diferenças na anatomia das folhas entre plantas que possuem o ciclo C4 de carbono (chamadas plantas C4) e aquelas que fotossintetizam somente via o ciclo fotossintético de Calvin (plantas C3).

Uma secção transversal de uma folha típica C3 revela um tipo principal de células que possuem cloroplastos, o mesófilo. Já uma folha típica C4 possue dois tipos distintos de células que contém cloroplastos: células do mesófilo e bainha vascular (figura 2).

Há uma considerável variação anatômica no arranjo dessas células da bainha vascular com relação ao mesofilo e ao tecido vascular. Em todos os casos, entretanto, a operação do ciclo C4 requer um esforço cooperativo de ambos os tipos de células. Nenhuma célula do mesófilo de uma planta C4 está a mais do que duas ou três células de distancia da célula da bainha mais próxima.

 

Figura 2. Comparação da anatomia foliar em plantas C3 e C4. Taiz & Zeiger, 2004

 

 

Síntese de Amido e Celulose

O  ciclo C4

O ciclo C4 basicamente consiste de :

 

Fixação do CO2 pela fosfoenolpiruvato carboxilase nas células do mesofilo, para formar um ácido com 4 carbonos (malato e/ou aspartato)

 

Transporte dos ácidos C4 para a bainha vascular.

 

Descarboxilação dos ácidos C4 dentro da bainha vascular gerando CO2, que é então reduzido a carboidrato via ciclo de Calvin.

 

Transporte do ácido C3 (piruvato ou alanina), formado na etapa de descarboxilação, de volta a célula do mesofilo e regeneração do aceptor de CO2 fosfoenolpiruvato.

 

 

 

 

 

No mecanismo de fixação de carbono das plantas C4, a alta atividade carboxilativa da PEPcarboxilase assegura uma alta concentração de CO2 nas células da bainha do feixe vascular, onde ocorre a refixação de CO2 via ciclo de Calvin (enzima Rubisco). Dessa forma, predomina nas células da bainha, a atividade carboxilase da Rubisco e uma menor taxa de fotorrespiração (atividade de oxigenase) porque a alta concentração de CO2 compete melhor, com o oxigênio, pela enzima e pelo substrato (RuBP). Por outro lado, ao ocorrer a fotorrespiração, o CO2 produzido não consegue sair das folhas, porque é rapidamente refixado pela PEP carboxilase nas células mesofílicas.

 

 

Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: Descrição: http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/C4phot.gif

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ciclo fotossintético C4.

 

As plantas C4 podem ser divididas em três subtipos, dependendo do tipo de enzima descarboxilativa usado nas células da bainha do feixe vascular. Estes subtipos são (Quadro 1):

 

Quadro 1. Subtipos de Plantas C4 (Buchanam et al., 2000)

Grupo C4

Enzima descarboxilativa

Exemplos

Formadora de malato

NADP - enzima málica

milho, cana, sorgo

Formadora de aspartato

NAD - enzima málica

Milheto

Formadora de aspartato

PEP carboxikinase

Panicum maximum

                       

Nos três subtipos de plantas C4 , a enzima carboxilativa inicial é a PEPcarboxilase (1) e o primeiro produto estável o oxalacetato.

 

Nas plantas C4 tipo NADP-enzima málica, no cloroplasto das células mesofílicas, o oxalacetato é convertido em malato, via enzima NADP-malato desidrogenase (2). Em seguida, o malato é transportado até o cloroplasto das células da bainha vascular, onde é descarboxilado pela NADP- enzima málica (9), produzindo priruvato e liberando CO2. O CO2 liberado é logo refixado via enzima Rubisco (ciclo de Calvin), enquanto o piruvato retorna até as células mesofílicas, onde é utilizado para regenerar fosfoenolpiruvato.

Nas Plantas C4 tipo NAD-enzima málica, o oxalacetato é convertido em aspartato, via enzima aspartato amino tranferase (3). Em seguida, o aspartato é transportado até as células da bainha vascular. Na mitocôndria dessas células, o aspartato é convertido primeiro em oxalacetato, via enzima aspartato aminotransferase (3), e após, em malato via enzima NAD malato desidrogenase (11). A seguir, o malato é descarboxilado pela NAD-enzima málica (12), produzindo piruvato e CO2 . O CO2 liberado ingressa no cloroplasto, onde é refixado, via enzima Rubisco (ciclo de Calvin). O piruvato é convertido em alanina, via enzima alanina aminotranferase (4), em seguida, a alanina retorna às células mesofílicas, onde é reconvertida a piruvato que serve para regenerar fosfoenolpiruvato.

