CONTEÚDO PARA AVALIAÇÃO 1° SÉRIE DO ENSINO MÉDIO - FOTOSSÍNTESE

CONTEÚDO PARA AVALIAÇÃO 1° SÉRIE DO ENSINO MÉDIO

FOTOSSÍNTESE

FOTOSSÍNTESE E QUIMIOSSÍNTESE

A fotossíntese é um dos processos biológicos de maior importância na vida da Terra. Alem da produção do gás oxigênio, essencial para a sobrevivência de quase a totalidade dos seres vivos, é mediante esse processo que são produzidos bilhões de toneladas de compostos orgânicos e carboidratos.

A quimiossíntese é um fenômeno biológico semelhante a fotossíntese, exclusivo de algumas bactérias. Nos dois processos, substancias simples são utilizadas para a síntese de substancias complexas.

FOTOSSÍNTESE

A fotossíntese é um processo biológico de maior importância para a manutenção da vida da vida da Terra, pois, nesse processo, forma-se compostos orgânicos que sustentam a diversidade de cadeias alimentares e libera-se um gás essencial para os organismos aeróbicos, o oxigênio.

Pela fotossíntese, a maioria das plantas e outros organismos vivos, como algas unicelulares e pluricelulares e algumas bactérias, convertem energia luminosa em energia química. Os processos metabólicos da célula utilizam unicamente a energia química.

A fonte primaria de energia luminosa é o sol, embora os organismos fotossintetizantes possam realizar a fotossíntese na presença de fontes artificiais, como lâmpadas incandescentes e florescentes.

Por meio de uma serie de etapas e processos complexos que envolvem gases, compostos, pigmentos e outros elementos bioquímicos, a energia química é utilizada, então, para produzir compostos orgânicos, armazenados e posteriormente consumidos para o crescimento do organismo, nas plantas terrestres, o CO² entra no organismo através de orifícios nas folhas, os estômatos.

EQUAÇÃO GERAL DA FOTOSSÍNTESE

A fotossíntese é um fenômeno biológico que ocorre nos cloroplasto de seres eucarióticos ou no citoplasma de seres procarióticos fotossintetizantes. Ela envolve dois reagentes, uma fonte de gás carbônico CO2 e uma fonte de hidrogênio H2O e uma fonte luminosa e um pigmento sensível a luz, clorofila. A quebra do gás carbônico e da água, por meio de complexas reações bioquímicas, forma três produtos distintos: carboidrato, água e gás oxigênio. Desconsiderando-se, neste momento, todas as reações bioquímicas envolvidas, a fotossíntese pode ser genericamente representada pela equação;

2 H2O + CO2 = CH2O + H2O + 02

Mas como a glicose é o carboidrato representado na fotossíntese a equação passa a ser:

12 H2O + 6CO2 = C6H1206 = 6H2O = 6O2

O CLOROPLASTO

Para entender toda a complexidade do processo fotossintético, é necessário conhecer o local onde ele ocorre nos seres eucarióticos: o cloroplasto. Essa estrutura é uma organela de cor verde devido a presença predominante do pigmento clorofila.

Os cloroplastos podem ter tamanhos diferentes e ocorrem em quantidades variáveis nas células.

A estrutura do cloroplasto pode ser analisada em três componentes principais: envoltório, tilacoide e estroma.

Envoltório é a parte externa do cloroplasto, formado por duas membranas que delimitam essa organela. As moléculas de clorofila estão localizadas na membrana interna do cloroplasto. Nos cloroplastos desenvolvidos, essa membrana forma pequenas vesículas com o formato de discos achatados denominados tilacoides. É nos tilacoides que ocorre a etapa fotoquímica da fotossíntese. Os tilacoides podem se organiza-se  em pilhas. Cada pilha é chamada de granum, e a totalidade das pilhas de um cloroplasto recebe o nome de grana.

Preenchendo o espaço entre o envoltório e os tilacoides encontra-se uma substancia gelatinosa, o tilacoides. Ele contem ribossomos, DNA e RNA, responsáveis pela síntese de certas proteínas do cloroplastos.

