Como ocorre a fotossíntese

O que é a fotossíntese , qual a importância dela para nós seres vivos e quais os fatores que a influenciam? Você pode descobrir tudo isso neste post. 

Fotossíntese simplesmente explicada    

Por fotossíntese (oxigênica) você pode entender um processo metabólico que capta a energia da luz solar e a converte em açúcar rico em energia (dextrose) e oxigênio ( ). Além da luz , plantas verdes , algas ou cianobactérias precisam de dois ingredientes inorgânicos de baixa energia para isso: dióxido de carbono ( ) do ar e água ( ).

É uma reação autotrófica . Por autótrofo (grego antigo: ” autos ” = self; ” trophe ” = “nutrição”) você pode entender que as próprias substâncias ricas em energia do corpo   podem ser produzidas exclusivamente a partir de substâncias inorgânicas que são estranhas ao corpo.

A fotossíntese ocorre em plantas nos cloroplastos .

Você pode descrevê-los com a seguinte fórmula de fotossíntese : fórmula da fotossíntese 

6  + 6    + 6  

Você pode dividir a fotossíntese em dois subprocessos :

• a reação dependente da luz
• e a reação independente de luz   (ciclo de Calvin).

A reação da luz (reação primária) converte a energia da luz em energia química (ATP, NADPH) . A reação escura então usa essa energia química para construir compostos de alta energia como açúcares. Os açúcares estão disponíveis para as plantas como fonte de energia para crescimento ou transporte, por exemplo, e são úteis para nós humanos como base para alimentação.

O que é fotossíntese?  

Fotossíntese, traduzida do grego, significa ” síntese da luz ” ( phos = luz, syn = junto e tese = juntar). produzem dióxido de carbono ( ) e água ( ) açúcar (glicose:  ) e oxigênio ( ).

Para o básico da fotossíntese , também temos um post extra para você! Aqui explicamos-lhe de forma muito simples, o seu processo e o seu significado! 

As plantas obtêm o ingrediente água das raízes e dióxido de carbono do ar através de aberturas nas folhas. Como é prático que nós (e, claro, muitas outras criaturas também) precisemos de açúcar e oxigênio para viver e que esses produtos importantes emerjam dos resíduos da respiração celular (dióxido de carbono e água). 

Neste caso, é a fotossíntese oxigenada praticada por plantas verdes, algas e cianobactérias. Como você pode ver pelo nome, o oxigênio é produzido aqui. A contrapartida é a fotossíntese anoxigênica ( anoxy: an = “não” e oxys = “azedo”), que é realizada por algumas bactérias. Em vez de oxigênio, outras substâncias inorgânicas como o enxofre (S) são formadas. Neste artigo, no entanto, queremos nos limitar à fotossíntese oxigenada. 

Você já conhece a fórmula geral da fotossíntese . Isto é:equação da fotossíntese

6  + 6    + 6  

Especialistas em química provavelmente já notaram que esta é uma reação redox – ou seja, uma reação de redução-oxidação: a água é oxidada em oxigênio pela perda de elétrons (=oxidação) . No entanto, uma oxidação nunca ocorre sem uma redução, ou seja, um parceiro que também absorve os elétrons emitidos. É por isso que o dióxido de carbono reage absorvendo elétrons (=redução) para formar açúcar de uva (glicose). 

Na reação da luz, a energia da luz é convertida em energia química na forma do transportador de energia universal ATP e da molécula transportadora de elétrons NADPH . A energia química é então fornecida à reação independente da luz (ciclo de Calvin/reação escura). Garante o acúmulo de substâncias ricas em energia (açúcares) a partir do dióxido de carbono no ar. 

Cloroplastos – local da fotossíntese

Tanto a reação clara quanto a reação escura ocorrem nos cloroplastos das células vegetais. Eles são o local da fotossíntese. Você pode imaginar organelas celulares com apenas alguns micrômetros de tamanho , que, como as mitocôndrias , consistem em uma membrana dupla. Uma única célula às vezes tem muitas centenas de cloroplastos.

No interior, os cloroplastos também apresentam invaginações de membrana (= membrana tilacóide), que você pode chamar de tilacóides . Vários tilacóides formam pilhas, os chamados  grana  (sg.: granum). A reação da luz ocorre na membrana tilacóide. 

