ASPECTOS BÁSICOS DA FOTOSSÍNTESE

    

1. Introdução

2. Cloroplastos: Estrutura e organização e função

3. A Luz como fonte primaria de energia

4. Pigmentos fotossintéticos

5. Etapa fotoquímica da fotossíntese

6. A fixação do carbono em plantas C 3

7. Fotorrespiração

8. A fixação do carbono em plantas C 4

9. A fixação do carbono em plantas CAM

10. Fatores que afetam a fotossíntese

1. Introdução

A luz solar é a fonte primária de toda a energia que mantém a biosfera de nosso planeta. Por meio da fotossíntese, as plantas, algas e alguns tipos de bactérias convertem a energia física da luz solar em energia química, e esse processo é essencial para a manutenção de todas a formas de vida aqui existentes. A fotossíntese pode ser definida como um processo físico-químico, mediante qual os organismos fotossintéticos sintetizam compostos orgânicos a partir de matéria-prima inorgânica, na presença de luz solar. O processo fotossintético das plantas ocorre nos cloroplastos e resulta na liberação de oxigênio molecular e na captura de dióxido de carbono da atmosfera, que é utilizado para sintetizar carboidratos (Figura 1).

Figura 1. Esquema simplificado da fotossíntese

A fotossíntese pode ser representada pela seguinte equação empírica:

CO2 + H2O + Energia luminosa =====> [CH2O] + O2 + H2O

em que, [CH2O] representa carboidrato (açúcares). A síntese de carbohidratos a partir de dióxido de carbono e água requer um grande ingresso de energia. A energia livre para a redução de um mol de CO2 até o nível de glicose é de 478 kJ mol-1.

A fotossíntese é um processo muito complexo que compreende muitas reações físicas e químicas, que ocorrem de maneira coordenada em sistemas de proteínas, pigmentos e outros compostos associados a membranas. Em geral, o processo fotossintético é analisado em duas etapas interdependentes e simultâneas: 1) a etapa fotoquímica, antigamente chamada de fase "luminosa" e 2) a etapa química, também chamada de ciclo fotossintético redutivo do carbono, antigamente chamada de fase "escura".

Os produtos primários da etapa fotoquímica são o ATP e o NADPH2 . Nessa etapa, também ocorre a liberação do oxigênio, como subproduto da dissociação da molécula da água. A etapa química da fotossíntese é uma etapa basicamente enzimática, na qual o CO2 é fixado e reduzido até carboidratos, utilizando o NADPH2 e o ATP produzidos na etapa fotoquímica (Figura 2).

Todas as plantas e animais respiram e, por meio desse processo que ocorre no citoplasma e mitocôndrios, os carboidratos e outros constituintes celulares são convertidos em dióxido de carbono e água com a liberação de energia. Assim, a fotossíntese e a respiração são processos importantes na regulação dos teores de oxigênio e dióxido de carbono da atmosfera terrestre.

2. Cloroplastos: Estrutura e Organização e função

Nas plantas, o processo fotossintético ocorre dentro dos cloroplastos, que são plastídeos localizados em células especializadas das folhas (células do mesófilo paliçádico e do mesófilo lacunoso). O número de cloroplastos por célula varia de

um a mais de cem, dependendo do tipo de planta e das condições de crescimento. Os cloroplastos têm forma discóide com diâmetro de 5 a 10 micras, limitado por uma dupla membrana (externa e interna). A membrana interna atua como uma barreira controlando o fluxo de moléculas orgânicas e íons dentro e fora do cloroplasto. Moléculas pequenas como CO2 , O2 e H2O passam livremente através das membranas do cloroplasto.

Existem evidências de que os cloroplastos foram bactérias de vida livre que invadiram células não fotossintéticas. A presença de DNA no estroma é uma evidência. No entanto, a maior parte do DNA necessário para a biossíntese de novos cloroplastos está localizada no núcleo da célula. Internamente, o cloroplasto é composto de um sistema complicado de membranas, conhecidas como membranas fotossintéticas (ou membranas tilacoidais ou lamelas), que contêm a maioria das proteínas necessárias para a etapa fotoquímica da fotossíntese. As proteínas requeridas para a fixação e redução do CO2 estão localizadas na matriz incolor chamada estroma. As membranas tilacoidais formam os tilacóides, que são vesículas achatadas com um espaço interno aquoso chamado lumen. Os tilacóides, em certas regiões, se dispõem em pilhas chamadas de granum (Figura 2).

Figura 2. Localização dos cloroplastos e esquema da fase fotoquimica da fotossintese mostrando os complexos proteicos envolvidos no transporte de elétrons para  redução do NADP (PSII, cit b6/f, PSI) e na formação de ATP

(ATPsintase)

3. A Luz Como Fonte Primaria de Energia

A luz , fonte primária de energia na fotossíntese, é parte da radiação eletromagnética que é visível ao olho humano. A "luz visível" têm comprimentos de onda que vão do violeta, com cerca de 380 nm, ao vermelho, com 700 nm. Essa faixa do espectro de radiação eletromagnética também é chamada "radiação fotossinteticamente ativa" (Figura 3).

