Professor Dr. Jos Emilson Macdo Ferreira

Toda a vida na Terra direta ou indiretamente dependente da fotossntese dos organismos clorofilianos, exceto as bactrias quimioautotrficas.

Os organismos no-fotossintticos (heterotrficos), como os animais, fungos e bactrias so dependentes de molculas orgnicas pr-formadas obtidas da alimentao ou absoro para o suprimento de suas necessidades de energia e de matrias-primas.

A atividade fotossinttica das plantas, das algas e de algumas bactrias promove a converso e o armazenamento da energia solar em molculas orgnicas ricas em energia a partir de molculas inorgnicas simples como o CO2 e a H2O.

REAO GLOBAL DA FOTOSSNTESE

CO2 + H2O (CH2O)n + O2

Nos cloroplastos, presentes em todas as clulas fotossintetizantes eucariticas, a energia solar absorvida pelos pigmentos fotossintticos (clorofilas e carotenides) utilizado para converter CO2 e gua em carboidratos e outras molculas orgnicas.

O oxignio liberado na atmosfera ou utilizada pelas clulas (mitocndrias) que degradam os carboidratos, transferindo a energia para as molculas de ATP.O processo de respirao celular consome oxignio e produz CO2 e H2O, completando o ciclo.

A simplicidade da equao global da fotossntese (4) no reflete a grande complexidade do processo fotossinttico que envolve numerosas reaes bioqumicas de reduo e oxidao reaes redox.

A reduo a transferncia de um eltron (e-) ou de um eltron junto com um prton (H+) de uma molcula doadora (D) para uma molcula receptora (R).

A molcula doadora foi oxidada e a molcula receptora foi reduzida:

D + R D+ + R-

As reaes de oxidao e reduo so de fundamental importncia para que se possa compreender os mecanismos fotossintticos.

A reao primria da fotossntese uma reao de transferncia de eltrons da clorofila localizada no CENTRO DE REAO (CR), tornando-se assim oxidada e a molcula aceptora de eltrons, reduzida. importante destacar que as molculas de clorofilas dos CR oxidadas pela luz so imediatamente reduzidas, tendo a sua neutralidade restaurada e permitindo que o processo se repita de modo cclico.

Para as algas, cianobactrias e plantas, a molcula doadora de eltrons para a clorofila do CR a gua, atravs do processo de fotoxidao.

2. FOTOSSNTESE: um processo em duas etapas

As reaes responsveis pela transformao

da energia qumica integram a etapa fotoqumica da fotossntese, tambm conhecida como reaes dependentes de luz. Nesta etapa, a energia luminosa absorvida pelos pigmentos

fotossintticos convertida em ATP e NADPH

(poder redutor).

A etapa seguinte constituda pelas reaes enzimticas de fixao do

CO2 e sntese de carboidratos (etapa bioqumica). Esta diviso da

fotossntese em duas etapas (fotoqumica e bioqumica) puramente

didtica, uma vez que em condies naturais no h a assimilao de CO2

sem a presena de luz. Alm da necessidade de ATP e NADPH para a

realizao das reaes enzimticas, a luz fundamental para a ativao

de enzimas centrais do ciclo de reduo do CO2.

Os diferentes carboidratos gerados na

fotossntese, juntamente com os NO3-, NH4+ e

outros sais inorgnicos absorvidos do solo, so

matrias-primas para a biossntese de uma

gama enorme de molculas orgnicas

essenciais (aminocidos, lipdios, pigmentos celulose, protenas, cidos nucleicos, hormnios, dentre outros), que iro compor a estrutura e o metabolismo, resultando no

crescimento e no desenvolvimento dos

organismos fotossintetizantes.

A fotossntese se processa desde a rea de interceptao da luz solar

pelas folhas com o acmulo de biomassa, a processos que ocorrem em

bilionsimos de segundos como o fluxo fotossinttico de eltrons nos

cloroplastos.

3. ESTRUTURA DA MQUINA FOTOSSINTTICA

3.1. As folhas

Uma folha tpica de uma dicotilednea recoberta com uma epiderme superior e outra inferior, impermeabilizadas em suas faces externas pela cutcula. Os tecidos fotossintticos localizam-se entre as duas camadas epidrmicas, podendo organizar-se em camadas colunares, denominadas de parnquima palidico, e camadas de clulas com formatos irregulares que se dispem deixando enormes espaos areos entre si, denominados de parnquima lacunoso. O parnquima palidico apresenta clulas com maior nmero de cloroplastos do que as clulas do parnquima lacunoso.

A mxima aquisio de CO2 e a mnima perda de gua pelos tecidos foliares ocorre em minusculas estruturas porosas chamadas de estmatos.

A elevada rea superficial por unidade de volume, inerente sua fina estrutura laminar contribui para otimizar a interceptao da luz e para o aumento da absoro de CO2.

3.2. Os cloroplastos

So organelas que se autoduplicam, contendo genoma prprio que codifica parte de suas protenas especficas.

Nas plantas superiores, os cloroplastos se diferenciam a partir de pequenos proplastdeos e s ocorre na presena de luz. Os genes que controlam o desenvolvimento e o funcionamento dos cloroplastos localizam-se no s no interior do cloroplasto, mas tambm no ncleo.

O limite externo dos cloroplastos constituindo por uma dupla camada de membranas, e por uma matriz fluda, que preenche os espaos internos dos cloroplastos, denominado de estroma.

A membrana externa, em contato com o citoplasma, permite a passagem livre de muitos substratos, enquanto a membrana interna, em contato com e estroma extremamente seletiva, permitindo o transporte de alguns solutos atravs de um sistema especial de protenas denominadas transportadoras.

O sistema interno de membranas dividido em duas reas: a de membranas duplas com formato de vesculas achatadas e empilhadas, que so denominadas tilacoides dos grana, e uma outra constituda de membranas duplas simples que fazem mltiplas conexes entre os grana, chamadas de tilacoides do estroma.

4. A CONVERSO DA LUZ EM ENERGIA QUMICA

O sol emite continuamente para o espao radiao eletromagntica. A luz corresponde a uma pequena faixa de energia do espectro eletromagntico.