Nas plantas C4 tipo PEP- carboxicinase, o oxalacetato é convertido em aspartato, via enzima aspartato aminotransferase (3). Em seguida, o aspartato e trasnportado até as células da bainha do feixe vascular. No citossol dessas células, o aspartato é reconvertido em oxalacetato, via aspartato aminotransferase (3). A seguir, o oxalacetato é descarboxilado, via enzima PEP carboxicinase (10), produzindo fosfoenolpiruvato e liberando CO2 . O CO2 liberado é refixado via enzima Rubisco (ciclo de Calvin). O fosfoenolpiruvato é convertido em piruvato e em seguida em alanina, que retorna até as células mesofílicas para regenerar PEP.

 

 

A atividade de algumas enzimas do ciclo C4 é regulada pela luz

 

A luz é essencial para a operação do ciclo C4 porque regula várias enzimas especificas. Por exemplo, as atividades da PEP carboxilase, NADP:malato desidrogenase e piruvato ortofosfato diquinase são reguladas em resposta a variações na densidade do fluxo por dois processos diferentes: reudução-oxidação dos grupos tiol e fosforilação-desfosforilação.

      A NADP:malato desidrogenase é regulada via sistema tiorredoxina do cloroplasto. A enzima é reduzida (ativada) com a iluminação das folhas e oxidada (inativada) quando escurece. A PEP carboxilase é ativada por um mecanismo de fosforilação-desfosforilação dependente da luz que ainda não foi caracterizado.

 

Metabolismo Ácido das Crassuláceas (CAM)

 

      Um terceiro mecanismo de concentração do CO2 no sítio da rubisco é encontrado no metabolismo ácido das crassuláceas (CAM). Apesar do seu nome, as CAM não estão restritas à família Crassulácea (Crassula, Kalanchoe, Sedum); tal mecanismo é encontrado em um grande número de família de angiospermas. Os cactos e as eufórbias são plantas CAM, bem como abacaxi, baunilha e agave.

      O mecanismo CAM permite às plantas melhorarem a eficiência do uso da água. Tipicamente, uma planta CAM perde 50 a 100g de água para cada grama de CO2 obtido, comparando com valores de 250 a 300g e 400 a 500g para plantas C4 e C3, respectivamente. Assim, as plantas CAM possuem uma vantagem competitiva em ambientes secos.

      O mecanismo CAM é similar em muitos aspectos ao ciclo C4. Nas plantas C4, a formação dos ácidos C4 no mesofilo é espacialmente separada da descarboxilação dos ácidos C4 é tanto temporal como espacialmente separada. À noite, o CO2 é capturado pela PEP carboxilase no citosol, e o malato formado a partir do oxalacetato é estocado no vacúolo. Durante o dia, o malato estocado para o cloroplasto e descarboxilado pela enzima NADP-málica, o CO2 liberado é fixado pelo ciclo de Calvin e o NADPH é utilizado para converter o produto triose fosfato descarboxilado em amido.

      As plantas CAM, tais como os cactos, por exemplo, atingem sua alta eficiência de uso da água abrindo os seus estômatos durante o período seco e quente do dia. O fechamento dos estômatos durante o dia minimiza a perda de água, mas, uma vez que a água e o CO2 partilham a mesma rota de difusão, o CO2 necessita ser capturado à noite.

      O CO2 é incorparado, via carboxilação do fosfoenolpiruvato, a oxalacetato, o qual é então reduzido a malato. O malato acumula-se e é estocado em grandes vacúolos, que constituem uma característica anatômica típica, mas não obrigatória, das células foliares das plantas CAM (ver figura 1). O acúmulo de quantidades substanciais de ácido málico, equivalente à quantidade de CO2 assimilado durante a noite, há tempo foi reconhecido como uma acidificação noturna da folha (Bonner e Bonner, 1948).

      Com o início do período do dia, os estômatos fecham, evitando a perda de água e a conseqüente entrada do CO2. Na medida em que as reservas de ácido málico são consumidas, as células das folhas perdem a acidez. A descarboxilação é geralmente realizada pela ação da enzima NADP-málica sobre malato. Uma vez que os estômatos estão fechados, o CO2 liberado internamente não pode escapar da folha e, em vez disto, é fixado e convertido a carboidrato pelo ciclo de Calvin.

