Química da fotossíntese

Fotossíntese

A fotossíntese é o processo através do qual ocorre a produção de compostos orgânicos (carboidratos) a partir de compostos inorgânicos, como a água e o dióxido de carbono (CO2), utilizando a energia luminosa em presença de clorofila.

Equação Geral da Fotossíntese

12 H20 + 6 CO2 -----> C6H12O6 + 6 H20 +6 O2

- a água é absorvida do solo pelas raízes
- o CO2 é retirado do ar atmosférico pelas folhas através dos estômatos
- a energia luminosa é transformada em energia química, com auxílio da clorofila.

O Destino dos Átomos na Fotossíntese

Energia da luz + CO2 + 2 H20 -----> (CH20) + 02 + H20

O gás carbônico cede carbono e oxigênio para a formação do açúcar e outra parte de oxigênio para a formação da molécula de água.
A água cede hidrogênio para a formação do açúcar de da água e oxigênio para ser liberado para a atmosfera.

Esta reação é endergônica, isto é, absorve energia para ocorrer. No caso, a energia é a luz. A energia luminosa não é transmitida diretamente, para as moléculas orgânicas. Existe uma “bateria energética”, que funciona como intermediária nos processos de transferência de energia. Essa molécula energética é o ATP (trifosfato de adenosina).
Obs.: A adenosina é um nucleosídeo formado por ribose + adenina.

O ATP é originado a partir do ADP (difosfato de adenosina), por um processo chamado de fosforilação. Como, neste caso, há a participação da luz, denomina-se fotofosforilação. A presença do magnésio é fundamental para este mecanismo.

ADP + P -----> ATP

Fotossistemas

Moléculas de clorofila, aceptores de elétrons, pigmentos acessórios e enzimas que participam da fotossíntese encontram-se organizadas nas membranas dos cloroplastos, formando unidades funcionais chamadas fotossistemas.
Há dois tipos de fotossistemas, denominados I e II, que diferem quanto à capacidade de absorver a luz e quanto a posição que ocupam nas membranas dos cloroplastos.

O fotossistema I (PS I) absorve luz de comprimento de onda correspondente à 700 nm sendo, por isso, chamado P700. Já o fotossistema II (PS II) absorve principalmente luz de comprimento de onda 680 nm, sendo chamado de P680. O fotossistema I encontra-se localizado preferencialmente, nas membranas intergrana, em contato direto com o estroma. Já o fotossistema II se localiza nas membranas dos tilacoides.

1ª) Reações de claro

a) Sob a ação da luz, a água se quebra liberando O2. O NADP recebe os átomos de hidrogênio da água e reduz-se a NADPH2. Esta fase é chamada fotólise da água.
b) A molécula de ADP + P sob a ação da luz, transforma-se em ATP. Esta fase é dita fotofosforilação.

Fotofosforilação Cíclica

Tem início quando a clorofila a, absorve energia luminosa, liberando um elétron que ficou ativo, isto é, teve seu nível energético aumentado. Esse elétron é recolhido pelo cofator ferridoxina, que é um transportador de elétrons. A ferridoxina transfere o elétron à uma cadeia de proteínas amarelas, chamadas citocromos. A medida que os elétrons passam pela cadeia de citocromos, vai desprendendo energia, voltando ao seu potencial energético normal. Nessa circunstância, ele volta a molécula da clorofila a. Por isso, o processo é chamado cíclico. Esse mecanismo é então considerado auto-suficiente, porque não necessita de uma fonte externa de elétrons. A energia que foi desprendida pelo elétron é aproveitado pelo ADP, que, com essa energia, pode associar-se à um radical fosfato, transformando-se em ATP. 

Fotofosforilação Acíclica

A fotofosforilação significa a adição de fosfato (fosfotilação), em presença de luz. A substância que sofre fosforilação, na fotossíntese, é o ADP, sendo formado o ATP. Nos cloroplastos de plantas superiores, as moléculas de clorofila - clorofila a e clorofila b - ao receber energia luminosa, ficam oxidadas, ou seja, perdem elétrons. Isto ocorre, porque a energia luminosa excita os elétrons, que pulam para fora das moléculas. Com a descarga de fótons da luz, um elétron da clorofila b fica com seu nível energético aumentado. Assim, excitado, o elétron pula fora da molécula da clorofila e é recolhido pela plastoquinona, substância muito parecida com a vitamina K, e que procede como aceptor de elétrons. A plastoquinona imediatamente transfere o elétron a uma cadeia transportadora de elétrons, que passa de um aceptor para outro, perdendo gradativamente sua energia, que é utilizada na síntese de ATP. Os elétrons “excitados” não voltam a clorofila b e , sim à clorofila a, tornando a cadeia acíclica. O elétron recolhido pela clorofila a é entregue a uma molécula de ferridoxina (aceptor) que, finalmente, o passa a uma molécula de NADP. Cada molécula de NADP pode receber dois elétrons. Assim ele passa a NADP reduzida. A clorofila b será restaurada pelos elétrons desprendidos pela fotósile da água, proveniente do hidrogênio.