Figura 3. Espectro da Radiação Fotossinteticamente Activa (RFA)

Em 1900, Max Planck enunciou a teoria quântica, que estabelece que a radiação eletromagnética é emitida ou absorvida em discretas "unidades" de energia chamadas quanta. Matematicamente, a energia de um quantum de radiação pode ser expressa por E = h , em que, E é a energia de um único quantum de radiação, é a freqüência da radiação (freqüência é o número de ondas transmitidas na unidade de tempo ) e h é a constante de Planck (6,625 x 10-34 J. s). A freqüência , é igual a c/ , em que c , é velocidade da luz (3 x 108 m. s-1 ) e é comprimento de onda.

A energia luminosa apresenta natureza ondulatória e particulada. A luz é transmitida em ondas e absorvida ou emitida em partículas chamadas de fótons, com energia inversamente proporcional ao comprimento de onda. Assim, fótons de luz azul, de comprimento de onda curto, são mais energéticos do que fótons de luz vermelha, de maior comprimento de onda.

Para que a fotossíntese ocorra, os pigmentos fotossintéticos (clorofilas) devem absorver a energia de um fóton de dado comprimento de onda e, então, utilizar essa energia para iniciar uma cadeia de eventos da fase fotoquímica da fotossíntese. De acordo com a lei de equivalência fotoquímica de Einstein, uma molécula apenas reagirá depois de ter absorvido a energia de um fóton (h ). Em conseqüência, um mol de clorofila deve absorver 6,024 x 1023 (N) fótons de energia, ou seja, Nh para iniciar a reação. Um mol de luz vermelha de 700 nm contém 17,10 x 104 Joules por mol, enquanto um mol de luz azul contém 23,93 x 104 Joules por mol.

4. Pigmentos Fotossintéticos

Todos 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 plantas superiores, os principais pigmentos fotossintéticos são as clorofilas (a e b) e os carotenóides. 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 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 (Figura 4).

Figura 4. A. Espectros de absorção de luz das clorofilas a e b e carotenóides B. Espectro de ação da fotossíntese (modificado de Whitmarsh e Govindjee, 1996)

A fórmula molecular da clorofila a é C55H72N4O5Mg, e a da clorofila b C55H70N4O6Mg. A estrutura química da molécula de clorofila a é mostrada na figura 6a. A molécula de clorofila contém uma "cabeça" porfirínica e uma "cauda" de fitol. O núcleo porfirínico polar ( relativamente solúvel em água) é composto de um anel tetrapirrólico e um átomo de magnésio. Na clorofila b, o grupo -CH3 do segundo (II) anel pirrólico é substituído pelo grupo -CHO (Figura 5)

Figura 5. Estrutura quimica da clorofila

Os carotenóides são pigmentos amarelados ou alaranjados, denominados de pigmentos fotossintéticos acessórios, encontrados em todas as células fotossintetizantes. Normalmente, sua coloração nas folhas é mascarada pela clorofila. Os carotenóides  contêm um sistema conjugado de dupla ligação do tipo poliênico. Geralmente, são hidrocarbonetos puros (carotenos) ou hidrocarbonetos oxigenados (xantofilas). Os carotenóides têm espectros de absorção de luz na região entre 400 a 550 nm. Os carotenóides situam-se nas membranas tilacoidais em íntima associação com as clorofilas. A energia absorvida por esses pigmentos pode ser transferida para a clorofila a durante a fotossíntese. Além disso, os carotenóides protegem as moléculas de clorofilas e proteínas contra a fotoxidação sob luz excessiva.

Além dos pigmentos, as membranas tilacoidais contêm muitas proteínas, lipídios, quinonas e íons metálicos. Dois citocromos, o citocromo b6 e o citocromo f , encontrados nos cloroplastos estão envolvidos no transporte fotossintético de elétrons. A plastocianina, uma proteína azulada que contém cobre, a ferredoxina,

uma ferroproteína sem o grupo heme, e a flavoproteína ferredoxina-NADP redutase estão também localizadas nos cloroplastos. A plastoquinona está envolvida nas primeiras etapas da transferência de elétrons das moléculas excitadas de clorofila.

5. Etapa Fotoquímica da Fotossíntese

5.1 Absorção de Luz Pelo Complexo "Antena"

Funcionalmente, as moléculas de clorofila atuam agrupadas. A luz é coletada por um complexo formado por 200-300 moléculas de pigmento, que estão ligados a proteínas formando o complexo antena coletor de luz (LHC, Light-Harvesting-Complex). De acordo com essa concepção, a energia de um fóton, absorvida em qualquer ponto do conjunto de moléculas de clorofila da antena, migra a um centro de reação e promove o evento de transferência de um elétron (Figura 6).

