Fisiologia Vegetal

Objetivos da aula:Fotossíntese:• absorção de luz

pigmentos fotossintéticos• pigmentos fotossintéticos• fotossistemas• fluxo de elétrons acíclico• fotofosforilação• fluxo de elétrons cíclico

Bibliografia: Lehninger – Principles of BiochemistryTaiz – Plant Physiology

Fotossíntese: Processo pelo qual a energia da luz é utilizada para síntese de moléculas orgânicas.

cianobactérias

monocotiledônea

outras bactérias fotossinteti-zantes

fluxo de energia

fotossíntese oxigênica (2,5 billion years)

dicotiledôneaprincipal via pela qual

energia entra na biosfera

COCOCOCO2222 + H+ H+ H+ H2222O carboidratos + OO carboidratos + OO carboidratos + OO carboidratos + O2222

RECORDANDO

Absorção de luzen

erg

ia

σσσσ ligante

ππππ ligante

π∗π∗π∗π∗(antiligante)

σ∗σ∗σ∗σ∗ (antiligante)

não ligante∆∆∆∆E ∆∆∆∆E

orbitais moleculares

a luz UV e visível possui energia suficiente para promover as transições eletrônicas dos orbitais n para ππππ* ou ππππ para ππππ*

C CHH

H H

ETILENO

λλλλmax(nm) εεεε(M-1cm-1)165 15000217 21000256 50000290 85000334 125000

� λλλλ (comprimento de onda) indica a quantidade de energia necessária para ocorrer a transição eletrônica.

� ε ε ε ε (coeficiente de extinção) indica a probabilidade da transição eletrônica ocorrer.

c cππππσσσσ

estado fundamental

c cππππσσσσ

π∗π∗π∗π∗

estado excitado

RECORDANDO

MgMgMgMg

Pigmentos FotossintéticosPigmentos FotossintéticosPigmentos FotossintéticosPigmentos Fotossintéticos

anel porfirínico

principais fotoreceptores da fotossíntese nas plantascoeficinete de extinção

molar = 105 M-1 cm-1

a

b

comprimento de onda (nm)comprimento de onda (nm)comprimento de onda (nm)comprimento de onda (nm)

Espectro de absorção das Espectro de absorção das Espectro de absorção das Espectro de absorção das

clorofilas a e bclorofilas a e bclorofilas a e bclorofilas a e b

abababab

sosososo

rbrbrbrb

ânânânân

ciaciaciacia

400

430

660

700600500

fitol

Protoporfirina IX

b

A mudança estrutural leva a diferentes espectros de

absorçãoRECORDANDO

acessóriosPigmentos Fotossintéticos

CCCCHHHH3333 CCCCHHHH3333

CCCCHHHH3333 CCCCHHHH3333

CCCCHHHH3333CCCCHHHH3333

CCCCHHHH3333

CCCCHHHH3333

ββββ ---- carotenocarotenocarotenocaroteno

CHCHCHCH3333C

HCHCHCH3333C

HCHCHCH3333

COOH

COOH

COOH

COOH

HOOC

HOOC

HOOC

HOOC

CCCCHHHH3333CCCCHHHH3333

CCCCHHHH3333

HHHH HHHH HHHH HHHHOOOO

3333

OOOO NNNN NNNN NNNN NNNN

ficocianinaficocianinaficocianinaficocianina

RECORDANDO

Absorção de LuzFormas de uma molécula dissipar a energia (quenching) do estado excitado:1) conversão interna (conversão para energia

cinética, <10-11 s)2) fluorescência, (+ 10-8 s)3) transferência do estado excitado para uma

molécula vizinha (ressonância)4) fotoxidação

estados eletrônicosda clorofila a

conversãoconversãoconversãoconversão

internainternainternainterna

fotoxidaçãofotoxidaçãofotoxidaçãofotoxidação

2222oooo. estado . estado . estado . estado

excitadoexcitadoexcitadoexcitado

1111oooo. estado . estado . estado . estado

excitadoexcitadoexcitadoexcitado

calorcalorcalorcalor

1) e 2)1) e 2)1) e 2)1) e 2)

luzluzluzluz

430 nm

fluorescênciafluorescênciafluorescênciafluorescência

estado estado estado estado

fundamentalfundamentalfundamentalfundamental

660 nm

aceptor deaceptor deaceptor deaceptor de

elétronselétronselétronselétrons

excitadoexcitadoexcitadoexcitado

• Moléculas têm vários estados de energia.• Cada um dos estados eletrônicos tem sub-

estados rotacionais e vibracionais.

absorção de energiadissipação de energia

+ + + + ----

3)3)3)3)

4)4)4)4)

elétronpigmentoaceptor de elétrons

radicallivre

RECORDANDO

Onde ocorre a fotossíntese?Onde ocorre a fotossíntese?Onde ocorre a fotossíntese?Onde ocorre a fotossíntese?

