fotossíntese

Você tem abraçado as árvores ultimamente? Se não, pense um pouco no assunto. Você, juntamente com o resto da população humana, deve sua existência às plantas e outros organismos que capturam luz. Na verdade, a maioria da vida na terra é possível porque o sol fornece um suprimento contínuo de energia aos ecossistemas.

Todos os organismos, incluindo os seres humanos, precisam de energia para conduzir as reações metabólicas de crescimento, desenvolvimento e reprodução. Mas os organismos não podem usar a energia luminosa diretamente para as suas necessidades metabólicas. Em vez disso, eles devem primeiro convertê-la em energia química através do processo de fotossíntese.

O que é fotossíntese?

A fotossíntese, é o processo no qual a energia luminosa é convertida em energia química na forma de açúcares. Em um processo alimentado por energia luminosa, moléculas de glicose (ou outros açúcares) são construídas a partir de água e dióxido de carbono, e oxigênio é liberado como um subproduto. As moléculas de glicose fornecem aos organsimos dois recursos indispensáveis: energia e carbono – fixado – orgânico.

Energia. As moléculas de glicose servem como combustível para as células: sua energia química pode ser extraída através de processos comorespiração celular e fermentação, que geram o trifosfato de adenosina — \text{ATP}ATPA, T, P, uma pequena molécula transportadora de energia — para as necessidades energéticas imediatas da célula.
Carbono fixado. Carbono do dióxido de carbono – carbono inorgânico – pode ser incorporado em moléculas orgânicas; este processo é chamado de fixação de carbono e o carbono em moléculas orgânicas também é chamado de carbono fixado. O carbono que é fixado e incorporado nos açúcares durante a fotossíntese pode ser usado para construir outros tipos de moléculas orgânicas necessárias para as células.

Na fotossíntese, a energia solar é coletada e convertida em energia química na forma de glicose usando água e dióxido de carbono. O oxigênio é liberado como um subproduto.

A importância ecológica da fotossíntese

Os organismos fotossintéticos, incluindo as plantas, algas e algumas bactérias, desempenham um papel ecológico fundamental. Eles introduzem energia química e carbono fixado nos ecossistemas usando luz para sintetizar açúcares. Como estes organismos produzem seu próprio alimento — ou seja, fixam o seu próprio carbono — usando a energia luminosa, eles são chamados de fotoautótrofos (literalmente, seres que se autoalimentam que usam luz).

Os seres humanos e outros organismos que não conseguem converter dióxido de carbono em compostos orgânicos são chamados de heterótrofos, que significa alimentados por outros. Os heterótrofos precisam obter carbono fixado pela ingestão de outros organismos ou seus subprodutos. Os animais, fungos e muitos procariontes e protistas são heterótrofos.

[Leia mais sobre autótrofos e heterótrofos.]

Além da introduzir carbono fixado e energia nos ecossistemas, a fotossíntese também afeta a composição da atmosfera da Terra. A maioria dos organismos fotossintetizantes produz gás oxigênio como um subproduto, e o advento da fotossíntese – cerca de 333 bilhões de anos atrás, em bactérias semelhantes às modernas cianobactérias – mudou para sempre a vida na Terra. Estas bactérias gradualmente liberaram oxigênio na atmosfera da Terra que era pobre deste gás e acredita-se que o aumento da concentração de oxigênio influenciou a evolução das formas de vida aeróbicas – organismos que usam oxigênio para a respiração celular. Se não fossem esses antigos fotossintetizadores, nós, assim como muitas outras formas de vida na Terra, não estaríamos aqui hoje!

Os organismos fotossintéticos também removem grandes quantidades de dióxido de carbono da atmosfera e usam os átomos de carbono para construir moléculas orgânicas. Sem a abundância de plantas e algas da Terra retirando continuamente o dióxido de carbono, esse gás se acumularia na atmosfera. Apesar de os organismos fotossintéticos removerem uma parte do dióxido de carbono produzido pelas atividades humana, seus crescentes níveis atmosféricos estão retendo o calor e provocando alterações climáticas. Muitos cientistas acreditam que a preservação das florestas e outras extensões de vegetação é cada vez mais importante para combater este aumento nos níveis de dióxido de carbono.

As folhas são os locais de fotossíntese

As plantas são os autótrofos mais comuns nos ecossistemas terrestres. Todos os tecidos de plantas verdes podem fotossintetizar, mas na maioria das plantas, a maior parte da fotossíntese normalmente acontece nas folhas. As células numa camada intermediária do tecido foliar chamada de mesofiloformam a região primária da fotossíntese.

Pequenos poros chamados de estômatos são encontrados na superfície das folhas da maioria das plantas e eles permitem que o dióxido de carbono se difunda para dentro do mesofilo e o oxigênio para fora.