Figura 6. Modelo simplificado do complexo antena coletor de luz (LHC). A energia dos fótons absorvida pelos pigmentos (clorofilas) "antena" é transferida por ressonância indutiva até os centros de reação (clorofila P680 no fotossistema II e clorofila P700 no fotossistema I ). Esses centros de reação transferem um elétron "rico" em energia ao receptor (Feofitina no PSII e A0 no PSI, respectivamente) e recebem um elétron "pobre" em energia do doador (resíduo de tirosina no PSII e plastocianina no PSI, respectivamente) (Modificado de Mohr e Schopfer, 1995).

A fotossíntese se inicia com a absorção de um fóton por uma molécula da "antena". Esse evento ocorre num tempo muito curto de dois femtosegundos (2 x 10-15 segundos). Quando a luz é absorvida por um átomo no estado fundamental, toda a energia do fóton é adicionada a ele e o átomo passa, então, de um estado eletrônico fundamental (S0) para um estado excitado singleto, rico em energia. Os estados excitados singletos podem ser S1 e S2 . Quando a molécula de clorofila absorve a energia de um fóton de luz azul, passa ao estado excitado singleto S2. Após absorver a energia de um fóton de luz vermelha, a clorofila passa ao estado excitado singleto S1 . A transição de S2 a S1 é extremadamente rápida (aproximadamente 10-12 segundos). A diferença de energia entre S2 e S1 é perdida como calor. A transição do estado excitado S1 para o estado fundamental S0 é lenta e a energia é dissipada de diversas maneiras, podendo ocorrer a emissão de um fóton de luz de volta ao meio (fenômeno chamado de fluorescência) ou a transferência de energia entre as moléculas de clorofila até o centro de reação (fenômeno chamado de ressonância indutiva), com a respectiva emissão de um elétron rico em energia do centro de reação (reação fotoquímica redox) (Figura 7).

Figura 7. Modelo simplificado da excitação das moléculas de clorofila e transferência de energia por ressonância indutiva. Quando a clorofila absorve luz azul, passa do estado fundamental S0 ao segundo estado excitado singleto (S2).Quando absorve luz vermelha, a clorofila passa ao primeiro estado excitado singleto (S1). O diferencial de energia entre S2 e S1 é perdido como calor. Do estado S1 , a energia de excitação pode ser perdida como luz (fluorescência), ou transferida por ressonância indutiva até o centro de reação.(Modificado de Salisbury e Ross, 1991)

5.2 Complexos Proteínicos do Processo Fotoquímico

Atualmente, é bem conhecido que são quatro os complexos proteínicos associados às membranas dos tilacoides e essenciais para a produção do agente redutor (NADPH2 ) e para a síntese de ATP

O Fotossistema II (complexo PSII-com seu complexo coletor de luz LHCII) O Fotossistema I (complexo PSI-com seu complexo coletor de luz LHCI) O Complexo citocromo b6 /f O complexo ATP-sintase (CFo-CF1).

Desses complexos, os três primeiros são necessários para a transferência de elétrons da molécula de água até o NADP+ , enquanto que a ATP-sintase catalisa a síntese de ATP, a partir de ADP + Pi  (Figura 8).

Figura 8. Organização estrutural do tilacoide mostrando os quatro complexos protéicos da fase fotoquímica da fotossíntese (Modificado de Lehninger, 1993)

Em resumo, a etapa fotoquímica começa com a absorção de energia luminosa pelos dos sistemas coletores antena LHCII e LHCI, associados respectivamente aos fotossistemas II (PSII) e I (PSI). A captura da energia luminosa possibilita a transferência de elétrons da molécula de água até o NADP+ , com a formação de NADPH. A fotólise da molécula de água e o transporte de elétrons permitem a criação de um gradiente de prótons entre o lúmen do tilacóide e o estroma do cloroplasto. Esse gradiente eletroquímico de prótons permite a síntese de ATP, via complexo ATP-sintase. A etapa fotoquímica resulta em:

Produção de forte agente redutor, NADPH Liberação de oxigênio como subproduto da dissociação da molécula da

água Formação de ATP por meio do complexo ATP-sintase

O ATP e NADPH são utilizados na fase reductiva do carbono (Figura 9)

Figura 9. Relações entre a fase fotoquímica e a fase reductiva do carbono da fotossíntese

a. Fotossistema II (PSII)O Fotossistema II é um complexo composto de mais de 15 polipeptídeos e, pelo menos, nove componentes redox (clorofila P680 , feofitina, plastoquinona, tirosina, Mn, Fe, citocromo b559 , carotenóides e histidina). O complexo central do Fotossistema II é formado por proteínas intrínsecas e periféricas. O corpo central é formado por duas proteínas integrais chamadas D1 e D2, com pesos moleculares de 33 e 31 kDa, respectivamente, formando o heterodímero D1 /D2 . Nos últimos anos, tem-se estabelecido que o heterodímero D1 /D2 mantém ligado na sua estrutura os principais cromóforos e cofatores envolvidos no transporte de elétrons através do PSII. Assim, associados à proteína D1 encontram-se (Figura 10):

O P680 , molécula especial de clorofila a que atua como doador primário de elétrons;

A feofitina (Phe) molécula de clorofila a modificada (2 átomos de H ao invés do átomo central de Mg), e que atua como aceptor primário de elétrons;

A plastoquinona QB , quinona especial de plastídeo, que transporta elétrons da QA até o complexo citocromo b6 /f ;

O doador secundário de elétrons Z (resíduo de tirosina), que transfere elétrons da molécula da água até o P680.

