Fotossíntese

Fase clara

Fase escura

Hipótese Quimiosmótica (Mitchell, 1966)

Explica como a fonte de energia e a síntese do ATP são acoplados,

Hidrólise do ATP ou a transferência de elétrons geram: Potencial elétrico (transmembrana), Potencial Químico, pH

Os protons são transportados atráves da membrana resultando em uma força próton motriz,

Desacopladores são produtos químicos (hidrofóbicos, ácidos fracos) que atravessam a membrana e desencadeiam um “curto circuito”

no gradiente eletroquímico,

Exemplo: 2,4-

dinitrofenol

Quimiosmose precisa:Membrana impermeável para prótons

Bomba de prótonsATPase

Similaridades:Transporte de elétrons gera gradiente de prótons

Gradiente dissipado Diferenças:

de onde os elétrons recebem a sua energia

Mitocôndria: Alimentação; Cloroplasto: energia luminosa

Fosforilação oxidativa:

Conversão do potencial de redução em ATP

Oxidação de coenzimas

Redução de oxigênio

Fotossíntese:

Conversão de energia luminosa em potencial redutor

Oxidação de água

Redução de NADP+

Transporte de elétrons gera potencial elétrico e químico

Transporte de elétrons gera gradiente de prótons

Todo baseado em reações de oxido-redução

A fonte de energia A fonte de energia Fonte imediata de energia ATP

Fonte imediata de energia glicose

A relaA relaçção entre mitocôndrias ão entre mitocôndrias e cloroplastose cloroplastos

Reações Biológicas de oxidação redução

Reações de oxidação e redução envolvem

transferência de elétros:

Oxidação = perda de elétrons,

Redução = captação de elétrons.

Atenção aos átomos H :

Redução = número de ligações C-H aumentam,

Oxidação = número de ligações C-H diminuem.

Potenciais de redução:

A tendência para que uma reação de oxido-redução ocorra

depende da afinidade relativa do receptor de elétrons de cada par redox,

Mede a afinidade por elétrons

Potenciais de redução padrão, E°:

É

o potencial elétrico gerado por uma reação redox de encontro a um

elétrodo de hidrogênio quando a concentração da espécie reduzida e oxidada está

em uma concentração de 1 M, a 25°

C, 1 atm e,

Meia reação escolhida como padrão de referência:

H+

+ e- ½ H2

.

Potenciais de redução padrão, E’°: Potencial de reduçao padrão em pH 7,0

Equação de Nernst:Relaciona o potencial de redução padrão (E°) ao potencial de redução (E) para quaisquer concentrações das espécies oxidadas e reduzidas na célula.

E = E°

+ RT ln [receptor de elétrons]n [doador de elétrons]

R, Constante dos gases = 96,480J/V.mol

T, Temperatura absoluta em K, 25°

= 295K

, Constante de Faraday = 8,315J/mol.K

n, Número de elétrons trasferidos por molécula

Potenciais de redução padrão X Variação de energia livre

A variação de energia livre disponível por meio do fluxo de elétrons (variação de energia livre para uma reação de oxido-redução) é

proporcional ás diferenças nos potenciais de redução (∆E).

∆G = -n

ΔE

∆G = -n

ΔE’°

No cloroplasto, duas reações fundamentais ocorrem durante a fotossíntese:

Produção de ATP e NADPH

reações da fase clara;

Conversão de CO2

em carboidrato

reações da fase escura

Na fase clara ou reações de transferência de elétrons, a radiação da luz excita um elétron da clorofila que irá

se deslocar numa cadeia de transportadora de

elétrons. H+

é

bombeado para o tilacóide produzindo a força proton-motriz para geração de ATP. Os elétrons

juntamente com o H+, são dirigidos para o NADP+ formando NADPH. A água é

utilizada como doadora de elétrons resultando na liberação de O2.

Na fase escura ou reações de fixação do carbono, o ATP e o NADPH servem como energia e força redutora para a conversão de CO2

em

carboidratos.

Fotossíntese

6CO2 C6H12O6

Oxidação

Reducão

+ 6O2

Luz

+ 6H2O +

INVERSO DA RESPIRAÇÃO CELULAR!

A energia para os processos biossintéticos vem da reação

ATP + H2

O ADP + Pi

Organismo quimiotrófico Organismo fototrófico

6 carbonos da glicose são oxidados Energia luminosa utilizada para gerara CO2 ATP e NADPH para adicionar CO2

às moléculas orgânicas

Equações gerais:

C6 H12 O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2 O 6 CO2 + 6 H2 O C6 H12 O6 + 6 O2

Go´= -2870 kJ/ mol Go´= 2870 kJ/ mol

Reação Clara

Oxidação de água Transferência de elétrons para NADP+ Liberação de O2

, Produção de ATP

O espetro de luz e a energia de fótons

A energia de luz solar é

primeiramente absorvida pelos pigmentos da planta. Todos os pigmentos ativos em fotossíntese são encontrados no cloroplasto.