Quando se propaga no espao, a energia radiante tem caractersticas ondulatrias. Cada tipo de radiao pode ser caracterizada pelo comprimento de onda () distncia entre dois picos sucessivos de uma mesma onda ou frequncia ().

= c/Onde: c a velocidade da luz no vcuo ( 3x108 m/s).

Os comprimentos de onda de maior importncia para os processos fotobiolgicos situam-se em trs bandas distintas e intermedirias denominadas de: ultravioleta (UV), visvel (luz) e infravermelho.

O fsico ingls Isaac Newton (1642-1727) demonstrou que a luz pode se decompor num espectro de cores, semelhante ao arco-ris, ao atravessar um prisma.

A poro visvel do espectro varia do violeta (380nm) ao vermelho extremo (740nm). Alm destes limites, a radiao invisvel para os seres humanos, podendo afetar vrios processos fisiolgicos das plantas, principalmente como sinais ambientais.

5. A LUZ COMO CORRENTE DE PARTCULAS

Ao interagir com a matria (por emisso ou por absoro) a luz se comporta como se sua energia fosse constituda por pacotes discretos de energia chamados de FTONS. A energia quntica contida em um fton est relacionada com o comprimento e a frequncia da luz e inversamente proporcional ao seu comprimento de onda e diretamente proporcional sua frequncia. Comprimentos de onda muito curtos, como UV-C e UV-B, so extremamente prejudiciais aos seres vivos, pois a energia dos seus ftons atingem as molculas orgnicas das clulas, arrancam eltrons de sua estrutura, ionizando-as e comprometendo de modo irreversvel a sua estrutura e funes. Por outro lado, os ftons de comprimentos de onda mais longos, como infravermelhos, tm to baixa energia que s produzem calor.

6. LUZ E PIGMENTOS: ABSORO E DESTINO DA ENERGIA DE EXCITAO ELETRNICA

A ao fotoqumica e fotobiolgica da luz obedece a dois princpios fundamentais.

1.Princpio de Gotthaus-Draper:

A luz s tem atividade fotoqumica se for absorvidaA luz s tem atividade fotoqumica se for absorvida

Assim, todo processo fotobiolgico envolve, necessariamente, molculas especiais denominadas de fotorreceptores ou pigmentos, responsveis pela absoro de determinados comprimentos de onda da luz, servindo de ponte entre a energia do fton e a energia qumica.

2.Princpio ou lei da equivalncia fotoqumica de Einstein-Stark.

Um ftonUm fton pode excitar apenas pode excitar apenas um eltronum eltron

A interao fton-eltron depende da energia do fton incidente e do nvel de energia do orbital ocupado pelo eltron, sendo um evento do tipo tudo-ou-nada. Se o nvel de energia do fton de determinado comprimento de onda compatvel com o do eltron, ocorre a excitao e uma possvel reao fotoqumica; caso contrrio, o comprimento de onde no absorvido e no exercer uma ao biolgica atravs daquele pigmento.

Uma caracterstica das molculas de pigmentos a existncia de uma cadeia carbnica com ligaes conjugadas (ligaes simples e duplas alternadas). Esta cadeia polinica favorecem o deslocamento dos eltrons nos orbitais mais externos, em ressonncia, denominados eltrons , que absorvem ftons de diferentes contedos de energia (vrios comprimentos de onda).

Para as clorofilas, os ftons de luz absorvidos mais eficientes so os de comprimento de onda nas bandas do azul e do vermelho, no absorvendo quase nada na banda do verde.

Os carotenides so pigmentos fotossintticos que apresentam uma cadeia polinica de 40 carbonos e refletem os comprimentos de onda nas bandas do amarelo, laranja e vermelho.

7. O QUE ACONTECE QUANDO OS PIGMENTOS ABSORVEM LUZ?

Imaginemos que molculas de clorofila mantidas no escuro sejam iluminadas com feixes de luz monocromtica de comprimento de onda na faixa do azul e do vermelho. Estes ftons de luz impulsionam os eltrons para orbitais com nveis de energia mais elevados no interior da molcula de clorofila (*). Diz-se que os eltrons da clorofila foram excitados pelos quanta da luz azul ou vermelha. A absoro de ftons de luz vermelha remete os eltrons do estado basal (S0) para o estado excitado S1, chamado primeiro singleto. J os ftons de luz azul, dotados de maior energia quntica, impulsionam os eltrons para um orbital eletrnico cujo nvel de energia ainda mais elevado, denominamo de segundo singleto (S2). Logo, a absoro de luz um processo ultra-rpido (em fentosegundos 10-15s) de excitao eletrnica ocasionado pelos ftons de luz.

A energia de excitao eletrnica pode ser dissipada na forma de calor (S2S1). J a dissipao de energia entre os orbitais eletrnicos S1S0 pode se dar seguinte formas:

1. Dissipao de energia por emisso de luz ou fluorescncia. 2. Transferncia da energia de excitao para outras molculas de carotenides e clorofilas, permitindo uma rpida migrao da energia entre os pigmentos densamente empacotados nas membranas dos tilacides (complexo de captao de luz ou complexos antenas).3. Dissipao da energia em reaes em que o eltron excitado doado a uma molcula receptora, desencadeando reaes de oxirreduo.

A energia de excitao eletrnica pode ser dissipada de 4 formas: calor, emisso de luz (fluorescncia), transferncia de energia de excitao eltron-eltron (ressonncia indutiva) nos complexos de antenas e reaes redox nas membranas dos tilacides, gerando ATP e molculas redutoras como o NADPH e ferredoxina reduzida.

Apesar da cor azul ter uma energia quntica maior do que a luz na banda do vermelho, os efeitos de ambos os comprimentos de onda sobre a fotossntese so equivalentes, pois parte da energia da luz azul dissipada na forma de calor (S2S1). A energia de excitao eletrnica canalizada para a fotossntese e partir do estado excitado correspondente ao primeiro singleto (S1).

8. OS PIGMENTOS FOTOSSINTTICOS

As clorofilas e os carotenides encontram-se densa e rigorosamente organizados nas membranas dos tilacides e esto estruturados de modo a otimizar a absoro de luz e a transferncia da energia de excitao eletrnica para os centros de reao da fotossntese (CR).