A proteína D2 mantém ligada à sua estrutura a plastoquinona QA, que transfere elétrons da feofitina até a QB. Recentes evidências mostram que o heterodimero D1 / D2 também mantém ligado o complexo de oxidação da molécula de água (complexo que evolui oxigênio).

Figura 10. Fotossistema IIEm resumo, no Fotossistema II, a molécula de água é oxidada até oxigênio e os elétrons gerados permitem a redução da plastoquinona. Na oxidação de duas moléculas de água, são removidos 4 elétrons, gerando-se uma molécula de oxigênio molecular e 4 íons hidrogênio.

2H2O ===========> O2 + 4H+ + 4e-

b. Complexo Citocromo b6 /fO complexo citocromo b6 /f é formado por quatro diferentes polipeptídeos, o citocromo b6 , o citocromo f, uma proteína que contem ferro-enxofre (2Fe-2S) e um quarto polipeptídeo chamado de polipeptídeo IV; de função ainda desconhecida. Em resumo, o complexo citocromo b6 / f transfere elétrons da quinona reduzida (PQH2) até a plastocianina, que é uma proteína periférica móvel que contem cobre e que tem como principal função transferir elétrons do citocromo b6/f até o P700

,centro de reação do Fotossistema I. c. Fotossistema I (PSI)O Fotossistema I é formado por um complexo multiproteínico que mantém ligados vários transportadores de elétrons. O centro de reação é energizado por um complexo "antena" de aproximadamente 200 moléculas de clorofila a. A energia é transferida ao P700 , dímero de clorofila a . Associados ao PSI se encontram o A0 , monômero de clorofila a , centros Ferro-Enxofre (FeSx , FESA ,, FESB ), que transportam elétrons até a ferredoxina. O complexo Fotossistema I catalisa a oxidação da plastocianina e a redução da ferredoxina. Outra proteína associada ao Fotossistema I é a flavoproteína ferredoxina-NADP oxidoredutase, que reduz o NADP+ a NADPH2 , completando a seqüência do transporte não-cíclico de elétrons, que começa com a oxidação da molécula de água (Figura 11).

Figura 11 Fotossistema IA figura 10 ilustra, esquematicamente, o processo de transporte de elétrons da molécula de água até o NADP+ , através dos Fotossistemas II , I e do complexo citocromo b6 /f. O processo fotoquímico a nível do Fotossistema II, pode ser resumido nos seguintes eventos  e nas equações:a. Excitação da clorofila clorofila "antena" (Chl) + hv(luz) ========> clorofila "antena" excitada (Chl )Esse processo têm uma duração aproximada de 2 femtosegundos (2x10 -15

segundos)b. Transferência de energia por ressonância indutiva Chl + P680 ========> Chl + P680

em que, P680 = P680 em estado excitado singleto.c. Separação de carga P680 + Feofitina ========> P680

+ + Feofitina-

Nessa etapa, um elétron do P680 é transferido para a feofitina, ficando P680 em estado oxidado (P680

+ ), e a feofitina em estado reduzido (Feofitina- ). Duração aproximada: 3 picosegundos (3x10-12 segundos)d. Fluxo de elétrons da feofitina até QA

Feofitina- + QA =======> Feofitina + QA

-

Nesta etapa, um elétron da feofitina passa para a plastoquinona QA , ficando a última reduzida (QA

- ), e a feofitina, oxidada. Duração aproximada: 200-300 picosegundos.e. Fluxo de elétrons desde Z (tirosina) até P680

P680 + Z =========> Z + P680 em que, Z é um doador secundário de elétrons (resíduo de tirosina do polipeptídeo D1 ). Após a transferência, Z fica oxidada (Z).Duração aproximada: 20-300 nanosegundos (20-300 x 10-9 segundos).f. Fluxo de elétrons de QA até QB

QA- + QB ========> QA + QB

-

QB é o segundo aceptor de elétrons e está localizado no polipeptídeo D1.

Duração aproximada: 100-200 microsegundos (100-200 x 10-6 segundos).g. Fluxo de elétrons de Sn até Z (Figura 12)Sn + Z ==========> Z + Sn + 1 e-

em que, Sn representa alguns dos estados de oxidação do manganês (S0 , S1 , S2

ou S3 ), que transferem elétrons, produtos da oxidação da água até Z (Figuras 12,13).