A reação escura, por outro lado, ocorre no estroma dos cloroplastos. Essa substância fundamental líquida se assemelha ao citosol de toda a célula. Dentro dele encontram-se tilacóides individuais, os estromatilacóides, ribossomos, DNA e grânulos de amido . Estes podem armazenar o açúcar produzido após a fotossíntese, alguns dos quais são armazenados como amido. 

equilíbrio da fotossíntese   

Vamos dar uma olhada no equilíbrio da fotossíntese .

Na reação da luz, ocorre uma reação de oxidação da água para o oxigênio . Ao mesmo tempo, o transportador de energia ATP e a molécula transportadora de elétrons NADPH são formados. Você pode formular a equação bruta da reação da luz da seguinte forma: Equação bruta da reação da luz

12 + 12 NADP ⁺ + 18 ADP + 18 Pi ₆   + 12 NADPH + 12 H ⁺ + 18 ATP 

NADPH e ATP são necessários na reação escura subsequente (ciclo de Calvin) para converter (reduzir) o dióxido de carbono em glicose . Isso cria ADP (difosfato de adenosina ) e NADP ⁺ , que ficam novamente disponíveis para a reação de luz. A equação bruta do ciclo de Calvin é: Equação bruta da reação no escuro

6 + 12 NADPH + 12 H ⁺ + 18 ATP      + 12 NADP ⁺ + 18 ADP + 18 Pi ₊ 6

Se agora somarmos as duas equações (e reduzirmos as substâncias que ocorrem em ambos os lados), obteremos a seguinte equação total da fotossíntese : Equação total (= adição de reação clara e escura)

6  + 6    + 6  

significado da fotossíntese  

A fotossíntese tem um grande impacto na vida humana, vegetal e animal porque sem ela não teríamos nada para comer e respirar. A glicose é o bloco de construção básico a partir do qual muitas outras substâncias, como frutose (açúcar de frutas), celulose ou amido , podem ser produzidas. Estes estão disponíveis para nós humanos na forma de frutas e vegetais ou em processamento adicional como pão ou papel. 

A maioria das moléculas de açúcar obtidas através da fotossíntese é utilizada pela planta para cobrir suas próprias necessidades energéticas . Ele ganha energia quebrando as substâncias de alta energia na respiração celular (= catabolismo ). A energia que contém pode ser armazenada em forma química (ATP) e usada para processos de transporte ou crescimento de plantas. 

Se as plantas agora produzem mais glicose em condições favoráveis ​​do que precisam para suas próprias necessidades energéticas, elas têm a oportunidade de converter esse excesso de glicose em quase todas as outras substâncias vegetais (= anabolismo ). 

processo de fotossíntese  

A seguir, explicamos o processo de fotossíntese nas plantas. Como você já aprendeu, você pode dividi-las em reação clara e reação escura (ciclo de Calvin )  .

Se você quiser saber mais sobre as reações individuais, assista nossos vídeos. Mas aqui você tem uma ótima visão geral: 

reação à luz 

O objetivo da reação da luz é converter a energia radiante da luz solar em energia química (ATP e NADPH) em várias etapas da reação. Eles representam os pré-requisitos materiais para a subsequente reação escura, a fim de construir açúcares.

A reação à luz, como o próprio nome já diz, requer luz – mais especificamente, a parte da luz solar que é visível aos nossos olhos humanos . Está em uma faixa de comprimento de onda de 400 – 700 nm. Este é um dos pré-requisitos mais importantes para que a fotossíntese ocorra.

Mas a luz sozinha não pode produzir energia quimicamente utilizável. Para isso, precisa de moléculas específicas que possam absorver (= absorver ) essa energia luminosa ( fótons ) e transmiti-la. Certas moléculas de pigmento , como o pigmento verde clorofila , são responsáveis ​​por isso. Está localizado nos chamados fotossistemas (complexos multienzimáticos) na membrana tilacóide dos cloroplastos.

Dois fotossistemas diferentes estão envolvidos na reação da luz: fotossistema I e fotossistema II . A reação da luz começa com o fotossistema 2. Aqui, uma molécula especial de clorofila (=par especial) é tão fortemente excitada com a luz que emite seu elétron (=oxidação). Para fechar essa lacuna de elétrons, ele absorve um elétron da água, que é dividido por um complexo enzimático de divisão de água em oxigênio, íons de hidrogênio (H ⁺ ) e elétrons (e ^– ) (= fotólise da água). 