As molculas de clorofilas so constitudas por um anel de porfirina ao qual se liga um hidrocarboneto de 20 carbonos chamado de fitol. Os carotenides so o segundo grupo de pigmentos mais abundantes no planeta. Na fotossntese,estes participam da absoro de luz, atuando como pigmentos acessrios e desempenham um papel essencial na fotoproteo do aparato fotoqumico.

9. O FLUXO FOSSINTTICO DE ELTRONSO mecanismo de armazenamento de energia luminosa

comea com a molcula de clorofila a, num ambiente proteico especfico de um Centro de Reao (CR), onde os eltrons so excitados a um estado singlete, principalmente por transferncia de energia de excitao eletrnica dos complexos antena ou por ftons com comprimentos de onda especficos.

No estado singlete de excitao, a clorofila CR um redutor muito forte e transfere o eltron para uma molcula receptora e tem incio um fluxo de eltrons, envolvendo diversos carregadores. No final, estes eltrons participam da reduo do NADP+ a NADPH.

O estado oxidado da clorofila a do CR promove a fotoxidao da gua e a liberao de O2. Acoplado ao fluxo de eltrons dos cloroplastos, o ATP formado atravs do processo conhecido como fotofosforilao.

O processo de armazenamento fotossinttico de energia se d com a participao de quatro complexos proteicos diferentes, que atuam de modo integrado e se encontram embebidos nas membranas dos tilacides. Os complexos supramoleculares que participam da fotossntese so o fotossistema I (FSI) e fotossistema II (FSII), o complexo citocromo b6f (Cit bf) e o complexo ATP sintase.

A interligao entre os complexos fotossintticos envolvidos no fluxo de eltrons medida por carregadores mveis que circulam no interior da matriz lipdica como a plastoquinona (Pq); no interior dos tilacides, como a plastocianina (Pc); ou no estroma, como a ferredoxina (Fd). O fluxo fotossinttico de eltrons entre os fotossistemas gera um gradiente de prtons (H+) atravs das membranas dos tilacides. Esses gradientes de H+ impulsiona a sntese de ATP com o armazenamento de energia durante a fluxo fotossinttico de eltrons.

Considerando o fluxo fotossinttico de eltrons de um modo geral e simplificado, pode-se dizer que a luz faz com que os eltrons fluam da gua at o NADPH, gerando simultaneamente uma fora prton-motriz que promove a sntese de ATP.

Os fotossistemas I e II (FS I e FS II) so grandes complexos supramoleculares constitudos por mltiplas subunidades de protenas/pigmentos. Cada um dos fotossistemas tem um centro de reao (CR) com configurao dupla e simtrica e se liga a um complexo de captao de luz (complexo antena). O CR do FS II denominado P680, pois a clorofila especial apresenta absoro mxima em 680nm. O FS I chamado de P700 por apresentar a clorofila especial com absoro mxima a 700nm.

Os fotossistemas operam de modo simultneo e em srie durante o processo fotossinttico. A conexo entre os dois fotossistemas feita pelo citocromo bf e por dois carregadores mveis: a plastoquinona (FS II PQ Cit b6f) e uma protena que contm cobre, denominada plastocianina ( Cit b6f PC FS I).

Quando o fluxo fotossinttico de eltrons representado em funo do potencial redox de cada uma das molculas que integra, surge um diagrama que denominada esquema Z.

O FS II constitudo por um complexo transmembrana formado por cerca de 22 protenas. O ncleo do FS II formado pelas subunidades proteicas D1 e D2, que atravessam as membranas dos tilacoides e contm nos centros de reaes P680. A molcula receptora primria de eltrons (Feofitina) e stios de ligao para a ancoragem de molculas carregadoras de eltrons mveis denominadas plastoquinonas (PQ). O FS II interage diretamente com o complexo proteico que catalisa a fotoxidao da gua, o complexo de evoluo de O2.

O FS II promove a transferncia de eltrons, induzida pela luz, da molcula da gua para a plastoquinona (PQ). Havendo excitao eletrnica, os eltrons do centro de reao so ejetados a partir de dmeros de clorofila a (P680*) e recebidos pela feofitina (Feo molcula receptora primria), que imediatamente, os transfere para a plastoquinona. A plastoquinona varia intercaladamente de uma forma oxidada (PQ) a uma forma reduzida (PQH2,plastoquinol).

Os plastoquinois so liberados dentro da membrana e transferem eltrons ao complexo citocromo b6f (Citocromo redutase, citocromo C e citocromo oxidase), enquanto os prtons (H+) so lanados para o interior do lmen dos tilacides, formando um gradiente transmembrana entre o lmen e o estroma dos cloroplastos. A plastoquinona volta a ocupar os stios originais, dando continuidade ao fluxo local de eltrons entre a feofitina reduzida e o complexo citocromo oxidado pelo CR do FS I.

A sntese de ATP nos cloroplastos, promovida pela luz, chamada de fotofosforilao. O mecanismo bsico da sntese de ATP se d impulsionado pela fora prton-motriz gerada durante o fluxo fotossinttico de eltrons.

As membranas celulares so muito pouco permeveis aos ons H+. Os prtons, entretanto, podem fluir de um modo controlado por intermdio do complexo enzimtico ATP sintetase, que atravessa a matriz lipdica das membranas. O fluxo de H+ pelo complexo ATP sintetase e a favor do gradiente de H+, responsvel pela sntese de ATP.

ATP sintetase ADP + Pi ATP

O ATP sintetizado alm de sustentar a fixao de CO2, utilizado em inmeras vias metablicas como na assimilao de NO3

- e NH4+ e na biossntese de aminocidos que se d no

interior dos cloroplstos, utilizando o poder redutor e o ATP gerados durante a etapa fotoqumica.

10. A FOTOXIDAO DA GUA

O processo de fotoxidao da gua catalisado e intermediado pelo Complexo de Evoluo de Oxignio (CEO), que se localiza no lado das membranas dos tilacides voltado para o lmen. Apenas um centro de reao do FS II e o CEO esto envolvidos na liberao de uma molcula de oxignio (O2).

A fotoxidao envolve duas molculas de gua com a liberao de quatro prtons e quatro eltrons.