Figura 12. Rota de evolução de oxigênio e o mecanismo de estado S para a evolução de oxigênio desenvolvido por Kok e colaboradores. O sistema de evolução de oxigênio pode existir em cinco estados: De S0 a S4. Sucessivos fótons capturados pelo fotossistema PSII vão de S0 para S1, S1 para S2, e, assim, até que o estado S4 seja alcançado. S4 é instável e reage com duas moléculas de água para produzir O2

 

Figura 13.  Um modelo estrutural para o complexo de evolução de oxigênio baseado em estudos espectroscópicos. Os quatro íons de Mn são ligados a aminoácidos na proteína D1, e a oxigênio, cloreto e cálcio (Modificado de Teiz e Zeiger, 1998).h. Uma segunda reação luminosa permite que QB fique duplamente reduzido (QB

2

)QA

- + QB - =========> QA + QB

-

g. Liberação de PQH2 QB

- + 2H ==========> QB H2 (ou PQH2)h. Evolução do oxigênioS4 + 2 H2O ===========> O2 + 4 H + S0

A plastoquinona duplamente reduzida (PQH2) passa a formar parte de um "pool" de plastoquinona móvel, que logo é oxidada por meio do complexo citocromo b6/f. Esse processo permite a transferência de prótons do estroma até o lúmen do tilacoide e a criação de gradiente eletroquímico de prótons através da membrana, processo essencial para a síntese de ATP. As reações fotoquímicas podem ser resumidas na seguinte equação geral:

2H2O + 2 NADP + 3 (ADP + Pi) + 8 a 12 fótons O2 + 2NADPH2 + 3 ATPd. Complexo ATP-sintase e síntese de ATP

O complexo ATPsintase é formado de duas partes, o FO e o F1 . O FO é composto de 3 tipos de subunidades em diferente número, as proteínas a(1), b(2) e c(9-12). Esses polipeptídeos se encontram inseridos na membrana tilacoidal, formando no seu interior um canal protónico, através do qual ocorre o fluxo de prótons do lúmen até o estroma (Figura 9). O F1 é composto de, pelo menos, 5 polipeptídeos extrínsecos ( , , , , ), formando uma estrutura esférica, que contém sítios catalíticos para a síntese de ATP. A energia do gradiente eletroquímico de prótons, criado durante o transporte de elétrons entre os fotossistemas, é utilizada para a síntese de ATP por meio do mecanismo quimiosmótico proposto por Peter Mitchell em 1960.ADP-3 + Pi-2 + H+ =========> ATP-4 + H2OSegundo esse mecanismo, que lhe valeu o Prêmio Nobel de Quimica a Mitchel, em 1976, a diferença de concentração de íons e a diferença de potencial elétrico através da membrana são as fontes de energia livre utilizada para sintetizar ATP. Mitchell propôs que a energia total disponível para a síntese de ATP, chamada de força próton motora ( p ), resulta da soma do potencial químico de prótons ( pH) e do potencial elétrico transmembrana ( ):

p = pH + A elucidação do mecanismo enzimático da síntese do ATP foi realizado por  Paul Boyer e John Walker, da Universidade de California (EUA) e do Laboratorio de Biologia Molecular, Cambridge (Reino Unido), respectivamente. Estes pesquisadores obtiveram o prêmio Nobel de Quimica em 1997 por esta descoberta. Boyer e colaboradores clarificaram a estrutura tridimensional da ATPsintase (Figura 14).

Figura 14. Estrutura tridimensional da ATPsintaseSegundo o mecanismo proposto por Boyer e Walker, quando os ions hidrogênio fluem atraves da membrana, pelo disco formado pelas subunidades c da parte Fo, o disco é obrigado a girar. Esse giro obriga a rotar à subunidade gamma da parte F1 que se encontra ligada a esse disco. As três subunidades beta e alfa da parte F1 não podem girar por encontrar-se ancoradas pela subunidade b. A subunidade gamma rota dentro do cilindro formado pelas 6 subunidades alfa e beta. Dado que a subunidade gamma é assimétrica, sua rotação provoca mudanças estruturais na subunidade beta. A subunidade beta muda de três formas O , L e  T. As mudanças estruturais na subunidade beta permite que o ADP e o ATP fiquem ligados com diferente força (Figura 15).

6. A fixação do carbono em plantas C 3

A fixação do CO2 ocorre usando o "poder redutor" do NADPH2 e o ATP produzidos na fase fotoquímica da fotossíntese. As reações enzimáticas envolvidas no processo de fixação e redução do carbono ao nível de carboidratos foram estudados por Melvin Calvin e colaboradores usando técnicas radioisotópicas (14C) e cromatografia bidimensional de papel. Pelo seu trabalho na elucidação do processo de fixação do carbono na fotossíntese, Calvin recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1961.Os trabalhos de Calvin foram realizados com algas verdes unicelulares Chlorella e Scenedesmus, em virtude de sua similaridade bioquímica com as plantas superiores e também pelo fato de poderem ser cultivadas sob condições uniformes e mortas rapidamente após ensaios de curta duração a que eram submetidas. Atualmente, o ciclo do carbono descoberto por Calvin é denominado Ciclo de Calvin ou Ciclo Fotossintético Redutivo do Carbono de Plantas C3 porque o primeiro composto estável formado é um composto de 3 carbonos (ácido fosfoglicérico). Após dos trabalhos de Calvin, outros pesquisadores (Hatch, Slack, Kortschak) determinaram que algumas espécies de gramíneas tropicais como cana de açúcar e milho, são capazes de fixar CO2 em compostos de 4 carbonos, como malato e aspartato, além do que é feito pelo ciclo C3 de Calvin. Essas plantas são denominadas atualmente "Plantas concentradoras de CO2" ou Plantas C4. Posteriormente, foi descoberto que algumas espécies de plantas de regiões áridas, como cactaceas por exemplo, abrem seus estómatos somente a noite e fixam CO2 pelo mecanismo C4 . Durante o dia, essas plantas fecham seus estómatos para evitar a excessiva perda de água, mas apresentam o ciclo C3. As plantas com essas características são denominadas de plantas CAM (plantas de metabolismo ácido crasuláceo). Nas plantas C3, a fixação do carbono ao nível de açúcar ou outros compostos pode ser considerado como ocorrendo em quatro fases distintas.