ÓRGÃO:FOLHAÓRGÃO:FOLHAÓRGÃO:FOLHAÓRGÃO:FOLHA

epiderme superiorepiderme superiorepiderme superiorepiderme superior

ORGANELA: ORGANELA: ORGANELA: ORGANELA:

CLOROPLASTOCLOROPLASTOCLOROPLASTOCLOROPLASTO

parênquima parênquima parênquima parênquima

palissádicopalissádicopalissádicopalissádico

parênquima parênquima parênquima parênquima

estroma (DNA, RNA, estroma (DNA, RNA, estroma (DNA, RNA, estroma (DNA, RNA, ribossomos, enzimas)ribossomos, enzimas)ribossomos, enzimas)ribossomos, enzimas)

grana*grana*grana*grana*

lamela dos grana*lamela dos grana*lamela dos grana*lamela dos grana*TECIDO

epiderme inferiorepiderme inferiorepiderme inferiorepiderme inferior

parênquima parênquima parênquima parênquima

lacunosolacunosolacunosolacunoso

lamela do estroma*lamela do estroma*lamela do estroma*lamela do estroma*membranamembranamembranamembranaexternaexternaexternaexterna

(permeável)(permeável)(permeável)(permeável)

espaço espaço espaço espaço

interinterinterinter----membranamembranamembranamembrana

membranamembranamembranamembranainternainternainternainterna

(semi(semi(semi(semi----permeável)permeável)permeável)permeável)

* fazem parte da membrana do tilacóide (alta fluidez).No tilacóide ocorrem as reações de captação de luz.

No estroma ocorrem as reações de fixação de carbono.

CO2

DOS

RECORDANDO

As Reações da FotossínteseAs Reações da FotossínteseAs Reações da FotossínteseAs Reações da Fotossíntese

reações luminosasreações luminosasreações luminosasreações luminosas

(tilacóides)

luz luz luz luz

abundantes na abundantes na abundantes na abundantes na

naturezanaturezanaturezanatureza

reações de fixaçãoreações de fixaçãoreações de fixaçãoreações de fixação

de carbono (COde carbono (COde carbono (COde carbono (CO2222))))

(estroma)

açúcaresaçúcaresaçúcaresaçúcares

ciclo deciclo deciclo deciclo de

transformação de compostos transformação de compostos transformação de compostos transformação de compostos

simples em complexos simples em complexos simples em complexos simples em complexos

utilizando a energiautilizando a energiautilizando a energiautilizando a energia

luminosaluminosaluminosaluminosa

FotossistemasFotossistemasFotossistemasFotossistemasPI 700 nmPI 700 nmPI 700 nmPI 700 nmPII 680 nmPII 680 nmPII 680 nmPII 680 nmressonânciaressonânciaressonânciaressonância

fotofotofotofoto----oxidaçãooxidaçãooxidaçãooxidação

pigmentos

centro de reação (2 moléculas de clorofila a)

ACEPTOR PRIMÁRIO

fóton

pigmentos carotenóides, clorofila a e b

complexoantena

(em volta docentro de reação)

As moléculas de pigmentos têm espaçamento e orientações relativas apropriadas que

permitem a transmissão de energia entre elas por ressonância.

(20-2000 moléculas/fotossistema)

complexo antena:pigmentos associados

a proteínas

estados fundamentais

estados excitados

pigmentos do complexo antena

clorofila a do centro de

reação

energia

calor

Esquema ZO acoplamento dos dois fotossistemas se dá através de uma cadeia transportadora de elétrons.

reações endergônicasreações exergônicas

3 ps*

200 ps*

6 µµµµs*

adaptado de Lehninger, 5ª. Ed., 2008

* duração da transferência de elétrons (bactérias)

Origem dos componentes da membrana dos tilacóides

vermelho: codificado no genoma do cloroplasto cinza: codificado no genoma nuclear

Prof. Dr. Thomas Boller, Botanical Institute, Section Plant Physiology, Suiça file:///C:/WINDOWS/Temporary%20Internet%20Files/Content.IE5/S1YJ0PM3/424,15,Differenzierung von Plastiden

Fluxo de Elétrons Acíclico e Foto-fosforilação

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Thylakoid_membrane.png (modificado)

fluxo de prótonsfluxo de elétrons

micromolécula

proteína

Fluxo de Elétrons Acíclico e Foto-fosforilação

PSI - fotossistema IPSII - fotossistema IIQ - plastoquinonaCyt – citocromo

fluxo de e-

fluxo de H+

(pH 5)

cadeia de transportede elétrons

• Oito a dez fótons são necessários para gerar cada O2.• 8-12 H+ são translocados através da membrana para cada O2 formado.• A ATP sintase do cloroplasto produz um ATP a cada 3 - 4 H+ translocados.