Para cada oxignio liberado, o CR P680 precisa ser excitado quatro vezes, com a absoro da energia de quatro ftons. Cada CEO abriga um grupo de quatro ons mangans que atuam como acumuladores de cargas positivas. Cada fton absorvido remove um eltron do CR P680, o qual imediatamente reposto por um eltron extrado do aglomerado de ons mangans do CEO. A perda sucessiva de quatro eltrons faz com que o centro mangnico saia do estado S0 para S4+, que o componente oxidante que reage com a gua, restaurando, assim, o estado de oxidao do centro mangnico para o condio S0.

2H2O + S0 S0 + 4 H+ + O2

Uma vez que os fotossistemas I e II operam de modo simultneo e em srie, so necessrios 8 ftons para cada O2 liberado durante o processo fotossinttico. Os prtons gerados na fotoxidao da gua acumulam-se no interior do lmen dos tilacoides e contribui para o aumento do gradiente de prtons entre o estroma (pH = 8) e o lmen (pH = 5).

Foram identificadas 13 protenas no complexo transmembrana do FS I. O centro de reao P700 apresenta receptores terminais de eltrons contendo centros de ferro-enxofre. O corao do FS I um dmero de protenas semelhantes denominadas psaA e psaB. O centro de reao P700 doa eltrons para uma molcula receptora Ao, formando o par P700*/ Ao-. A molcula reduzida Ao- o mais poderoso agente redutor j encontrado em sistemas biolgicos e quase instantaneamente o P700* captura um eltron da plastocianina retornando a P700, podendo participar de um novo ciclo de excitao.

Os eltrons de Ao- transferido para A1, uma quinona (vitamina K1) e da para ferredoxina (FeS), um aglomerado de ferro e enxofre. Essa reao ocorre no lado da membrana do tilacoide voltada para o estroma. A ferredoxina uma molcula redutora estvel que pode participar de inmeras reaes no interior do estroma dos cloroplastos como: na reduo do NO3- e de SO4-, assimilao de NH4+, dentre outras), mas o principal destino dos seus eltrons a reduo do NADP+ a NADPH catalizada pela enzima ferredixona-NADP+ oxidorredutase (FNR). O NADPH formado utilizado em larga escala na reduo do CO2 durante a etapa bioqumica da fotossntese.

11. FOTOFOSFORILAO NO-CCLICA, CCLICA E PSEUDOCCLICA

Quando a sntese de ATP se encontra acoplada ao fluxo de eltrons no cclico atravs dos dois fotossistemas (da gua at o NADPH), a fotofosforilao denominada no-cclica ou acclica. Estes dois fotossistemas no so fisicamente ligados no interior das membranas, mas separados em diferentes regies dos tilacoides e interligados pelos carregadores de eltrons mveis.

Uma consequncia importante da distribuio heterognea dos fotossistemas nas membranas que o FSI pode transportar eltrons de um modo independente do FSII, num processo conhecido como transporte cclico de eltrons. A sntese de ATP acoplada a este fluxo cclico de eltrons se chama fotofosforilao cclica.

A fotofosforilao cclica e a acclica coexistem e atuam de modo cooperativo no sentido de manter o equilbrio do sistema fotoqumico. Quando h excesso de energia radiante, o fluxo cclico de eltrons intensificado e contribui para a dissipao do excesso de energia de excitao eletrnica do sistema fotoqumico em ambientes intensamente iluminados.

.Fosforilao cclica

Eltrons do FSI, atravs da ferredoxina (Fd), retornam para a plastoquinona (QB) e vo para o citocromo b6, protena integrante do complexo citocromo b6f. Do citocromo b6 os eltrons vo para a plastocianina (Pc) e voltam para o FSI. Este fluxo de eltrons produz um gradiente eletroqumico de H+ que utilizado para a sntese de ATP via ATP sintetase.

Em condies de laboratrio, iluminando-se com feixes de luz de comprimento de onda superior a 680nm, obtm-se o funcionamento apenas do FSI, atravs do fluxo cclico de eltrons. Nessas condies, ocorre to somente a fotofosforilao cclica, sem que haja a fotoxidao da gua e a liberao de O2, pois os ftons acima de 680nm no so capazes de excitarem nem as antenas, nem os CR do FSII.

O fluxo cclico de eltrons tambm pode ser intensificado quando h falta de CO2 no mesfilo foliar e muita radiao solar, situao comumente vivida pelas plantas nos dias quentes e ensolarados. Nessas condies ambientais, normalmente as plantas experimentam um estresse hdrico e perdem mais gua do que podem absorver.

Para manter o necessrio equilbrio hdrico, as plantas tendem a diminuir progressivamente a perda de gua atravs da diminuio do grau de abertura dos estmatos. Isso afeta substancialmente a entrada de CO2 no interior das folhas. Como grande parte do NADPH gerado consumido na fixao do CO2, comea a haver um acmulo de NADPH e de ferredoxina reduzida no estroma e a falta do receptor final de eltrons, que o NADP+. Nessas circunstncias, o fluxo cclico de eltrons promove a sntese de ATP e a dissipao de uma parte da energia de excitao eletrnica do sistema fotoqumico.

Nestas condies de alta incidncia de luz (ftons) e baixa disponibilidade de CO2, parte dos eltrons da ferredoxina pode ser doada para o oxignio molecular, que atuar como receptor terminal de eltrons, levando a formao de radicais livres superxidos (O20-). Esta sntese de ATP que resulta do fluxo de eltrons da gua para o O2 chamada de fotofosforilao pseudocclica e envolve os dois fotossistemas FSI e FSII.

A fosforilao pseudocclica importante porque, alm do radical livre superxido (O20-), h a formao de perxido de hidrognio (H2O2), numa reao denominada Reao de Mehler.

Fdreduzida + O2 Fdoxidada + O20-

Fdreduzida + O2- Fdoxidada + H2O2

Perxido de hidrognio e O2- reagem formando outro radical livre muito reativo, o on

hidroxil (0HO). A destruio do radical livre superxido realizada pela enzima superxido dismutase (SOD). J a eliminao do perxido de hidrognio efetuada pela enzima catalase.

catalase2H2O2 2H2O + O2

Estas duas enzimas, SOD e catalase, juntamente com os carotenides, so extremamente importantes como defesa orgnica contra os radicais livres altamente reativos derivados do oxignio.