      A elevada concentração interna de CO2 efetivamente suprime a oxigenação fotorrespiratória da ribulose bifosfato e favorece a carboxilação. Acredita-se que o ácido C3 resultante da descarboxilação é convertido primeiro a triose fosfato e, depois, a amido ou sacarose, regenerando, assim, a fonte do aceptor original do carbono.

      O mecanismo CAM aqui descrito necessita da separação da carboxilação inicial da subseqüente descarboxilação, a fim de evitar um ciclo inútil. Além da separação espacial e temporal exibidas pelas plantas C4 e CAM, respectivamente, a inutilidade do ciclo é evitada pela regeneração da PEP carboxilase (ver figura 2). Nas plantas C4 a carboxilase está “ligada”, ou ativa, durante o dia, e nas plantas CAM, durante a noite.Tanto nas plantas C4 quanto nas CAM, a PEP carboxilase é inibida por malato e ativada pela glicose-6-fosfato.

      As plantas possuem muitos mecanismos que maximizam o suprimento de água e CO2 durante o desenvolvimento e a reprodução. As plantas C3 regulam a abertura estomática de suas folhas durante o dia e os estômatos fecham durante a noite. Plantas C4 e CAM utilizam a PEP carboxilase para fixar CO2 e elas separam esta enzima da rubisco espacial (plantas C4) ou temporalmente (plantas CAM).

      Algumas plantas CAM apresentam regulação de longo prazo e são capazes de ajustar o padrão de captação de CO2 às condições climáticas. CAM facultativas, tipo a “planta gelo” (Mesembryanthemum crystallinum), realizam metabolismo C3 sob condições de não estresse e alteram para CAM em resposta ao estresse térmico, hídrico ou salino. Essa forma de regulação requer a expressão de numerosos genes CAM em resposta aos sinais de estresse (Adams et al., 1998).

      Em ambientes aquáticos, as cianobactérias e as algas verdes possuem água em abundância, mas encontram baixas concentrações de CO2 no entorno, necessitando concentrar carbono inorgânico intracelularmente. Nas diatomáceas, abundantes no fitoplâncton, há um mecanismo de concentração de CO2 que opera simultaneamente com a rota C4 (Reinfelder et al., 2000). AS diatomáceas constituem um ótimo exemplo de organismos fotossintetizantes que possuem a capacidade de empregar diferentes mecanismos de concentração de CO2 em resposta a flutuações ambientais

Figura 1 – Esquema do metabolismo ácido das crassuláceas – CAM

 

COMPARAÇÃO ENTRE PLANTAS C3, C4 E CAM

 

 

Referência Bibliográfica

 

BUCHANAM, B.B.; GRUISSEM, W.; JONES, R.L. Biochemistry & Molecular Biology of Plants. Ed.Ac. Soc. Plant Physiology, 2000.

 

SALISBURY, F. e ROSS, C. Plant Physiology.  Wadsworth Publishing Company, Belmont, California, 1992.

TAIZ, L. E ZEIGER, E. 1991.  Plant Physiology.  The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc.  Redwood City, California.

Adams, P; Nelson, D. E.; Yamada, S.; Chmara, W., Jensen, R. C.; Bohnert, H. J.; Griffiths, H. G. (1998). Growth and development of Mesembryanthemum crytallinum. In: Fisiologia Vegetal, p. 188-190, 2005.

Bonner, W.; Bonner, J. (1948). The role of carbon dioxide in acid formation by succulent plants. In: Fisiologia Vegetal, p. 188-190, 2005.

Reinfelder, J. R.; Kraepiel, A. M. L., Morel, E. M. M. (2000). Unicellular C4 photosynthesis in a marine diatom. In: Fisiologia Vegetal, p. 188-190, 2005.

TAIZ, L.; ZEIGER, E. 2004. Fisiologia Vegetal. Porto Alegre: Artmed. 3a ed.

RAVEN, H.P.; EVERT, F.R.; EICHHORN, E.S. 2001. Biologia Vegetal. Rio de Janeiro: Guanabara koogan S.A. 6ª ed.

NELSON, D.L.; COX, M.M. 2002. Lehninger princípios de bioquímica. São Paulo: Sarvier. 3a ed.

 

FIM