  1/2  + 2 e^– + 2 H⁺

transporte linear de elétrons

O elétron liberado pela molécula de clorofila é agora transportado para o fotossistema I por outros sistemas redox na membrana. Eles absorvem os elétrons (=redução) e os liberam novamente (=oxidação). Essa estrutura parece familiar para você? Você está certo, porque se assemelha à cadeia respiratória na membrana mitocondrial.

Você também pode se referir ao transporte de elétrons como cadeia de transporte de elétrons ou transporte linear de elétrons . Chegados ao fotossistema I, análogo ao fotossistema II, os elétrons são liberados através da excitação luminosa. A molécula especial de clorofila no centro de reação doa um elétron para outro aceptor de elétrons. A lacuna de elétrons resultante na molécula de clorofila pode agora ser fechada novamente pelo elétron transportado na cadeia de transporte de elétrons.

Agora chegamos ao elo final da cadeia de transporte de elétrons – a enzima NADP ⁺ redutase . Ele agora transfere o elétron perdido da clorofila junto com outro elétron e um próton de hidrogênio (H ⁺ ) para NADP ⁺ , que é assim reduzido a NADPH. 

NADP⁺ + H⁺ + 2 e^–  NADPH 

A cadeia de transporte de elétrons é uma sequência de reações redox nas quais muita energia é liberada (= exergônica ). A ATP sintase usa parte dessa energia livre para produzir ATP (= fotofosforilação) . Você pode pensar nisso como uma proteína de canal que está por trás da cadeia de transporte de elétrons e funciona como uma espécie de motor rotativo. 

Transporte cíclico de elétrons

Além do transporte linear de elétrons que acabamos de discutir, o transporte cíclico de elétrons também ocorre sob certas condições . Como o nome sugere, isso tem um caminho de reação circular. É importante lembrar que esse transporte de elétrons é usado exclusivamente para a formação de ATP . Nem oxigênio nem NADPH são produzidos. É, portanto, usado exclusivamente para a geração de energia. 

À primeira vista, a rota de transporte parece bastante ineficiente porque não forma oxigênio ou NADPH. Uma razão pela qual ainda ocorre é  que muitas vezes é necessário mais ATP do que pode ser fornecido pela via não cíclica. O transporte cíclico de elétrons começa e termina no fotossistema I. 

O elétron liberado pela excitação luminosa é transferido entre PSII e PSI  via sistemas redox na cadeia de transporte de elétrons e retornado ao centro de reação do fotossistema I. A molécula de clorofila que ele contém pode assim absorver o elétron e retornar à sua forma original sem carga. 

A energia liberada durante o transporte de elétrons pode ser convertida em ATP usando ATP sintase. 

Ciclo de Calvin (reação escura)  

A reação escura ou o ciclo de Calvin agora garante que os açúcares de alta energia possam ser construídos com a ajuda da energia química da reação da luz e do dióxido de carbono do ar. 

Esquema do ciclo de Calvin

O esquema do ciclo de Calvin é o seguinte: o dióxido de carbono do ar se difunde nas plantas através dos poros – os estômatos ou estômatos – nas folhas e daí para os cloroplastos. É aqui que ocorre a reação independente da luz ou ciclo de Calvin. 

Várias enzimas agora garantem que os átomos de carbono do dióxido de carbono sejam construídos em uma sequência de reação que ocorre em um ciclo (= fixação de dióxido de carbono ) e que compostos estáveis ​​e de alta energia, como moléculas de açúcar, possam ser produzidos a partir deles. 

Como o nome reação escura ou reação independente da luz indica, nenhuma luz é necessária para esta sequência de reação. No entanto, isso é um pouco enganoso, porque nenhuma reação escura pode ocorrer sem a reação anterior à luz. Lá, a energia luminosa deve primeiro ser convertida em energia química – ATP e NADPH – por meio de um desvio. Essas fontes de energia permitem então a reação do dióxido de carbono à glicose. 

Fases do ciclo de Calvin

Você pode dividir o ciclo de Calvin em 3 fases : A fase de fixação do dióxido de carbono , a fase de redução e a fase de regeneração . 

