A fotossíntese é um exemplo de reação anabólica. Nessas reações, substâncias simples se unem formando uma outra substância mais complexa. Por formarem outra molécula, também são classificadas como reações de síntese. A fotossíntese é um processo realizado por seres clorofilados, bactérias fotossintetizantes e cianobactérias e consiste na formação da molécula orgânica glicose, unindo gás carbônico, água e luz.
A luz é composta por “pacotes” de energia chamados fótons. Em organismos fotossintetizantes, a energia presente nos fótons das radiações visíveis é captada por pigmentos especializados para a apreensão da luz de comprimentos de onda azul e vermelha. Estes pigmentos têm seus elétrons energizados, o chamado estado de “excitação”. Uma vez excitados, os elétrons tendem a voltar para o seu nível de energia original, liberando a energia captada. Esta energia pode ser dissipada, na forma de calor; emitida, na forma de fluorescência; ou convertida em energia química (fotossíntese).
Os principais pigmentos são:
► clorofila a: presente em cianobactérias e eucariontes fotossintéticos;
► clorofila b: presente em plantas e algas verdes;
► clorofila c: algas pardas e diatomáceas;
► bacterioclorofila: absorve comprimentos de onda invisíveis aos olhos (infravermelha). Ocorre em sulfobactérias púrpuras que realizam fotossíntese em que há liberação de enxofre. Vivem em local livre de oxigênio, pois o oxigênio é letal para elas e para o ecossistema que sustentam.
► ficobilinas: cianobactérias e algas vermelhas;
► carotenóides: eucariontes fotossintetizantes (representados pelos carotenos e pelas xantofilas).
Nos cloroplastos dos vegetais, os pigmentos se localizam nas membranas dos tilacoides; em procariotos, eles ficam nas membranas fotossintéticas. É importante lembrar que as clorofilas conseguem absorver energia luminosa azul e vermelha (as melhores para a fotossíntese) com mais eficiência do que os demais pigmentos.
Os pigmentos presentes nas membranas dos tilacoides estão organizados em conjuntos chamados complexo antena. Quando a energia luminosa é captada pelo complexo antena, é transferida para um par especial de clorofilas a, que compõe o centro de reação do complexo antena. Ao receberem energia, estas clorofilas liberam elétrons para estruturas aceptoras (ou receptoras) de elétrons. Cada complexo antena e seu centro de reação são chamados fotossistemas. Os fotossistemas I apresentam clorofila a em sua composição e os fotossistemas II apresentam clorofila b em sua composição.
A etapa da fotossíntese que depende dos fotossistemas é a etapa fotoquímica, que ocorre em duas fases: a fotofosforilação (adição de fosfato com a presença de luz); e a fotólise da água (quebra da molécula de água em presença da luz). A fotofosforilação pode ser cíclica, quando o fotossistema I atua sozinho, ou acíclica, quando o fotossistema I atua em conjunto com o fotossistema II.
A energia obtida pela fosforilação cíclica pode ser utilizada na síntese de substâncias compostas por carbono (glicose). Esse processo recebe o nome de fixação de carbono, que ocorre através do ciclo de Calvin. Esta segunda etapa da fotossíntese acontece no estroma do cloroplasto e não depende de luz, mas também pode ocorrer em sua presença. No entanto, para que a fixação do carbono aconteça, é necessário que existam NADPH2 e ATP, produtos da etapa fotoquímica. O ciclo de Calvin corresponde à fase escura.
Lembre-se! A origem do gás oxigênio liberado durante a fotossíntese é a fotólise da água, e não o CO2.
Forilação Acíclica
O fotossistema I atua em conjunto com o fotossistema II. No fotossistema I, quando as clorofilas a recebem energia luminosa, liberam elétrons energizados para substâncias aceptoras de elétrons (ferredoxinas). Ao mesmo tempo, a luz atinge moléculas de água com energia suficiente para provocar fotólise (quebra de moléculas através da absorção de fótons) da água, originando O2 (liberado para a atmosfera) e mais elétrons e prótons provenientes dos átomos de hidrogênio. As ferredoxinas transferem os elétrons ao NADP. Uma vez de posse de dois elétrons, se o NADP receber mais dois prótons, isso equivalerá a ter recebido dois átomos de hidrogênio completos. Cada molécula de NADP recebe dois prótons oriundos da fotólise da água (NADPH2) e cada par de elétrons provenientes da água se dirige à molécula de clorofila b, que teve dois elétrons arrancados pela energia luminosa. Ocorre a síntese de NADPH2, em que há conversão de energia luminosa em energia química.