ETAPAS DA FOTOSSÍNTESE

Embora a luz seja essencial para a fotossíntese, uma parte do processo de ocorrer mesmo no escuro. Isso acontece por que a fotossíntese envolve duas etapas distintas e interdependentes, denominadas etapas fotoquímica e química. Cada uma delas possui características diferentes e ocorre em locais distintos de cloroplasto.

ATP E FOFOSSÍNTE

O ATP (trifosfato de adenosina) é um molécula importante nos processos de transferência de energia.

A fotossíntese é uma reação endotérmica, pois a energia dos reagentes (água e dióxido de carbono) é menor que a energia de seus produtores. Por isso, é necessário fornecer energia. O ATP é a molécula que fornece energia para a fotossíntese.

Etapa fotoquímica

Essa etapa da fotossíntese também denominada fase clara ou fase escura. Como o nome sugere, ela compreende um conjunto de reações que dependem diretamente da luz. A etapa fotoquímica ocorre nos tilacoides dos cloroplastos, na presença de luz.

O processo inicia-se quando a luz excita elétrons de moléculas de clorofila. Os elétrons excitados se desprendem da molécula e serão utilizados para a formação de ATP a partir do ADP (difosfato de adenosina) e de fosfato inorgânico. Portanto, a fase fotoquímica da fotossíntese é responsável pela transformação da energia luminosa em energia química em forma de ATP.

Ainda sob ação da luz, ocorre um reação denominada fotólise da água,  a molécula de água é quebrada, liberando átomos de oxigênio.

 Alem disso, o hidrogênio liberado da molécula de água se  funde a molécula  de NADP (nicotinamida adenina dinucleotídio fosfato), reduzindo-se a NADPH².

A etapa fotoquímica da fotossíntese, portanto, gera gás oxigênio, produz ATP e NADPH².

De onde provem o gás oxigênio

Por muito tempo se pensou que o oxigênio liberado pela fotossíntese era originado do dióxido de carbono (CO²). Em 1941, os cientistas Berkeley e Samuel Ruben realizaram experimentos mostrando que, na verdade, o oxigênio liberado resultava da quebra da molécula de água, e não do CO². esses experimentos utilizavam átomos radiativos de oxigênio. Esses átomos são chamados de isótopos, por que tem o mesmo numero atômico do oxigênio comum.

Etapa Fotoquímica

Também conhecida como fase escura, essa etapa da fotossíntese ocorre tanto na presença como na ausência de luz. Embora seja formada por um conjunto de reações que não dependem da luz, a etapa química depende diretamente das substancias produzidas durante a fase fotoquímica. Essa etapa ocorre no estroma dos cloroplastos.

Em comparação com a fase fotoquímica a etapa química é mais lenta. Diversas enzimas fazem parte do processo, por isso ela também é denominada etapa enzimática.

As reações que ocorrem nessa etapa aproveitam a energia da fase luminosa para assimilar o carbono dos gás carbônico. Com isso ocorre a formação de moléculas orgânicas em um processo conhecido como fixação do carbono.

As moléculas de NADPH2 e de ATP formadas na etapa luminosa são utilizadas nessa etapa durante as reações de fixação do carbono para a formação de carboidratos.

ENERGIA LUMINOSA

A luz do Sol, composta por diferentes comprimentos de onda, é a formada primaria de energia radiante que incide na Terra. Ela ilumina e aquece o plante e pode ser captada pelos seres vivos fotossintetizantes. O olho humano só consegue distinguir uma parcela desses comprimentos de onda, entre 400 e 700 nanômetros aproximadamente.

Comprimentos de onda acima ou abaixo dessa faixa não são visíveis pelo olho humano. Entre os comprimentos de onda baixo de 400 nm., estão o ultravioleta, os raios X e os raios gama. O infravermelho, as micro-ondas e as ondas estão acima de 700 nm.

O ESPECTRO DE LUZ VISÍVEL

A luz solar, ao passar por um prisma, decompõe-se em várias cores popularmente denominadas “cores do arco Iris”. Cada cor equivale a uma determinada faixa de comprimento de onda.

Por exemplo a cor verde tem o comprimento em torno de 540nm., a cor violeta , que tem o comprimento menor corresponde a  400nm. e a maior, o vermelho que tem 700nm. de comprimento.