1. Na fase de fixação, o dióxido de carbono é primeiro ligado (=fixado) a uma molécula aceitadora (ribulose-1,5-bifosfato). Essa reação é catalisada por uma enzima chamada RuBisCo .

2.  Na fase de redução subsequente, ocorre agora uma reação de redução química (= absorção de elétrons). Aqui, os produtos da reação de luz ATP e NADPH são consumidos e agora estão disponíveis novamente para a reação de luz como ADP e NADP ⁺ . Os açúcares podem agora ser formados a partir do produto de redução (gliceraldeído-3-fosfato) em inúmeras reações de conversão.

3.  A fase de regeneração serve agora para restaurar o aceitador de CO ₂ para que o ciclo possa recomeçar. 

Equilíbrio do Ciclo de Calvin

Vejamos o equilíbrio do ciclo de Calvin: Uma molécula de glicose ( ) consiste em 6 átomos de carbono, o que significa que são necessárias 6 moléculas de dióxido de carbono . Isso requer  6 revoluções do ciclo de Calvin e um gasto energético de 18 moléculas de ATP e 12 moléculas de NADPH . 

Você pode, portanto, formular  a equação grosseira da reação escura da seguinte forma:Equação bruta da reação no escuro

6 + 12 NADPH + 12 H ⁺ + 18 ATP      + 12 NADP ⁺ + 18 ADP + 18 Pi ₊ 6

Fotorrespiração

Você já conhece a enzima RuBisCO . No entanto, ele também possui outra propriedade que você também pode derivar de seu nome. Além da fixação de dióxido de carbono (= carboxilação), também pode fixar oxigênio (= oxigenação) . Você também pode chamar esse processo de fotorrespiração . 

É, no entanto, um processo bastante dispendioso, uma vez que o ciclo de Calvin então essencialmente “perde” um átomo de carbono. Desta forma, muito menos carboidratos podem ser sintetizados. 

A fotorrespiração é particularmente comum em dias quentes e secos porque as plantas precisam fechar seus estômatos para evitar que a água evapore. No entanto, isso também significa que pouco dióxido de carbono pode entrar nas plantas a partir do ar e o teor de oxigênio aumenta em comparação com o teor de dióxido de carbono nas células. Isso, por sua vez, significa que a enzima RuBisCO se liga ao oxigênio com mais frequência. 

C ₄ – e plantas CAM

A fim de neutralizar esses efeitos de desperdício da fotorrespiração, algumas plantas – as chamadas plantas C ₄ – ou CAM – desenvolveram estratégias especiais em locais quentes e secos. O objetivo dessas estratégias é que a enzima RuBisCO esteja sempre exposta a uma alta concentração de dióxido de carbono para que não tenha a oportunidade de se ligar ao oxigênio. 

plantas C4 _{_}

As plantas C ₄ (por exemplo, milho) garantem que o ciclo de Calvin real seja precedido por um caminho de reação. Ele garante que o dióxido de carbono seja incorporado em outra molécula e só então seja introduzido no ciclo de Calvin. Ao contrário da RuBisCo, a enzima que decompõe o dióxido de carbono (PEP carboxilase) não consegue fixar o oxigênio. As plantas C _{4 asseguram uma} separação espacial entre a pré-fixação de dióxido de carbono e o ciclo de Calvin real. 

Plantas CAM

As plantas CAM (por exemplo, abacaxi) também usam essa via de reação a montante, embora essa pré-fixação e o ciclo de Calvin ocorram nelas em momentos diferentes . Como a perda de água é menor à noite devido às temperaturas mais baixas, essas plantas só abrem seus estômatos à noite. O produto pré-fixado (ácido málico) é armazenado no vacúolo e durante o dia o dióxido de carbono separado dele pode ser canalizado para o ciclo de Calvin.

Fotossíntese

Para determinar o poder da fotossíntese, podemos determinar a taxa de fotossíntese . 

Aqui temos duas opções : ou determinamos a quantidade de oxigênio ou glicose produzida por unidade de tempo. Então medimos quantos produtos podem ser feitos através da fotossíntese. Outra possibilidade é a absorção de dióxido de carbono por unidade de tempo. 