Fotólise da Água

É a quebra da molécula de água sob a ação da luz, havendo liberação do oxigênio para a atmosfera e transferência dos átomos de hidrogênio para transportadores de hidrogênio. Essa reação foi descrita por Hill, em 1937. Esse autor, no entanto, não sabia qual era a substância receptora de hidrogênio. Hoje, sabe-se que é o NADP (NAD + fosfato).
NADP (nicotinamida-adenina-dinucleotídeo fosfato)

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

4 H+ + 2 NADP ------> 2 NADPH2

Simplificando e somando as equações de toda etapa fotoquímica, obtemos as seguinte equação geral:

2 H2O + 2 NADP + 2 ADP + 2 P ------> 2 NADPH2 + 2 ATP + O2

2ª) Etapa Química da Fotossíntese

Esta etapa da fotossíntese ocorre no estroma dos cloroplastos, sem necessidade de luz (reação de escuro). É nessa fase que se forma o açúcar, pela reação entre gás carbônico do ar atmosférico, os NADPH2 e os ATP produzidos nas reações de claro.
A equação dessa fase pode se resumida da seguinte forma:

6 CO2 + 12 NADPH2 + ATP ------> CH2O + 6 H2O + 12 NADP + ADP+P

Fatores que influenciam na fotossíntese

- CO2: quanto menor a taxa na atmosférica, menor a velocidade da fotossíntese. Muito gás carbônico satura a planta.
- Temperatura - a velocidade máxima da fotossíntese é com temperatura entre 30ºC e 40ºC. A temperatura baixa, deixa as enzimas pouco ativadas. Muito alta, anula seu efeito.
- Luz: as luzes azul e vermelho são mais absorvidas. O verde e amarelo são menos absorvidos. Muita luz, satura a planta.

Fotossíntese Bacteriana ou Fotoredução

É um processo de síntese de matéria orgânica em presença da luz, utilizando o gás carbônico do ar atmosférico e gás sulfídrico (H2S), como substância doadora de hidrogênio. Nesse processo não é a água quem fornece hidrogênio.

6 CO2 + 12 H2S ------> C6H12O6 + 6 H2O + 12 S

Os organismos que realizam este processo são as sulfobactérias, que vivem em ambientes anaeróbicos, que possuem um tipo especial de clorofila, que é a bacterioclorofila.

Respiração Celular

A respiração é um processo inverso a fotossíntese. Consiste na liberação de energia, produzida pela “queima” do alimento a partir do oxigênio.
Há duas modalidades de processos respiratórios:
- Aeróbio
- Anaeróbio ou Fermentação

Simbolicamente, podemos representar o mecanismo pelo qual a célula obtém energia contida nas cadeias dos compostos orgânicos pela seguinte equação:

C6H12O6 + 6 O2 -------> 6 CO2 + 6 H2O + 674 Kcal

No entanto, este processo não se faz assim, diretamente, no interior da célula. A oxidação da glicose pelo oxigênio, acarretaria a liberação de considerável quantidade de energia de uma só vez. Desta maneira, a célula não saberia aproveitá-la. Logo, a glicose deve ser metabolizada por etapas, liberando energia, que será recolhida e acumulada em moléculas especiais de um composto chamado ATP (trifosfato de adenosina).

Mecanismo Químico da Respiração Aeróbia

1. Glicólise ou Piruvato
2. Ciclo de Krebs ou Ciclo do acido Cítrico
3. Cadeia Respiratória

Glicólise

Esta etapa consiste na decomposição de uma molécula de glicose em duas de ácido pirúvico, havendo liberação de energia na forma de ATP. Ocorre no hialoplasma, sem oxigênio.
As moléculas de ácido pirúvico podem seguir dois caminhos distintos; entrar na mitocôndria ( o que acontece nas células eucarióticas) ou ser transformadas em outras moléculas orgânicas.

C6H12O6 (glicose) -------> 2 C3H5O3 --------> 2 C3H4O3 (ácido pirúvico)

4 ATP (produzidos) - 2 ATP (gastos) = 2 ATP (saldo)

Ciclo de Krebs (Hans Adolf Krebs, alemão, 1900 - 1981)

O ácido pirúvico formado na glicólise, penetra na mitocôndria, onde perde CO2, por meio da ação da enzima descarboxilase, sendo transformado em aldeídico acético. O aldeídico, combina-se com uma substância denominada Acetilcoenzima A (acetil-CoA). Esta por sua vez, combina-se com um composto já existente na matriz mitocondrial, chamada Ácido Oxaloacético. Neste momento, inicia-se o Ciclo de Krebs, na Matriz Mitocondrial.
Da reação do Acetil-CoA com o ácido oxaloacético surge o ácido cítrico (6 C).
Cada ácido cítrico passará, em seguida, por uma via metabólica, durante a qual se transformará sucessivamente, em outros compostos.

Cadeias Respiratórias

Da molécula original da glicose, restam agora, apenas os hidrogênios que foram captados para formar o NADH2 e FADH2 (flavina adenina dinucleotídeo). Os átomos de carbono da glicose são expelidos para o meio externo na forma de CO2. Na cadeia respiratória, os hidrogênios são transportados pelos NADH2 e FADH2 até o oxigênio, formando a água, sendo o oxigênio o aceptor final. Além dos aceptores NADH2 e FADH2, verifica-se a participação de citocromos, que têm o papel de transportar os elétrons do hidrogênio. A medida que os elétrons passam pela cadeia de citocromos, l iberam energia gradativamente, permitindo a síntese de 2 ATP.