O acmulo dos radicais livre derivados do oxignio destroem as membranas e as prprias molculas de clorofilas, levando a morte do vegetal

Diversos estudos tm demonstrados que plantas e algas mutantes deficientes da enzima superxido dismutase (SOD) e/ou a catalase e/ou dos carotenides (lutena, zeaxantina, beta-caroteno e licopeno) so destrudos quando expostos radiao solar. Isso confirma a importncia dessas molculas para a defesa das plantas contra a fotoxidao.

12. TRANSPORTE DE ELTRONS E HERBICIDAS

O transporte fotossinttico de eltrons pode ser artificialmente bloqueado por compostos que removem eltrons de diferentes pontos do sistema ou por compostos que so anlogos no-funcionais de molculas construtivas da cadeia transportadora de eltrons.

Muitos herbicidas de amplo espectro, comercialmente disponveis, atuam de modo letal sobre as plantas por interferirem no fluxo fotossinttico de eltrons.

Duas categorias qumicas de herbicidas bloqueiam a passagem de eltrons do stio QB do FS II para a plastoquinona, interrompendo o fluxo fotossinttico de eltrons:

1. Derivados da uria, como o monouron, o diuron;

2. Derivados da triazina.

12.1 APLICAO DE HERBICIDAS

Plantas resistentes ao herbicida 2,4 D

Outra categoria de herbicidas so os corantes violognio bipiridilium diquar e paraquat, que atuam interceptando eltrons do lado redutor do FSI e transferem eltrons diretamente para o oxignio, catalisando a formao de radicais superxidos e outras espcies reativas de oxignio que destroem membranas, clorofilas e protenas. Uma vez absorvidos, os herbicidas bipiridilium matam rapidamente as plantas em presena de luz.

12.2 MECANISMOS DE AO DOS HERBICIDAS, SEUS EFEITOS FISIOLGICOS E SINTOMAS PRODUZIDOS

Mecanismos de ao Efeitos Sintomas de injriasInibidores da sntese de

aminocidosBloqueio na sntese de

aminocidos essenciais para a produo de novas clulas

Crescimento atrofiado; descolorao das folhas.

Desreguladores da membrana celular

Rupturas das membranas celulares das plantas

Morte do tecido vegetal

Reguladores de crescimento Imita os hormnios de crescimento naturais responsveis pelo alongamento natural, sntese

proteica e diviso celular.

Anormalidade do crescimento: toro do caule; m formao das folhas; crescimento atrofiado das

razes.Inibidores da sntese de lipdios Bloqueio na sntese de lipdios

essenciais para a produo de novas clulas

Decadncia; descolorao das folhas.

Inibidores fotossintticos Bloqueio da fotossntese Amarelecimento das folhas e morte do tecido vegetal

Inibidores de pigmentos Inibem a sntese de pigmentos fotossintticos

Folhas brancas ou translcidas

Inibidores da respirao Interfere na produo de ATP Desfolha ou folhas dessecadas e marrons

13. OS COMPLEXOS SUPRAMOLECULARES NAS MEMBRANAS DOS TILACOIDES: ESTRUTURAS E REGULAO

As membranas do tilacides podem ser divididas em trs domnios:1. As lamelas do estroma;2. As margens dos grana; 3. A parte interna dos grana.

Estes domnios apresentam composies qumicas e funes diferenciadas. O transporte linear de eltrons (no-cclico) ocorre no interior dos grana, enquanto o transporte cclico encontra-se restrito s lamelas do estroma.

As regies no-empilhadas e empilhadas das membranas dos tilacides diferem quanto composio dos complexos supramoleculares integrantes do processo fotoqumico. O complexo FSI, o CCLI e a ATP sintetaselocalizam-se quase exclusivamente nas regies no-empilhadas, em contato com o estroma, enquanto que o FSII e o CCLII esto presentes nas regies empilhadas.

O complexo citocromo bf tem distribuio uniforme atravs das membranas dos tilacides. Durante o fluxo fotoqumico de eltrons, a conexo funcional entre os complexos, espacialmente separados no interior das membranas dos tilacides, efetuada pelos carregadores de eltrons mveis.

O grau de empilhamento das membranas dos tilacides no interior dos cloroplastos, bem como a proporo dos fotossistemas (FSII e FSI) pode variar entre espcies e das condies de luz do ambiente. Este empilhamento aumenta medida que a intensidade luminosa diminui e vice-versa. Isto promove mudanas nas propores de relativa dos FSII e FSI o nos respectivos complexos de antenas (CCLI e CC LII). O aumento do empilhamento das membranas dos tilacoides acompanhado de um aumento quantitativo no nmero de complexos do FSII e de CCLII.

O CCLII um complexo de antena maior que ao CCLI associada ao FSI. A maior parte da clorofila total das plantas est associada ao CCLII cerca de metade da clorofila a e quase toda a clorofila b. Logo, em plantas sombreadas o contedo de clorofila b maior do que em plantas crescidas ao sol. As folhas ao sol tm maior disponibilidade de luz, investindo menos na formao dos complexos de antenas (tm menores quantidades de CCLII) e aumentam os nveis de transportadores de eltrons (Cit b6f, plastoquinona, plastocianina, ferredoxina) e de complexos ATPase por unidade de clorofila.

Mudanas rpidas no fluxo de ftons como nebulosidades variveis e rpidas oscilaes da posio de feixes de luz no interior promovem variaes na taxa de fluncia de ftons e causar desequilbrio no fluxo fotossinttico de eltrons entre os FSII e FSI.

14. METABILISMO DO CARBONO NA FOTOSSINTESEA produo de enorme quantidade de compostos

orgnicos nas plantas resultante do metabolismo fotossinttico do carbono, sustentado pelo ATP e NADPH gerados durante a etapa fotoqumica da fotossntese.

A formao das molculas orgnicas tm incio com a reao de fixao da molcula de CO2, catalisada pela enzima Ribulose bifosfato carboxilase/oxidase (Rubisco).