Um diagrama mostrando uma folha em ampliações crescentes. Ampliação 1: Folha inteira Amplicação 2: tecido mesófilo de uma folha Ampliação 3: Uma única célula mesófila Ampliação 4: Um cloroplasto dentro de uma célula mesófila Ampliação 5: Pilha de tilacoides – grana – e o estroma de um cloroplasto

Crédito da imagem: modificada de “Overview of photosynthesis: Figure 6” por OpenStax College, Concepts of Biology, CC BY 3.0

Cada célula do mesofilo contém organelas chamadas cloroplastos, que são especializados em realizar as reações de fotossíntese. Dentro de cada cloroplasto, estruturas na forma de discos chamadas tilacóides estão organizadas em pilhas, como numa pilha de panquecas, que são conhecidas como grana – plural de granum. A membrana de cada tilacoide contém pigmentos esverdeados chamados de clorofilas que absorvem luz. O espaço que envolve as grana é preenchido com um fluido e é chamado de estroma, e o espaço dentro dos discos do tilacoides são conhecidos como espaço interior do tilacoide. Diferentes reações químicas ocorrem nas diferentes partes do cloroplasto.

As reações dependentes de luz e o ciclo de Calvin

A fotossíntese nas folhas das plantas envolve muitas etapas, mas pode ser dividia em dois estágios: as reações dependentes de luz e o ciclo de Calvin.

As reações dependentes de luz ocorrem na membrana do tilacoide e requerem um suprimento contínuo de energia luminosa. As clorofilas absorvem esta energia, que é convertida em energia química através da formação de dois compostos, \text{ATP}ATPA, T, P – uma molécula que armazena energia – e \text{NADPH}NADPHN, A, D, P, H – um transportador reduzido de elétron. Neste processo, moléculas de água também são convertidas em gás oxigênio – o oxigênio que respiramos!
O ciclo de Calvin, também chamado de reações independentes de luz, ocorre no estroma e não necessita diretamente de luz. Em vez disso, o ciclo de Calvin usa \text{ATP}ATPA, T, P e \text{NADPH}NADPHN, A, D, P, H das reações dependentes de luz para fixar o dióxido de carbono e produzir açúcares de três carbonos – moléculas de gliceradeído-3-fosfato, ou G3P – que se juntam para formar a glicose.

Diagrama das reações dependentes de luz e do ciclo de Calvin e de como eles estão ligados.

As reações dependentes de luz ocorrem na membrana do tilacoide. Elas requerem luz e seu efeito resultante é converter moléculas de água em oxigênio, enquanto produzem moléculas de ATP – a partir do ADP e Pi – e moléculas de NADPH – via redução do NADP+.

O ATP e NADPH são produzidos na membrana do tilacoide no lado voltado para o estroma, onde eles podem ser usados pelo ciclo de Calvin.

O ciclo de Calvin acontece no estroma e usa o ATP e NADPH das reações dependentes de luz para fixar dióxido de carbono, produzindo açúcares de três carbonos – moléculas de gliceraldeído-3-fosfato, ou G3P.

O ciclo de Calvin converte ATP em ADP e Pi, e converte NADPH em NADP+. O ADP, Pi e NADP+ podem ser reutilizados como substratos nas reações dependentes de luz.

Crédito da imagem: modificado de “Overview of photosynthesis: Figure 6” por OpenStax College, Biology, CC BY 3.0

No geral, as reações dependentes de luz capturam energia luminosa e a armazenam temporariamente nas formas químicas de \text{ATP}ATPA, T, P e \text{NADPH}NADPHN, A, D, P, H. Então, o \text{ATP}ATPA, T, P é quebrado para liberar energia, e o \text{NADPH}NADPHN, A, D, P, H doa seus elétrons para converter moléculas de dióxido de carbono em açúcares. No fim, a energia que começou como luz termina retida nas ligações dos açúcares.

Fotossíntese vs. respiração celular

Em nível das reações gerais, a fotossíntese e a respiração celular são processos quase opostos. Eles diferem apenas na forma de energia absorvida ou liberada, como mostrado no diagrama abaixo.

Em um nível simplificado, a fotossíntese e a respiração celular são reações opostas entre si. Na fotossíntese, a energia solar é captada na forma de energia química em um processo que converte água e dióxido de carbono em glicose. O oxigênio é liberado como subproduto. Na respiração celular, o oxigênio é usado para quebrar a glicose, liberando energia química e calor no processo. Dióxido de carbono e água são os produtos desta reação.

Em nível de etapas individuais, a fotossíntese não é apenas a respiração celular no sentido contrário. Ao invés disso, como veremos no resto desta seção, a fotossíntese ocorre em sua própria sequência única de etapas. Entretanto, há algumas semelhanças notáveis entre a fotossíntese e a respiração celular.

Por exemplo, a fotossíntese e a respiração celular envolvem uma série de reações redox (reações que envolvem a transferência de elétrons). Na respiração celular, os elétrons fluem da glicose para o oxigênio, formando água e liberando energia. Na fotossíntese, eles vão na direção oposta, começando na água e terminando na glicose – um processo que requer energia que é fornecida pela luz. Como a respiração celular, a fotossíntese também usa uma cadeia de transporte de elétrons para fazer um gradiente de concentração de \text{H}^+H+H, start superscript, plus, end superscript, que dirige a síntese de \text{ATP}ATPA, T, P através da quimiosmose.

Se estas coisas não soam familiares, não se preocupe! Você não precisa conhecer a respiração celular para entender a fotossíntese. Apenas continue lendo e assistindo e você aprenderá todos os detalhes deste processo mantenedor da vida.