A fase de carboxilação, catalisada pela enzima Rubisco A fase de redução, onde se utiliza o NADPH2 e ATP A Fase de regeneração do aceptor de CO2

A fase de síntese de produtos.

I. Fase de CarboxilaçãoEsta é uma fase enzimática, que consiste de uma reação mediante a qual o CO2 é adicionado a um açúcar de 5 carbonos, a ribulose 1,5-bifosfato (RuBP) para formar duas moléculas de ácido fosfoglicérico (PGA) de três carbonos. Esta reação é catalisada pela enzima ribulose 1,5-bifosfato carboxilase/oxigenase (Rubisco)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 ReduçãoNesta 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 regeneraçãoO 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 produtosOs 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.7. FotorrespiraçãoA 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:2H2O2 =============> 2H2O + 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 + H2O =======> CO2 + 3PGA + 2ADP + 3PiO processo fotorrespiratório conserva em meia, 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, noentanto, 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.8. A fixação do carbono em plantas C 4Algumas espécies de plantas como o amaranto, e muitas gramíneas de regiões tropicais ( milho, sorgo, cana de açúcar), são capazes de fixar CO2 em compostos de 4 carbonos, como oxalacetato, malato e aspartato, além da redução operada pelo ciclo C3 de Calvin. As folhas dessas plantas apresentam uma estrutura especial denominada "Anatomia de Kranz", que se caracteriza por um feixe vascular bastante desenvolvido, rodeado por células denominadas células da bainha do feixe vascular que apresentam cloroplastos geralmente sem grana. Em volta dessas células localizam-se as células mesofilicas, com cloroplastos com grana, muito semelhantes aos cloroplastos das plantas C3 .Nas plantas C4, a fixação inicial de CO2 ocorre nas células mesofílicas. No citossol dessas células, o CO2 reage com o fosfoelnolpiruvato, via enzima fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPcarboxilase) para formar oxalacetato. Há elevada concentração de PEPcarboxilase nas células mesofílicas. Subseqüentemente, o oxalacetato pode ser reduzido a malato com utilização do NADPH2 ou pode ser aminado a aspartato. Essa característica diferencia se uma planta C4 é formadora de malato ou formadora de aspartato.Posteriormente, os ácidos de 4 carbonos, malato ou aspartato são transportados até as células da bainha do feixe vascular, onde são descarboxilados, liberando CO2 e produzindo piruvato. A seguir, o CO2 liberado é refixado via ciclo de Calvin (enzima Rubisco), processo que ocorre exclusivamente nas células da bainha do feixe vascular. O piruvato resultante da descarboxilação retorna às células mesofílicas onde é convertido em fosfoenolpiruvato, regenerando o aceptor inicial de CO2

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

Grupo C4 Enzima Descarboxilativa Exemplos

1. Formadora de malato NADP-enzima málicamilho, cana de açúcar, sorgo

2. Formadora de aspartato NAD-enzima málica mileto,Panicum miliaceum3. Formadora de aspartato PEP-carboxicinase Panicum maximumNos 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.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 pelo PEP carboxilase nas células mesofílicas.Acredita-se que as plantas C4 e CAM, foram derivadas das plantas C3, e surgiram no final do período Cretáceo, quando ocorreu um drástico declínio na concentração de CO2 atmosférico. Um aspecto importante da fotossíntese nas plantas C4 é a separação espacial das duas enzimas carboxilantes e a cooperação

metabólica entre as duas células especializadas. Devido ao mecanismo concentrador de CO2 , as plantas C4 exibem baixo ponto de compensação CO2