Etapas	Ocorrência	Rendimento
Glicólise	Formação direta de ATP e Formação de 2 NADH2 (x 3 ATP na cadeia respiratória)	2 + 8
Síntese do Acetil CoA	Formação de 2 NADH2 (x 3 ATP na cadeia respiratória)	6
Ciclo de Krebs	Formação direta de ATP Formação de 6 NADH2 (x 3 ATP na cadeia respiratória) Formação de 2 FADH2 (x 2 ATP na cadeia respiratória)	2 + 18 + 4
	Total	38

Fermentação

Tanto a fermentação como a respiração são processos liberadores de energia, portanto exergônico, dos compostos orgânicos, principalmente, a glicose.
A fermentação ocorre no hialoplasma não necessitando de oxigênio.
Entre os organismos fermentadores, encontramos os anaeróbios obrigatórios ou restritos.

A fermentação é um processo em que moléculas de ácido pirúvico, formadas na glicólise, são transformadas em outras substâncias orgânicas, que podem ser álcool etílico, ácido lático, o ácido acético, etc., dependendo do tipo de organismo fermentador. Ambas produzem 2 ATP no final do processo. Já na respiração aeróbia, há a produção de 38 ATP.
A fermentação alcoólica executada pelas leveduras -fungos (fermentos; Saccharomyces cerevisiae) é utilizada na produção de bebidas alcoólicas e de pão.

Já a fermentação lática, realizada por bactérias do leite (lactobacilus), é empregada na prepa
O azedamento e coagulação do leite devem-se a formação do ácido lático.

A fermentação lática ocorre também em nossos músculos, em situações de grande esforço físico. Nessas condições a quantidade de gás oxigênio que chega às células musculares pode não ser suficiente para realizar a taxa de respiração celular necessária às condições musculares. Desta forma, as células musculares passam a obter parte da energia de que necessitam através da fermentação lática. O acúmulo do ácido lático no músculo é responsável pela fadiga e pela dor muscular que sentimos após exercícios físicos intensos.

Reino Plantae

O Reino Plantae abriga os vegetais: organismos eucariontes, multicelulares e autotróficos fotossintetizantes; e que apresentam alternância de gerações em seus ciclos de vida. 
   Ao longo da história evolutiva, os vegetais adquiriram adaptações que permitiram com que conquistassem o ambiente terrestre, em todas as regiões da biosfera. Graças a este fato, muitos animais e outros organismos passaram a colonizar tais ambientes, em razão da farta oferta de alimento e outras vantagens que os vegetais puderam proporcionar. 
Em virtude dos avanços de estudos relacionados a aspectos de parentesco entre os organismos, o Reino Plantae tem sofrido modificações significativas, e diversas propostas têm sido feitas neste sentido. No entanto, até que as principais mudanças sejam formalmente adaptadas ao currículo escolar, no Ensino Fundamental e Médio, tradicionalmente, este grupo ainda é estudado baseado em quatro subgrupos: 
- Briófitas: possuem estruturas produtoras de gametas pouco aparentes e vasos condutores de seiva estão ausentes. Ex.: musgos. - Pteridófitas: possuem estruturas produtoras de gametas pouco aparentes e vasos condutores de seiva estão presentes. Ex.: samambaias. - Gimnospermas: possuem estruturas produtoras de gametas visíveis e desenvolvem sementes, mas não frutos. Ex.: pinheiros. - Angiospermas: possuem estruturas produtoras de gametas visíveis e desenvolvem sementes e frutos. Ex.: abacateiros. 

Conceito de Angiospermas e Briófitas

Angiospermas.
As angiospermas correspondem à grande maioria das plantas que vemos em nosso dia a dia, estando distribuídas nos mais diversos ambientes e se apresentando nas mais diversas formas e tamanhos. Elas têm como característica principal a presença de flores  completas, onde encontramos as estruturas reprodutivas das plantas. Assim, temos flores dotadas somente de gineceu: o sistema reprodutor feminino; outras só com androceu, que é o sistema reprodutor masculino; e, ainda, flores hermafroditas, cuja maioria desenvolveu mecanismos que dificultam a autofecundação. O grão-de-pólen é formado no interior da antera, no androceu.

Briófitas 

Pertencem ao reino Plantae e, desta forma, são eucariontes, fotossintetizantes e multicelulares. Estes organismos não possuem vasos condutores de seiva, nem estruturas rígidas de sustentação, justificando seu pequeno porte. Assim, o transporte de substâncias se dá por difusão e ocorre de forma lenta.

São encontradas predominantemente em ambientes úmidos, porém podem ser vistas em água doce, em locais extremamente secos ou mesmo nos polos da Terra. Estão divididas em três filos: Bryophyta, Hepatophyta e Anthocerophyta; sendo os indivíduos do primeiro os mais conhecidos por nós.