A rubisco a enzima central para aquisio de carbono pelos organismos vivos. Esta aquisio desencadeia uma rede de reaes bioqumicas que geram os carboidratos, as protenas e os lipdios que sustentam as plantas e os demais seres vivos, inclusive o homem. Trata-se de uma enzima bifuncional, pois catalisa tanto a carboxilao como a oxigenao do seu substrato, a pentose ribulose 1,5-bisfosfato (RuBP). O gs carbnico e o oxignio competem entre si pelo mesmo stio ativo da rubisco, reagindo com o mesmo substrato (RuBP). Rubisco-Carbixilao 2 x 3-fosfoglicerato

Rubisco-Oxigenao3-fosfoglicerato + 2 fosfoglicolata

Partindo do composto resultante da carboxilao, o 3-fosfoglicerato, tem incio um ciclo de reaes bioqumicas que gera vrios carboidratos e que, simultaneamente, regenera a pentose bisfosfato que reage com o CO2, a RuBP.

Esta via metabolica conhecida como Ciclo de Calvin-Benson ou Ciclo fotossinttico redutivo C3 ou ciclo C3.

O ciclo de Calvin-Benson a via metablica responsvel pela gerao dos carboidratos precursores de todas as molculas orgnicas existentes nos organismos fotossintetizantes e heterotrficos, sustentando a vida na Terra.

O fosfoglicolato, por sua vez, gerado exclusivamente pela funo oxigenase da rubisco, no pode ser utilizado no ciclo de Calvin-Benson. O seu processamento efetuado por uma via metablica conhecida como C2 ou via fotorrespiratria.

O metabolismo do 2-fosfoglicolato pela via C2 se d com o consumo de O2 e com a perda de CO2 j fixado. A eficincia da assimilao de CO2 (fotossntese lquida) depende, portanto, das taxas relativas dos ciclos C2 e C3, que se opem mutuamente, pois depende da concentrao de CO2 e O2 no interior do mesfilo foliar e no interior do estroma dos cloroplastos, local onde atua a rubisco. Para evitar a fotorrespirao nas plantas vasculares, so conhecidos dois mecanismos que concentram CO2 no stio ativo da rubisco atravs do bombeamento bioqumico de CO2.

15. A ENZIMA RUBISCOA enzima rubisco existe em elevada

quantidade nos tecidos fotossintticos das plantas superiores. Trata-se de uma protena de elevado peso molecular e constituda por duas subunidades: uma grande (L) e outra pequena (S). A subunidade L sintetizada nos cloroplastos. J a subunidade S sintetizada no citoplasma. Logo, a rubisco resultado de um processo coordenado de expresso de genes nucleares e de genes dos cloroplastos. O sitio ativo de ligao da enzima situa-se na subunidade L.

16. O CICLO DE CALVIN-BENSON OU CICLO FOTOSSINTTICO REDUTIVO C3 OU CICLO C3

A elucidao da via metablica atravs da qual os vegetais fixam o gs carbnico e produzem os carboidratos um marco histrico. Foi a primeira via metablica inteiramente descoberta com o uso do istopo radioativo do carbono, o 14C. A partir de meados da dcada de 40 do sculo passado, Calvin, Benson, Bassham e uma equipe de colaboradores utilizaram o 14CO2 em experimentos com algas verdes dos gneros Chorella e Scenedesmus.

Estas algas eram expostas ao carbono 14 e por intervalos de tempo cada vez mais breves (at 2 segundos) foi extrado em lcool fervente o primeiro produto estvel da fotossntese, um cido orgnico de trs carbonos, o cido 3-fosfoglicrico. A via metablica desvendada por Calvin e Benson e sua equipe envolve 13 reaes organizadas de um modo cclico.

17. ETAPAS DO CICLO C3O ciclo pode ser dividido em trs fases: a

carboxilao, a reduo e a regenerao. Este ciclo ocorre no estroma dos cloroplastos, onde esto localizadas as enzimas que o movimentam.

17.1 Fase carboxilao reao catalisada pela rubisco, onde cada molcula de CO2 fixada pela rubisco d origem a duas molculas de 3-fosfoglicerato (3PGA), primeiro composto estvel do ciclo C3.

O intermedirio de 6 carbonos que se forma inicialmente instvel. O gs carbnico reage inicialmente na posio 2 (C-2) da ribulose bisfosfato, formando uma molcula instvel de 6 carbonos, que permanece ligada enzima. A seguir, essa molcula hidrolisada, formando duas molculas estveis de cido 3-fosfoglicrico (3PGA).

3PGA + ATP Glicerato-1.3-bisfosfato + ADP

Glicerato-1.3-bisfosfato + NADPH 3PGald + NADP+ + Pi

17.2 Fase redutiva - o 3PGA convertido a gliceraldedo-3-fosfato (3PGald) atravs de duas reaes que utilizam o ATP e o NADPH produzidos na etapa fotoqumica da fotossntese. O 3PGald o primeiro carboidrato gerado no ciclo C3.

As duas reaes sequenciais, apresentadas a seguir, so catalisadas pelas enzimas fosfato glicerato quinase e NADP:gliceraldedo3-fosfato desidrogenase, respectivamente:

17.3 Fase regenerativa - se processa a partir da formao do 3PGald. Esse monossacardeo reversivelmente convertido em diidroxiacetona-fosfato (DHAP) atravs da enzima triose-fosfato isomerase. Os dois acares fosfato, constitudos de trs carbonos so denominados trioses-fosfato (triose-P). Uma srie de reaes enzimticas interconvertem acares-fosfato de trs, quatro, cinco, seis e sete tomos de carbono, e regeneram a molcula receptora primria do , a ribulose-1,5-bisfosfato (RuBP). Oito enzimas diferentes catalizam as 10 reaes que integram a etapa regenerativa do ciclo de Calvin-Benson.

18. BALANO ENERGTICO DO CICLO C3

Do ponto de vista energtico, a fixao de uma molcula de CO2 exige trs molculas de ATP e duas de NADPH. Duas molculas de ATP e duas de NADPH so necessrias para movimentar a fase redutiva do ciclo.

Uma terceira molcula de ATP exigida na fase final da etapa regenerativa do ciclo , quando a ribulose fosfato (RuP) transformada em RuBP. Assim, a produo de uma molcula de triose-P exige nove molculas de ATP e seis molculas de NADPH.