(baixa concentração de compensação), fotorrespiração não detectável, alta eficiência do uso da água e alta capacidade fotossíntética, quando comparadas com as plantas C3.9. A fixação do carbono em plantas CAMAs plantas CAM (do inglés, Crassulacean Acid Metabolism), são plantas especialmente adaptadas a regiões áridas, com altas temperaturas diurnas, baixas temperaturas noturnas, alta radiação e baixo teor de água no solo. Essas plantas geralmente, abrem seus estómatos durante a noite e os fecham durante o dia. Dessa forma minimizam a perda de água e apresentam por tanto, alta eficiência no uso da água. De entre as famílias de angiospermas com metabolismo CAM citam-se Agaváceas, Bromeliáceas, Cactáceas, Crassuláceas, e Orquideaceas.O mecanismo de fixação de CO2 nas plantas CAM é, em muitos aspectos similar ao mecanismo de fixação das plantas C4. As plantas CAM também apresentam duas vias de fixação de CO2, uma fixação inicial pela PEP carboxilase e após, uma refixação via Rubisco. No entanto, nas CAM, as duas vias de fixação de CO2

estão separadas temporalmente. Inicialmente, o CO2 é fixado à noite, via enzima PEP-carboxilase, utilizando PEP como aceptor e formando oxalacetato que em seguida, é reduzido a malato. O malato se acumula no vacuolo. O acúmulo de malato durante a noite, equivalente ao CO2 fixado, provoca a acidificação noturna da folha. No dia seguinte, com os estómatos fechados, o malato sai do vacuolo e se descarboxila, por ação da NAPD-enzima málica, em piruvato e CO2 . O CO2

liberado internamente não escapa da folha e é refixado via Rubisco (ciclo de Calvin). A elevada concentração interna de CO2 que se gera favorece a atividade carboxilativa da Rubisco e reprime a oxigenação fotorrespiratória da RuBP.No Quadro 2 estão resumidas as características diferenciais entre os três principais grupos de plantas, de acordo a seu mecanismo de fixação de carbono.Quadro 2. Algumas características fotossintéticas dos principais grupos de plantas 

Características

PLANTAS C3 PLANTAS C4 PLANTAS CAM

Anatomia foliar Células do parênquima paliçádico e lacunoso com cloroplastos com grana

Anatomia de "Kranz", com células mesofílicas com cloroplastos com grana e células da bainha do feixe vascular, com cloroplastos sem grana

Usualmente sem células paliçadicas, vacuolos grandes nas células do mesófilo

Enzimas carboxilativas

RUBISCO em todas as células fotossintéticas

Separação espacial:

Separação temporal:

PEP-carboxilase nas células mesofílicas;

RUBISCO nas células da bainha vascular

PEP-carboxilase na noite (escuro);

RUBISCO no dia (luz)

Requerimento energético               CO2 : ATP : NADPH

1 :3 : 2 1 :5 :2 1 :6,5 :2

Razão de transpiração               (g H20/g MS.)

 

450 - 950

 

250 - 350

50 - 55

Razão clorofila a/b 2,8 3,9 2,5 a 3,0

Requerimento de Na+

como micronutrienteNão Sim Desconhecido

Ponto de compensação de CO2

( L /L)

30 - 70 0 -10 0 -5 (no escuro)

Inibição da fotossíntese na presença de O2 (21%)

Sim Não Sim

Detecção de fotorrespiração

Sim Não detectável Difícil detectar

Temperatura ótima para fotossíntese

15 - 25 ºC 30 - 40 ºC 35 ºC

Produção de matéria seca (toneladas/ha/ano)

22 0,3 39 1,7 baixa e variável

Redistribuição de fotoassimilados

lenta rápida variável

 10. Fatores que afetam a fotossínteseOs principais fatores ambientes que afetam a fotossíntese são, luz, CO2 e temperatura. A disponibilidade de água e de nutrientes também são fatores importantes, com efeitos aparentemente mais indiretos sobre o processo.LuzProcessos fotobiológicos como a fotossíntese dependem do número de fótons absorvidos mais do que da energia total absorvida. A densidade do fluxo fotónico

(DFF) expressa a quantidade de fótons (mol ou mol de fótons) por unidade de área, por unidade de tempo. Num dia a pleno sol, a DFF na faixa de radiação fotossintéticamente ativa (400 a 700 nm) pode chegar aproximadamente a 2000 ou 2500 mol m-2 s-1 .Aproximadamente, só 5% da energia solar que chega até a superfície terrestre é convertida em carboidratos mediante o processo fotossintético. Assim, do total de energia solar que chega até uma folha, 60% é radiação de comprimento de onda não absorvido; 8% da radiação é refletida ou transmitida; 8% é radiação dissipada como calor e 19% é utilizada no metabolismo geral da folha.A fotossíntese líquida das plantas responde de forma hiperbólica (curva) à densidade de fluxo fotónico. Algumas plantas C3 podem saturar-se com baixos níveis de radiação (aproximadamente 500 mol m-2 s-1 ). As plantas C4 são mais eficientes no uso da radiação e não se saturam com altos níveis de DFF. Quando comparadas as taxas fotossintéticas de plantas C3 e C4 sobre o mesmo nível de radiação, observa-se que a taxa de fotossíntese da C4 é maior do que da C3 De acordo com seu requerimento de luz, as plantas podem ser classificadas como plantas de sol e plantas de sombra. As plantas de sol são mais eficientes no uso da luz, o seja, respondem melhor aos incrementos da radiação. No entanto, as plantas de sombra, apesar de saturar-se com baixos níveis de radiação, são mais efetivas no uso da radiação porque começam a fotossintetizar com pouca luz. Em geral, quando o nível de radiação decresce, a taxa de fotossíntese líquida das plantas também decresce, até chegar a valores negativos. O nível de radiação no qual a taxa fotossintética líquida (FN) se iguala a zero é denominado Ponto de compensação de luz ou Irradiância de Compensação FN = FB - (RM + FR)em que: FN = fotossíntese líquidaFB = fotossíntese brutaRM = Respiração mitocondrialFR = FotorespiraçãoNa irradiância de compensação, o intercâmbio líquido de CO2 é igual a zero. Abaixo da irradiância de compensação, ocorre perda líquida de CO2 . Nas plantas de sol, a irradiância de compensação está na faixa de 10 a 20 mol m-2 s-1 . Nas plantas de sombra, a irradiância de compensação está na faixa de 1 a 5 mol m-2