Cyt – citocromoPC – plastocianinaFd - ferredoxinaCF - ATP sintase

estroma(pH 8)

complexos proteicoscarreadores móveis de e-

atenção: a escala de pH é

logarítmica

adaptado de Lehninger, 2008

estequiometria aproximada: 2 H2O + 8 fótons + 2 NADP + 3 ADP + 3 Pi O2 + 3 ATP + 2 NADPH

Experimento realizado por Jagendorf, 1966

grana isoladosde cloroplastos

geração de ATP na

no escuro

from Biochemistry 2nd Ed. by Garrett & Grisham, modificado

Demonstração da teoria quimiosmótica apresentada por P. Michell:diferenças de pH e potenciais elétricos através de membranas são fontes de

energia que podem ser utilizadas para a síntese de ATP.

ATP na ausência de

luz

Fluxo cíclico de elétrons

O fluxo cíclico de elétrons gera somente ATP

H+

Aumenta a formação de ATP durante a fotossíntese e permite à célula regular a proporção de ATP e NADPH de acordo com as suas necessidades.

esquema Z

2H2O O2 + 4H+

Fotoinibição

Folhas de Alocasia expostas a diferentes intensidades de luz

Regulação da captação de luz pela planta é feita ao nível do:

• corpo da planta• tecidos• organelas• fisiológico• bioquímico

Arabidopsis - mutantes incapazes de induzir movimento em seus cloroplastos são mais suscetíveis ao excesso de luz (clorose e necrose de seus tecidos).

FotoinibiçãoA fotoinibição ocorre quando a quantidade de luz absorvida

pelas plantas é maior do que pode ser utilizada na fotossíntese.

Mecanismos de contornar a fotoinibição:

• movimento das folhas.• movimento dos cloroplastos.• “Quenching “ com perda de E na

forma de calor.

excesso de fótons

produtos tóxicos(O- , H O , OH.,1O *)

calor

forma de calor.• agentes fotoprotetores

(carotenóides, superoxide dismutase, ác. ascórbico).

• reparo e “de novo síntese” do fotossistema.

(O-2, H2O2, OH.,1O2*)

fotossitemas

fotossistemadanificado

fotoinibição

reparosíntese

“de novo”

agentes fotoprotetores

0,21

0,22

0,23

rela

tive a

bsorb

ance

Phenotypic change of Microcystis

PCC 7806 during culture

chloroticculture2

greenculture1

rela

tive

ab

sorb

ance

two phenotypes

0,19

0,20

590 640 690 740

wavelength (nm)

rela

tive a

bsorb

ance

3 days

15 days

35 days…...

Whole cell absorption spectra of a culture collected

at different growth stages.

cultureculture

rela

tive

ab

sorb

ance

wavelength (nm)

___ 3 days1

_ . _ 15 days1

....... 35 days2

Dagnino, D, et al., Environmental Microbiology, 2006

green culture chlorotic cultureculture with conditioned

medium

Effect of the conditioned medium of chlorotic Microcystis PCC 7806 cultures on the ultra-structure

of Microcystis PCC 7806 cells cultured under nutrient replete conditions

Próxima aula: Reações de Fixação de CarbonoPróxima aula: Reações de Fixação de CarbonoPróxima aula: Reações de Fixação de CarbonoPróxima aula: Reações de Fixação de Carbono

Ou: Ciclo de CalvinOu: Ciclo de CalvinOu: Ciclo de CalvinOu: Ciclo de Calvin----BensonBensonBensonBenson

6C 6C6C

3C3C 3C

3C 3C

3C

3 x intermediário3 x intermediário3 x intermediário3 x intermediário

instávelinstávelinstávelinstável

6 x 36 x 36 x 36 x 3----fosfogliceratofosfogliceratofosfogliceratofosfoglicerato

6 ATP 6 NADPH 6 H6 ATP 6 NADPH 6 H6 ATP 6 NADPH 6 H6 ATP 6 NADPH 6 H++++

1C

3C

3C

3C

3C3C

3C5C5C5C

6 x gliceraldeído6 x gliceraldeído6 x gliceraldeído6 x gliceraldeído

----3333----fosfatofosfatofosfatofosfato

1C

3 ADP 3 ATP3 ADP 3 ATP3 ADP 3 ATP3 ADP 3 ATP3C

3 x CO3 x CO3 x CO3 x CO2222

1C

6 ADP 6 P6 ADP 6 P6 ADP 6 P6 ADP 6 Piiii 6 NADP6 NADP6 NADP6 NADP++++

SITES INTERESSANTES:

http://photoscience.la.asu.edu/photosyn/education.html

Animações:http://vcell.ndsu.edu/animations/photosynthesis/index.htmhttp://vcell.ndsu.edu/animations/photosystemII/index.htm