No fotossistema II, ao atingir a clorofila b, a energia contida na luz provoca saída de elétrons da molécula de clorofila. Os elétrons excitados são transferidos para uma substância aceptora chamada plastoquinona. Da plastoquinona, os elétrons são transferidos para uma série de aceptores cujo nível energético é cada vez menor. A energia contida nos elétrons é liberada e armazenada nas ligações químicas do ATP (ADP + fosfato). Em seu estado energético normal, os elétrons vão para a molécula de clorofila a; ocorre a síntese de ATP (fotofosforilação), em que há conversão de energia luminosa em energia química.
Na fotofosforilação acíclica, os elétrons liberados pela clorofila a não retornam ao fotossistema I.
Fosforilação Cíclica
Envolve apenas o fotossistema I e ocorre ao mesmo tempo que a fotofosforilação acíclica. A luz atinge a clorofila a, que libera elétrons para a ferredoxina. Da ferredoxina, os elétrons passam para uma cadeia de transportadores de elétrons (constituída por citocromos), por meio dos quais volta aos níveis mais baixos de energia. A energia liberada é utilizada para a formação de ATP (ADP + fosfato); os elétrons retornam para a clorofila a, seu composto de origem; ocorre a síntese de ATP (fotofosforilação), em que o elétron que deixou a clorofila a retorna ao seu composto de origem após liberar a energia excedente, caracterizando um processo cíclico.
Ciclo de Calvin
Começa e termina pelo monossacarídeo (5 carbonos) ribulose-1,5- difosfato (RuDP), por isso, a fase escura se trata de um ciclo. Seis moléculas de RuDP combinam-se a seis moléculas de CO2 (processo chamado de carboxilação), formando doze moléculas de ácido fosfoglicérico (PGA), composto por três carbonos. Cada PGA é reduzido pelo NADPH2 e pelo ATP. São convertidos em gliceraldeído-fosfato (PGAL), composto por três carbonos/doze moléculas de PGAL. Dez moléculas de PGAL combinam-se para formar seis moléculas de RuDP, com cinco carbonos cada, voltando ao início do ciclo. As duas moléculas de PGAL excedentes representam o ganho líquido do processo. A glicose, produto final da fotossíntese, é composta por 6 carbonos (C6H12O6) e precisa que duas moléculas de PGAL se combinem para ser formada.
Note que:
► o número de moléculas de RuDP não se alterou;
► o número de moléculas de CO2 é o mesmo que o de átomos de carbono da glicose;
► o número de ATP, Pi e ADP é o mesmo;
► o número de NADPH2 é o mesmo que o de NADP e o de hidrogênios da glicose.
Fatores Limitantes da Fotossíntese
Alguns fatores interferem no processo da fotossíntese. São eles:
► luz: a intensidade luminosa e comprimento de onda que atinge o vegetal são fatores que podem incentivar ou limitar a taxa fotossintética (o excesso de luz pode prejudicar os pigmentos);
► disponibilidade de água: a desidratação de cloroplastos pode provocar redução da atividade enzimática;
► poluentes atmosféricos: limitam a intensidade de luz e podem filtrar alguns comprimentos de onda;
► CO2: com o aumento da taxa de concentração atmosférica até 1%, há um aumento na taxa fotossintética, mas, depois disso, o processo é inibido pela formação de ácido carbônico (aumento de Ph – desnaturação proteica);
► temperatura: geralmente, acima dos 50oC há desnaturação das enzimas que participam do processo fotossintético.
Quimiossíntese
Existem seres autótrofos, como bactérias, que usam a energia retirada de reações químicas de oxidação de compostos inorgânicos para produzir seus compostos orgânicos a partir de gás carbônico e água. Este tipo de síntese não envolve pigmentos.
Um bom exemplo são bactérias que oxidam o sulfeto de hidrogênio para produzir energia. Esta energia será utilizada para processos de fixação do carbono.
Algumas bactérias que fazem quimiossíntese:
► ferrobactérias: oxidam compostos de ferro para sintetizar a matéria orgânica (ferrugem);
► nitrobactérias: oxidam íons amônio ou nitrito para sintetizar matéria orgânica. O produto desta oxidação é o nitrato, forma de nitrogênio que pode ser assimilada pelas plantas.