Se você encontrar gráficos que mostram a taxa de fotossíntese, sempre deve ter cuidado se é o desempenho líquido da fotossíntese (desempenho aparente ou aparente da fotossíntese) ou o desempenho bruto da fotossíntese (desempenho real ou real da fotossíntese). Apenas o desempenho da fotossíntese bruta leva em consideração o metabolismo através da respiração celular. 

A concentração de dióxido de carbono no ar, a luz e a temperatura são fatores que podem afetar a taxa de fotossíntese.

concentração de dióxido de carbono

Um fator que influencia a fotossíntese é a concentração de dióxido de carbono . É muito pequena no ar (0,038% em volume), razão pela qual é um fator externo que limita mais severamente a fotossíntese (=lei do mínimo).

Quando a concentração de dióxido de carbono aumenta , a capacidade fotossintética também aumenta , uma vez que mais dióxido de carbono também está disponível para o ciclo de Calvin. Em algum momento, no entanto, o desempenho fica estagnado (= saturação ) porque a reação escura fica “ocupada”  com o processamento do arquivo .

Análises precisas das concentrações nas quais o melhor desempenho fotossintético pode ser alcançado são particularmente importantes para os agricultores. Precisamente esta concentração pode então ser ajustada em estufas para obter um alto rendimento das plantas cultivadas. 

luz

Outro fator que influencia a fotossíntese é a luz . Como você já aprendeu, as plantas verdes usam grande parte dos carboidratos produzidos pela fotossíntese para gerar energia para si mesmas. 

Com iluminação suficiente , a fotossíntese pode ocorrer e o consumo de CO _{2 através da fotossíntese} excede  a liberação de CO ₂ através da respiração celular. Atenção : A exposição excessiva à luz, no entanto, garante que os cloroplastos e, portanto, também os pigmentos fotossintéticos sejam destruídos. Isso leva a uma inibição da fotossíntese (= inibição da luz). 

Se, por outro lado, houver pouca intensidade luminosa, predomina a respiração celular, o que significa que mais dióxido de carbono é emitido do que absorvido/metabolizado pela fotossíntese. 

Você também pode chamar o ponto em que o consumo de CO _{2 e a liberação de CO 2} são iguais de ponto de compensação de luz . No escuro, por outro lado, não ocorre fotossíntese, apenas respiração.

Você também pode distinguir entre plantas de sol e sombra . Como o nome sugere, as plantas de sol (principalmente plantas úteis) já estão adaptadas a altos níveis de luz e as plantas de sombra (por exemplo, árvores) a baixos níveis de luz. 

temperatura

A temperatura também tem um enorme impacto no desempenho fotossintético. Como você já aprendeu, várias enzimas estão envolvidas na reação escura em particular. A atividade das enzimas é fortemente dependente da temperatura e, portanto, também determina quão bem a fotossíntese pode ocorrer.

Cada enzima tem sua própria curva ótima (= intervalo em que podem desenvolver seu efeito). Em geral, você pode lembrar que a fotossíntese só pode ocorrer acima de uma temperatura mínima . A partir daí , a taxa de fotossíntese aumenta com o aumento da temperatura até que a temperatura ótima para as enzimas seja alcançada. 

O desempenho da fotossíntese cai novamente , o que se deve ao fato de que a estrutura proteica das enzimas é “destruída” ( desnaturada ) a uma temperatura muito alta e as enzimas não são mais eficazes. 

Você pode estar se perguntando por que isso afeta todo o desempenho da fotossíntese se apenas as enzimas da reação escura são “desligadas”? Em princípio, a reação da luz é independente da temperatura, mas requer os produtos “gastos” (NADP ⁺ e ADP) do ciclo de Calvin. 

Resumo 

• Processo metabólico em criaturas autotróficas (= auto-alimentadas) ( plantas , algas e algumas bactérias )
• ” Ingredientes “: energia luminosa, dióxido de carbono ( ) e água ( )
• Produtos:  oxigênio ( ) e glicose ( )
• Fórmula da fotossíntese: 6 + 6   + 6 
• Localização : cloroplastos (plantas)
• Reação luminosa :  conversão de energia luminosa em energia química (ATP e NADPH); Divisão da água (= fotólise) em oxigênio, elétrons e íons de hidrogênio
• Dark Reaction :  Uso de ATP e NADPH da reação de luz para reduzir o dióxido de carbono e formar compostos ricos em energia (açúcares)