Ao chegar as plantas e outros seres fotossintetizantes, a luz solar é captada, absorvida ou refletida por diferentes moléculas denominadas pigmentos.

PIGMENTOS FOTOSSÍNTETIZANTES

Os pigmentos são substancias que absorvem luz, dependendo do grupo vegetal ou do organismo, certos pigmentos poderão ser mais abundantes. Os principais grupos de pigmentos são os carotenos, xantofilas, ficobilinas e clorofilas.

Os carotenos e as xantofilas são pigmentos que absorvem comprimentos de luz de 380nm. a 500nm., tem colorações que variam do amarelo ao vermelho. São encontrados em algas pluricelulares e plantas.

As xantofilas são pigmentos amarelados presentes em algas e algumas plantas, conferindo coloração as suas folhas.

As ficobilinas são pigmentos que absorvem comprimentos de luz de 500nm. a 700nm. podem ser de coloração azul no vermelha, são encontrados nas cianobactérias e algas pluricelulares vermelhas.

As clorofilas são pigmentos verdes mais abundantes em todos os seres autótrofos.

Existem quatro tipos de clorofila, identificado como a,b,c e d. Desde, a clorofila a esta presente em praticamente todos os organismos fotossintetizantes. A clorofila b, nas algas verdes e nas plantas. A clorofila c é encontrada em algas douradas e algas pardas. A clorofila d ocorre apenas em algas vermelhas.

            ETAPA FOTOQUÍMICA

A clorofila tem estrutura molecular com duas regiões distintas, uma região circular, com um átomo central de magnésio ou região hidrofílica e outra região formada por uma longa cauda de carbono e hidrogênio ou região hidrofóbica. A região hidrofílica da clorofila fica voltada para o estroma, enquanto a região hidrofóbica fica imersa na membrana dos tilacoides.

Nos cloroplasto, as moléculas de clorofila e de outros pigmentos agrupam-se em conjuntos de centenas de unidades na membrana dos tilacoides. São denominados complexos antena, pois funcionam como verdadeiros captadores de luz.

A energia luminosa captada pelas moléculas de pigmentos é conduzida as moléculas vizinhas até o centro de reação, onde existe um par de moléculas especiais de clorofila a. o conjunto formado pelo cento de reação e pelos complexos antena chama-se fotossistema.

A energia vinda das antenas excita os elétrons das moléculas de clorofila no centro de reação. Um elétron de cada molécula atinge um nível de energia mais alto e é captado por um receptor adequado.

A transferência de elétrons faz com que cada centro de reação fique com um elétron a menos. Esse centros atraem novos elétrons.

1.      Fotossistemas

a dois tipos de fotossistemas PSI e PSII, que diferem quanto a capacidade de absorver a luz e quanto a posição que ocupam nas membranas dos tilacoides.

1.2. O fotossistema PS-I localiza-se com mais freqüência nas membranas dos tilacoides em contato direto com o estroma. O centro de reação PS-I é uma clorofila a que absorve um comprimento de onda de 700nm.

1.3. O fotossistema PS- II ocorre nos grana. Seu centro de reação é uma clorofila a que absorve comprimento de luz de 680nm.

FOTOFOSFORILAÇÃO

A fotofosforilação é a adição de fosfato em presença de luz. Nesse processo há formação de ATP pela fosforização do ADP, ou seja, ocorre transformação da energia luminosa em energia química, que é armazenada nas moléculas de ATP. A fotofosforilação  pode ser cíclica ou acíclica.

ü  Fotofosforilação acíclica

Nessa etapa fotofosforilativa, há participação das clorofilas P700 e P680. A denominação acíclica, nesse caso, deve-se ao destino dos elétrons perdidos pela clorofila, elas não retornam a molécula original.

Ao serem excitados pela luz, os elétrons da clorofila P680, escapam das moléculas e são recebidos pela plastoquinoma, molécula que funciona como um aceptor primário de elétrons. Esses elétrons perdem energia, que será utilizada para a produção de ATP.