s-1 . Os baixos valores de irradiância de compensação das plantas de sombra pode dever-se à sua baixa taxa respiratória que permite um ganho líquido de carbono, em ambientes limitados por luz.CO2

Na medida em que o CO2 do ambiente se incrementa, a taxa fotossintética das plantas do tipo C3 também aumenta significativamente. No entanto, o incremento da fotossíntese nas plantas C4 é menor . A concentração de CO2 na qual a fotossíntese líquida se iguala a zero se denomina ponto de compensação de CO2 Nas plantas C3, o ponto de compensação é alcançado entre 30 a 70 L L-1 de CO2 , entanto que nas plantas C4 o ponto de compensação de CO2 é menor, 0 a 10 L L-1 de CO2. Entre 1850 e 1950, com a revolução industrial e o crescimento populacional, houve um incremento na concentração de CO2 atmosférico de 280 para 315 L L-1

, o que representa uma taxa aproximada de 0,35 L L-1 ano-1. Nos últimos 45

anos, o incremento de CO2 foi de 315 para mais de 350 L L-1 a uma taxa aproximada de 0,83 L L-1 ano-1. Na atualidade, estima-se que a quantidade de CO2 na atmosfera continua aumentando a uma taxa aproximada de 2 L L-1 ano-1. As previsões para temperatura e chuvas são incertas; no entanto será inevitável que a concentração de CO2 duplicará no próximo século. Esse inevitável incremento nos níveis de CO2 afetará diretamente as plantas nos sistemas naturais, agrícolas e florestais.A fotossíntese é fundamental para a produtividade das plantas. O incremento de CO2 na atmosfera pode estimular a fotossíntese e incrementar o crescimento da biomassa. Assim, a fotossíntese atua como um retroalimentador negativo sobre o aumento na emissão de CO2 .A produtividade líquida ou ganho líquido de biomassa (PN) de uma planta é determinada pela quantidade de luz incidente (Q), a proporção de luz que é interceptada pelos órgãos verdes da planta ( ), a eficiência da conversão fotossintética de luz interceptada em biomassa ( ), e as perdas respiratórias da biomassa (R). A relação entre produtividade e esses fatores é descrita pela seguinte equação:PN = Q - RA quantidade de luz incidente (Q) é um fator que não se pode controlar. No entanto, os outros três fatores podem ser modificados para incrementar-se a produtividade das plantas. A eficiência da intercepção da luz ( ) é uma função do tamanho, estrutura e cor do dossel das plantas. Na maioria das culturas um incremento em produtividade é atribuído a um incremento na intercepção de luz. A adubação inorgânica melhora os rendimentos mediante seus efeitos no crescimento e duração de vida das folhas, resultando em um incremento em durante a fase de crescimento. Os fatores de estresse ambiental produzem um efeito contrário em . A eficiência de conversão de energia ( ) pode ser determinada pelo processo fotossintético e expressa a relação entre fotossíntese e produtividade. O meio ambiente afeta , especialmente pela radiação e pelo incremento na concentração de CO2 .Existem fortes evidências que demostram que a fotoprodutividade das florestas está intimamente ligada à disponibilidade de água. Além dos efeitos diretos do CO2 sobre a fotossíntese, também tem-se mostrado que o elevado nível de CO2

atmosférico faz incrementar a eficiência do uso da água pelas plantas. Pesquisas realizadas para determinar os efeitos do incremento de CO2 sobre as plantas levaram a estimar-se que:

A produtividade de plantas do tipo C3 poderia aumentar em 30% ou mais, enquanto a produtividade das C4 poderia ser incrementada em até 10%.

A condutância estomática poderia decrescer em 40%, e o uso da água em plantas C3 diminuiria em pelo menos 10%.

A eficiência do uso da água nas plantas C3 se incrementaria mais em razão do incremento da taxa de intercâmbio de carbono (fotossíntese) do que do decréscimo da taxa transpiratória.

O efeito interativo das altas temperaturas com CO2 a altas concentrações levaria a um aumento da fotossíntese e do crescimento vegetativo, mas não necessariamente do crescimento reprodutivo.