As clorofilas a e b possuem dois picos de absorção: um na região do azul- violeta (430 nm) e outro no vermelho (665 nm). Clorofila absorve

a luz azul

e vermelho, refletindo o verde.

Experimento clássico para determinar o comprimentode onda onde acontece mais fotossíntese

A energia de fótons absorvida pelos pimentos fotorreceptores é transferida para o centro da reação de clorofila

Organização do fotossistema na membrana tilacoidal

A ativação da clorofila

O elétron excitado da clorofila pode dissipar sua energia de excitação de diversas maneiras. A clorofila excitada pode decair ao seu estado basal:

1........Por meio de emissão de calor e um fóton (3 – 6 % da energia luminosa absorvida)2. Por transferência de energia de ressonância (de pigmentos da antena para os centros

de fotorreação)3. Por transferência de um elétron a uma molécula aceptora, portanto, reduzindo.

O elétron transferido é ligado menos fortemente ao doador em seu estado excitado doque no seu estado basal. A Chl+, um radical livre catiônico, precisa um elétron arrancadode uma outra molécula para retornar ao seu estado basal.

A clorofila

Centro reativo

Cadeia que encaixa a clorofilana membrana

Radiação utilizada na fotossíntese A luz visível corresponde a uma diminuta faixa do espectro das radiações eletromagnéticas emitidas pelo sol: 380 nm (azul) a 750 nm (vermelho). Os seres vivos provavelmente se especializaram em utilizar esta banda espectral devido às seguintes razões:

a) a maior quantidade de radiação que atinge a terra encontra-se dentro desta faixa;

b) radiações de comprimento de onda menor do que 380 nm (ultravioleta) são muito energéticas e destroem a maioria das ligações químicas importantes em substâncias orgânicas, tais como as pontes de hidrogênio;

c) radiações de comprimento de onda superior a 750 nm (infrevermelho) provocam um aumento excessivo de sua energia cinética, ou calor.

Pigmentos fotossintetizantes -um pigmento é

qualquer substância que absorve a luz. Pigmentos diferentes absorvem a energia luminosa em diferentes comprimentos de onda. Os principais pigmentos da fotossíntese são as clorofilas, já

que desempenham um papel fundamental no processo sendo, por isto

mesmo, indispensáveis. As clorofilas a e b possuem dois picos de absorção: um na região do azul-violeta (430 nm) e outro no vermelho (665 nm). Estes pigmentos absorvem muito pouco na faixa do verde e por isto as plantas em sua maioria apresentam esta cor predominante em suas folhagens. Os pigmentos acessórios ampliam o espectro de abserção da luz por um vegetal, já

que possuem máximos de absorção em faixas

espectrais pouco exploradas pelas clorofilas

A luz irradia a clorofila e eleva os seus elétrons a um estado excitado(pigmento de antena). A energia é passada por transferência de energia de ressonância atéo centro de reação da fotossistema II. 4 elétrons elevados do centro de reação são transferidos para plastoquinonas. A clorofila recupera os elétrons da seguinte maneira: 2 Moléculas de água que se ligam ao magnésio da clorofila são fotolisadas em um O2 , 4 prótons e 4 elétrons. Os prótons e elétrons formam gradientes eletroquímicos, O oxigênio é liberada para a atmosfera.

O mecanismo de geração de O2 em cloroplastos

O centro de absorçaõ de fótons PS II (P 680) é excitado pela luz (formação de P680+) e transmite eletrons para plastoquinona. Um radical tirosina arranca elétrons da água e transmite-os no centro da reação do fotossistema II. Os prótons são jogados para dentro do lumen tilacoidal e H2 0 é oxidado para O2 .

O P680 (PSII) forma um cátion P680+, que oxida água. Os elétrons da água são transportados por uma cadeia de quinonas reduzidas para o citocromo b6 -f, concomitantemente há um translado de prótons para dentro do lúmen do tilacóide.

O citocromo b6f passa os seus elétrons para plastocianina que atinge P700 no PSI e gera um forte agente redutor.

O elétron arrancado do P700 (PSI) é transportadopor uma cadeia de transportadores de elétrons (ferrodoxinas) até reduzir NADP+ a NADPH (rota não-cíclica).

Rota cíclica (independente de PSII e não produz O2 ) transporta prótons pela membrana do tilacóide e há produção de ATP.