A formao de uma hexose (glicose ou frutose) exige seis voltas no ciclo de Calvin-Benson e resulta na sntese dos principais produtos da fotossntese , o amido e a sacarose.

O ciclo regulado pela luz, sendo plenamente ativo em presena de luz e inativo no escuro. A ativao da rubisco pela luz se d atravs de um mecanismo complexo e envolve o fluxo de Mg2+ dos tilacides para o estroma, ativao da rubisco pelo CO2, aumento do pH do estroma e ativao da rubisco ativase.

18. FATORES QUE AFETAM AS TAXAS DE FOTORRESPIRAO

A enzima rubisco apresenta a funo carboxilase e oxigenase, uma vez que o CO2 e o O2 moleculares competem pelo stio ativo da rubisco e pelo mesmo substrato. As taxas de fotorrespirao variam com alteraes na luz, razo de CO2/O2e temperatura foliar. Em condies atmosfricas normais (0,036% de CO2 e 21% de O2) e sob temperaturas moderadas (20 a 25C), a proporo entre as funes carboxilase/oxidase de cerca de 3:1. A fotorrespirao pode ocasionar uma diminuio na assimilao lquida de carbono de 20 a 50%, dependendo da temperatura.

A fotorrespirao representa um dreno consumidor do excesso de ATP e NADPH produzidos em dias ensolarados e durante perodos de seca, pois o CO2 no pode entrar no mesfilo foliar devido ao fechamento dos estmatos, limitando o ciclo C3.

19. MECANISMOS FOTOSSINTTICOS DE CONCENTRAO DE CO2

Em algumas espcies de plantas, a fotorrespirao to baixa que no pode ser detectada. Isto no se deve a propriedades diferenciadas da rubisco, mas sim a mecanismos especiais de acumulao de CO2 nas vizinhanas da enzima. Na presena de concentraes suficientemente elevadas de CO2, a reao de oxigenase suprimida. Em plantas vasculares so conhecidas dois mecanismos concentradores de CO2 no stio de carboxilao da rubisco: mecanismo C4 e mecanismo CAM.

19.1. Mecanismo C4

O mecanismo concentrador de CO2 das plantas C4 baseia-se num ciclo de carboxilao e descarboxilao que se distribui entre dois tipos diferenciados de clulas fotossintticas: as clulas do mesfilo e as clulas da bainha perivascular. As clulas do mesfilo e da bainha perivascular apresentam diferenas em suas propriedades bioqumicas e fisiolgicas.

Adaptaes anatmicas especiais tipo Kranz (coroa em alemo) permite a concentrao de CO2 nas clulas da bainha, que apresentam paredes espessas e baixa permeabilidade aos gases, reduzindo perdas de CO2 por difuso.

A anatomia foliar diferenciada de uma planta C4 permite que a maioria das clulas do mesfilo situe-se imediatamente adjacente a clulas da bainha perivascular, sendo conectadas por numerosos plasmodesmos, o que possibilita uma cooperao dinmica e eficiente entre os dois tipos celulares ao desempenharem as suas tarefas fotossintticas especficas. A concentrao de CO2 nas clulas da bainha perivasculares pode atingir valores 10 vezes superior aos valores normalmente encontrados na atmosfera.

As espcies C4 so predominantemente tropicais e subtropicais, ocorrendo em 18 famlias de plantas superiores, como culturas de milho, sorgo, cana-de-acar, bem como de 8 das 10 piores plantas invasoras do mundo como a tiririca, o capim-colcho e o capim-arroz.

Menos de 1% das angiospermas so plantas C4 e a maioria das espcies so monocotiledneas, principalmente gramneas e ciperceas. Entretanto, mais de 300 espcies so dicotiledneas.

O surgimento da via C4 um evento recente do reino vegetal. Supe-se que as principais causas evolutivas que conduziram ao surgimento das plantas C4 so: a concentrao do CO2 atmosfrico, o estresse hdrico e as altas temperaturas, que limitam extremamente a aquisio de CO2 em plantas C3.

19.2. O ciclo bioqumico C4

O tratamento de folhas de milho tratadas com 14CO2 revelaram que o primeiro produto estvel da fotossntese era uma molcula de quatro carbonos (oxalato e malato). A reao de carboxilao foi descoberta logo em seguida. A enzima fosfoenolpirvato carboxilase (PEPcase) catalisa a carboxilao irreversvel do cido fosfoenol pirvico (PEP), tendo como produto o imediato cido oxaloacetato (AOA), conforme indicado a seguir:

HCO3- + PEP AOA + Pi

A PEPcase utiliza carbono na forma de bicarbonato (HCO3-), enquanto que a rubisco utiliza o carbono na forma de CO2. No pH dos fluidos celulares, o CO2 dissolvido sob a forma de cido carbnico dissocia-se formando predominantemente o on bicarbonato (HCO3-).

A via fotossinttica C4 responsvel pelo bombeamento bioqumico do CO2 da atmosfera para o ciclo de Calvin, que opera nos cloroplastos das clulas da bainha perivascular e divide-se em trs fases: 1. Carboxilativa; 2. Descarboxilativa; 3. Regenerativa. O CO2 atmosfrico fixado no citoplasma das clulas do mesfilo atravs da reao catalisada pela PEP carboxilase ou PEPcase (fase carboxilativa). Dentro das clulas do mesfilo, o cido oxaloactico produzido transportado para as clulas da bainha perivascular, onde so submetidos a reaes de descarboxilao. A regenerao de cada molcula de PEP, a partir do piruvato catalisada pela piruvato fosfoato dicinase e exige o gasto de duas molculas de ATP.

A PEPcase tem atividade enzimtica centenas de vezes maiores do que os valores encontrados nas folhas das plantas C3. Quando comparada a rubisco, a PEPcase atua apenas como carboxilase e mais eficiente do que a rubisco, podendo carboxilar ainda que a disponibilidade de CO2 seja muito baixa, o que no acontece com a rubisco.

20. MECANISMO CAM (Metabolismo cido das Crassulaceae)

A via CAM (CAM do ingls Crassulacean acid metabolism) um mecanismo fotossinttico concentrador de gs carbnico, em resposta aridez de ambientes terrestres e limitao da disponibilidade de CO2 em ambientes aquticos.