Da plastoquinoma, os elétrons são enviados para P700 por meio de transportadores. A clorofila P700 tem nível energético maior do que a P680. Ao serem ativados pela luz, os elétrons da clorofila do PS- I escapam da molécula, sendo recebidos por outro aceptor primário, a ferrodoxina. Parte da energia deles será utilizada para a produção de NADPH2 a partir de NADP. Os elétrons perdidos da P680 são repostos  pela fotólise de água, enquanto os perdidos da P700 são repostos  pelos oriundos da P680.

ü  Fotofosforilação cíclica

Apenas c clorofila P700 participa desse processo bioquímico. O sistema é chamado cíclico por que os elétrons retornam a molécula de onde saíram.

Eles retornam por meio de diversos citocromos, que são transportadores de elétrons, os elétrons captados anteriormente pela ferredoxina voltam a condição energética original, sendo novamente encaminhados para a clorofila a P700. Na fotofosforilação cíclica, portanto, também ocorre a produção de ATP, mas não ocorre a quebra de moléculas de água nem produção de NADPH2. 

FIXAÇÃO DO CARBONO

É nesta etapa química da fotossíntese que ocorre a formação dos compostos orgânicos, como a glicose, esse mecanismo envolve uma sequência cíclicas de reações, conhecida como ciclo de Calvin- Benson ou ciclo das pentoses que ocorre no estroma do cloroplastos.

Embora esse mecanismo ocorra sem a presença de luz, ele depende das reações envolvidas na etapa fotoquímica, já que são necessários ATP e NADPH², que somente são formados na presença de luz.

O ciclo inicia-se com a molécula de CO2 que tem um carbono. Esse átomo de carbono é fixado por um enzima denominada Ribulose difosfato RuDP, cada RuDP é formada por cinco carbonos que se juntando com outra molécula de carbono dá origem a  uma hexose, nesse ponto nos temos então seis carbonos, que será quebrada e formará duas moléculas de acido fosfoglicérico PGA, cada uma contendo três carbonos, o PGA é transformado em acido difosfoglicérico DPGA, durante essa transformação ocorre consumo de energia onde que a molécula de ATP é hidrolisada em ADP, em seguida a molécula de DPGA é transformada em fosfogliceraldeído  PGAld, e novamente ocorre consumo de energia onde a molécula de NADPH² é quebrada em NADP.

Cerca de cinco fosfogliceraldeído continuará dentro ciclo, sendo utilizado para a regeneração da Ribulose difosfato, e apenas uma dará origem á glicose, na qual poder ser formados amido, sacarose entre outros, quando uma molécula de CO2 completa uma volta no ciclo de Calvin ela é reduzida, ao mesmo tempo, uma molécula de Ribulose difosfato é regenerada. São então, necessárias seis voltas no ciclo, nessas condições, para que uma molécula de glicose seja produzida. (C₆H₁₂O₆)

QUIMIOSSÍNTESE

A quimiossíntese é um fenômeno biológico semelhante a fotossíntese, nos dois processos ocorre a síntese de substancias mais complexas com base em substancias simples, com o envolvimento de algum tipo de energia. Enquanto a fotossíntese utiliza energia luminosa, a quimiossíntese utiliza a energia liberada em reações químicas que ocorrem somente em certas bactérias autótrofas. Denominadas quimiossintetizantes.

Esses seres obtém energia química por meio de compostos inorgânicos, que são oxidados, ou seja, reagem com o oxigênio. Com a oxidação, ocorre a liberação de energia química, posteriormente utiliza para a formação dos compostos orgânicos e a liberação de gás oxigênio.

Na natureza, vários compostos inorgânicos são utilizados pelas bactérias qumiossintetizantes, destacado o Ferro (Fe), o acido sulfídrico (H2S), o íon amônio (NH4) e o nitrito (NO2).

As bactérias que conseguem oxidar o oxido ferroso a oxido férrico, como a Cremothix, são comuns em águas acidas residuais de minas e jazidas de ferro, são denominadas ferrobactérias.

4Fe + 3O2 = 2Fe2O3 + energia química

As sulfobactérias ou tiobactérias podem ser encontradas em fontes termais, em água minerais com enxofre e nas profundezas oceânicas. Um exemplo é a Thiobacillus que oxida o ácido sulfídrico a enxofre livre.

2H2S + O2 = 2H2O + 2S + energia química