Rotaciclica

Transporte de elétronsPSII oxida água e PSI reduz NADP+

A rota cíclica produz ATP mas não NADPH + H+ nem O2

• Fotofosforilação Cíclica: só fotossistema I

Produz ATP, sem formação de NADPH e O2• As atividades relativas dos fluxos cíclico e acíclico

de elétrons podem ser reguladas pela célula para determinar a quantidade de energia luminosa que é convertida em força redutora (NADPH) e quantidade que é convertida em altas energias das ligações fosfato (ATP).

Transporte de elétrons pelo complexo citocromo b6 fLigação de fotossistemas I e II

4 elétrons

Plastoqinol reduzido (PQH2 ) formadopelo fotossistema II passa os elétrons para citocroma b6 (PQH2 passa para plastoquinona, PQ). O citocromo b6 reduz o pastoquinol que leva prótons de fora para dentro da tilacoida.

Finalmente o plastoquinol reduz o citocromo f e transfere os elétrons para fotossistema I.

• Fotofosforilação Acíclica: fotossistema I e II

2 H2O + 4 fótons 4 H+ + 4 è + O2 Fotossistema II

H+ + NADP+ NADPHFotossistema IFotossistema I

A equação geral das duas etapas: Etapa 1 transforma a energia da luz para um gradiente eletroquímico para gerar ATPEtapa 2 utiliza a energia elétrica para reduzir NADP.

2H2 O 4 (H+ + e-) +O22 NADP+ 4 (H+ +e-) 2 NADPH + 2H+

3 ADP+Pi ATP

9ADP+9 Pi+ 2 H2 O + 2NADP+ 9 ATP+ 2NADPH + 2H+ +O2

H+ ADP + Pi ATP

A equação geral das duas etapas: Etapa 1 transforma a energia da luz em um gradiente eletroquímico para gerar ATPEtapa 2 utiliza a energia elétrica para reduzir NADP.

8 fótons são absorvidos para transferir 4 elétrons da água para NADPH

2H2 O 4 (H+ + e-) +O22 NADP+ 4 (H+ +e-) 2 NADPH + 2H+

3 ADP+Pi 3 ATP

3 ADP+3 Pi+ 2 H2 O + 2NADP+ 3 ATP+ 2NADPH + 2H+ +O2

Autotróficas: sintetizam seu próprio  alimento.

BACTÉRIAS FOTOSSINTETIZANTES

6 CO2 + 12 H2S C6H12O6 + 6 H2O + 12 S

Não utilizam água como substrato

doador de H

Não liberam oxigênio

LUZ

FotossínteseFase clara

Fase escuraLUZ CO2

ATP

H2 O NADPH

O2 C6 H12 O6

FOTOFOSFORILAÇÃOFOTÓLISE DA ÁGUA

CICLO DE CALVIN

Fosforilação Oxidativa

Fotofosforilação

Na mitocôndria, o doador inicial é um elétron de uma coenzima reduzida (NADH ou FADH2) e o aceptor final é o O2 . Na mitocôndria, o transporte de prótons para fora muda o potencial da membrana e força os prótons para dentro da mitocôndria.

No cloroplasto, os elétrons doados pela água são transportados pela pastoquinona e a plastocianina, para o aceptor NADP+.

Os prótons são deslocados para dentro do lúmen do tilacóide (tornando ácido e gerando um gradiente eletroquímico pelo diferencias de pH).

Resumo (parte I)

A fotossíntese se separa nas reações de luz clara e reações independentes de luz. Pigmentos fotorreceptores absorvem a energia de luz de comprimentos de ondas 400 -700 nm, entram num estado excitado e transmitem a energia para o fotossistema (P680) [Formação de radical de tirosina; P680+]. A redução do centro da reação P680 acontece com a oxidação da água e retira se elétrons da água. A água se oxida para O2 , os prótons são liberados para lumen tilacoidal e os elétrons são transferidos para plastoquinona e o complexo b6 f. O transporte de elétrons pelo plastoquinona é acompanhado com transporte de prótons para dentro do lumen tilacoidal.O complexo b6 f acopla PS II com PSI.O fotossistema I (PS700) é excitado pelo um fóton e transfere o elétron retirado para ferredoxina e da ferredoxina para NADP+. O NADP+ é reduzido para NADPH.A rota ciclica envolve o fotossistema I (PS700), ferredoxina, o complexo b6 f, e a plastocianina. A rota ciclica produz ATP, mas não NADPH nem O2 .

Nas condições anaeróbicas, H2 S serve com doador de elétrons. H2 S é oxidado para S e os elétrons transportado através da membrana