Provavelmente, todas as espcies de Cactceas

e de Crassulceas possuem metabolismo CAM. Nas outras famlias so encontradas espcies CAM obrigatrias e facultativas. As plantas CAM facultativas so aquelas que apresentam o metabolismo CAM em determinadas condies ambientais, pois em condies favorveis (disponibilidade de gua) as CAM facultativas apresentam metabolismo C3. As orquidceas epfitas de ecossistemas ridos ou de florestas tropicas apresentam numerosos representantes com metabolismo CAM.

As Bromeliceas, abacaxi e agave so exemplos de plantas cultivadas com metabolismo CAM.

20.1 A via bioqumica CAM

As plantas CAM so caracterizadas pela fixao macia de gs carbnico no perodo noturno. O mecanismo CAM fundamenta-se num processo de carboxilao noturna, seguido de uma etapa de descarboxilao diurna, responsvel pelo suprimento de CO2 para o ciclo C3.

As espcies CAM terrestres abrem os estmatos durante a noite e os mantm fechados durante a noite e os mantm fechados durante o dia, contrariamente ao que ocorre com a maioria das plantas terrestres. A fixao noturna do gs carbnico tambm catalisada por uma isoforma da PEPcase. O CO2 fixado acumulado nos vacolos na forma de malato. Por isto, a acidez celular vai aumentando progressivamente durante a noite. Durante o dia, os estmatos de fecham, mas o CO2 para o ciclo C3 passa a ser fornecido pela descarboxilao do malato, o pH dos vacolos das clulas fotossintticas aumenta progressivamente. noite, o amido hidrolisado para a gerao de PEP, acumulando-se durante o dia como produto da fotossntese e da descarboxilao do malato.

Deve-se ressaltar que o mecanismo bioqumico de carboxilao das plantas CAM e C4 o mesmo, diferenciando-se quanto sua regulao. Nas plantas C4, h uma separao espacial (anatmica) entre a carboxilao pela PEPcase e o ciclo C3, processos que transcorrem simultaneamente. J nas plantas CAM, a separao desses eventos apenas temporal, ocorrendo na mesma clula fotossinttica. A fixao do CO2 atmosfrico pela PEPcase se processa noite, enquanto a fixao de CO2 pelo ciclo de C3 ocorre durante o dia.

20.2 O mecanismo CAM e a sobrevivncia das plantas

Em secas prolongadas, os estmatos fecham completamente e no ocorre as trocas gasosas, mas o seu contedo de cidos orgnicos continuam a flutuar ao longo do dia, indicando a reciclagem do CO2 gerado na respirao e na fotorrespirao. O mecanismo CAM aumenta extraordinariamente a Eficincia de Uso da gua (EUA), sendo encontrado em plantas adaptadas a ambientes ridos ou sujeitos a suprimento de gua apenas peridico.

Outra caracterstica impressionante das plantas CAM a sua extrema flexibilidade metablica. Em vrias espcies, a fotossntese C3 ou CAM pode ser induzida por mudanas climticas.

O advento de uma seca ou o aumento da salinidade induzem o metabolismo CAM em muitas espcies facultativas. A mesma planta pode, portanto, apresentar simultaneamente as vias CAM e C3 que se sucedem ao longo do ciclo de vida da planta.

21. A PEP CARBOXILASE

A PEP carboxilase uma enzima citosslica que existe em todas as clulas vegetais, porm nas plantas C4 e CAM assume um papel de destaque, pois a atividade da PEPcase na fotossntese de plantas C4 atinge valores centenas de vezes maiores do que os valores encontrados nas folhas das plantas C3.

Comparada a rubisco, a PEPcase atua apenas como carboxilase e a sua afinidade com o ons HCO3- mais elevada do que a afinidade da rubisco pelo CO2.

A PEPcase uma enzima alostrica sujeita a ativao pela glicose-6-fosfato e por trioses-P, e a inibio pelo L-malato. As concentraes destes compostos no citoplasma regulam a atividade da PEPcase. Nas plantas C4, esta enzima tambm regulada pela transio escuro-luz, sendo fosforilada pela ao catalitica de uma enzima cinase solvel, que a torna menso sensvel ao efeito inibitrio do L-malato o que a torna mais ativa durante o perodo diurno.

TIPO C3 C4 CAM

Nas angiospermas so... 90% 3% 7%

Distribuio Ampla Tropical e subtropical Desrtica

Produto da fixao do CO2 PGA Malato-aspartato Malato

Anatomia foliar Parnquimas:Palidico e lacunoso Mesfilo e clulas da bainhaClulas com vacolos

grandes

Estmatos Aberto de dia e fechado a noite

Aberto de dia e fechado a noite

Fechado de dia e aberto a noite

Fotorrespirao 40% da fotossntese No se detectou Baixa

Ponto de compensao do CO2 40 ppm < 5 ppm < 5 ppm

Crescimento (g/m2dia) 5-20 40-50 0,2

Produtividade (t/h.ano) 10-30 60-80

23. O DESTINO DOS PRODUTOS DA FOTOSSNTESE

Em todas as plantas, a maior parte do carbono fixado na fotossntese utilizada para a formao de carboidratos, principalmente sacarose e amido, que so produtos mais estveis do processo fotossinttico e so destinados para fornecer energia no metabolismo da respirao celular e para a sntese das demais biomolculas, como: a celulose da parede celular e os aminocidos para a produo de enzimas e protenas.

Folhas imaturas retm grande parte dos fotoassimilados para a sntese de seus constituintes celulares (lipdios, cidos nucleicos, aminocidos, protenas, celulose, etc.). Em folhas maduras, os fotoassimilados so exportados atravs do floema para outras regies da planta ou so armazenados nos cloroplastos na forma de amido.

Durante o perodo luminoso, o amido acumula-se no estroma dos cloroplastos na forma de grnulos, ao passo que , durante a noite, o amido remobilizado e consumido na respirao. Na maioria das plantas, a sacarose a principal forma de transporte e distribuio dos fotoassimilados para as regies consumidoras, representadas pelas razes, meristemas apicais, folhas imaturas e rgos de reserva em formao (frutos, sementes e tubrculos).