metabolismo energético das células
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METABOLISMO ENERGÉTICO DAS CÉLULAS
METABOLISMO ENERGÉTICO DAS CÉLULAS
LIVRO 2, CAPÍTULO 1
BIOLOGIA CELULAR (Parte 2)
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O QUE VEM À NOSSA MENTE QUANDO OBSERVAMOS ESTA FIGURA?
Que processos metabólicos estão representados na figura?
Por que dizemos que os dois processos representados na figura são complementares?
Qual é a fonte de energia representada na figura?
O que aconteceria se essa fonte fosse suprimida do ambiente?
Todos os seres vivos obtêm energia na mesma forma?
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É o conjunto de transformações que as substâncias químicas sofrem no interior dos organismos vivos.
São essas reações que permitem a uma célula ou um sistema transformar os alimentos em energia, que será utilizada pelas células para que as mesmas se multipliquem, cresçam, movimentem-se, etc.
O metabolismo é o conjunto de reações químicas responsáveis pelos processos de síntese e degradação dos nutrientes na célula.
Divide-se em 2 etapas:
Catabolismo Degradação, quebra de moléculas, com consequente produção de energia. Ex: quebra da glicose
Anabolismo Síntese, formação de moléculas, envolvendo consumo de energia. Ex: união de várias moléculas de glicose para a síntese de glicogênio.
METABOLISMO
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Os Seres Vivos e a Energia
Os organismos vivos são sistemas complexos e organizados que necessitam de uma grande quantidade de energia para manter seus processos vitais.
É dos É dos alimentosalimentos, mais , mais exatamente das exatamente das moléculas orgânicas moléculas orgânicas que os compõem, que que os compõem, que os seres vivos obtém os seres vivos obtém energia.energia.
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Os Seres Vivos e a Energia
A fonte de energia mais A fonte de energia mais importante para os seres importante para os seres
vivos é a vivos é a luz solarluz solar..
Nem sempre disponível, a energia Nem sempre disponível, a energia luminosa é convertida em energia luminosa é convertida em energia química presente em moléculas química presente em moléculas
orgânicas, que podem ser estocadas orgânicas, que podem ser estocadas para uso posterior.para uso posterior.
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Fluxo de matéria e de energia nos ecossistemas
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Tipos de reações químicas que fazem parte do metabolismo celular
Reações exotérmicasReações exotérmicasou exergônicasou exergônicas
Liberam energia para o ambiente
Reações endotérmicas Reações endotérmicas ou endergônicasou endergônicas
Absorvem energia do ambiente
Como exemplo de reação química endotérmica temos a Como exemplo de reação química endotérmica temos a fotossíntese e como exemplo de reação química exotérmica fotossíntese e como exemplo de reação química exotérmica
temos a respiração celular. temos a respiração celular.
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Todos os processos celulares dependem de energia para acontecer.
Essa energia é obtida dos alimentos e pode ser prontamente utilizada pela célula ou armazenada em uma molécula especial chamada de ATP.
O ATP é a molécula armazenadora de energia na célula.
Constituição química:
A MOLÉCULA DE ATP (trifosfato de adenosina)
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Participa de todos os processos energéticos da célula:
Necessidade de energia Quebra do ATP, liberando um fosfato e formando ADP (difosfato de adenosina).
ATP ADP + P
Obs: ligações entre os 2 fosfatos (ADP) podem, ainda, ser quebradas, formando AMP (monofosfato de adenosina) e liberando mais energia.
Não há demanda energética Síntese de ATP, através da união de um fosfato ao ADP.
ADP + P ATP
Reações reversíveis.
Acontecem o tempo todo na célula.
Objetivo: liberar ou armazenar energia
A MOLÉCULA DE ATP (trifosfato de adenosina)
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FORMAS DE OBTENÇÃO DE ENERGIA
(Produção de ATP )
A quebra da molécula orgânica para liberar energia pode se dar de duas maneiras:
• Respiração celular: quebra completa da molécula de glicose na presença de oxigênio. • Fermentação: quebra parcial da molécula de glicose na ausência de oxigênio.
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Respiração Celular
A respiração corresponde à A respiração corresponde à degradaçãodegradação completacompleta da molécula de da molécula de glicose originando gás carbônico e água.glicose originando gás carbônico e água. O saldo energético é de O saldo energético é de 30 moléculas 30 moléculas de ATPde ATP.. A respiração acontece no citoplasma A respiração acontece no citoplasma dos seres procariontes. Nos eucariontes, dos seres procariontes. Nos eucariontes, tem início no citoplasma, continua e tem início no citoplasma, continua e termina nas mitocôndrias .termina nas mitocôndrias .
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A presença de átomos de oxigênio é condição básica para a respiração e a origem dos mesmos permite identificar dois tipos diferentes desse processo:
1) Respiração Aeróbia – quando o oxigênio consumido é o O2 (gás oxigênio). Realizada por muitos procariontes, protistas, fungos e pelas plantas e animais.
2) Respiração Anaeróbia – quando o oxigênio consumido tem origem de substâncias inorgânicas como carbonatos (CO3
- 2), nitratos (NO3
−), sulfatos (SO42- )etc. Realizada apenas por alguns
tipos de bactérias.
Respiração Celular
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CICLO DO NITROGÊNIO E A DESNITRIFICAÇÃO
A Respiração Anaeróbica é utilizada por bactérias que vivem no solo ou em águas estagnadas, onde o suprimento de oxigênio é escasso. Os produtos finais da respiração anaeróbica são o gás carbônico (CO2) e uma substância inorgânica, que varia de acordo com a espécie de bactéria.
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FERMENTAÇÃO
Processo mais simples de produção de energia.
Processo ANAERÓBICO (ausência de O2).
Ocorre no CITOPLASMA.
Realizado naturalmente por fungos, bactérias, e, em algumas situações, por nossas células musculares.
O homem há décadas utiliza este processo natural para produção de alimentos, bebidas (iogurtes, leites, fermentados, pães, cervejas, vinhos...).
Tipos de Fermentação:
•Alcoólica
•Lática
•Acética
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FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA
O açúcar é degradado em álcool etílico (etanol), liberando também gás carbônico e energia.
Fabricação de pães, vinhos, cervejas, álcool combustível.
AÇÚCAR ÁLCOOL + CO2 + ENERGIA
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Reação ocorre no citoplasma.
Rendimento energético: 2 ATP
1 molécula açúcar 2 ATP
Consumo
ProduçãoProdução
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FERMENTAÇÃO LÁTICA
O açúcar do leite (lactose) é degradado, formando ácido lático e liberando energia.
Ácido lático: coagulação de proteínas.
Fabricação de queijos, iogurtes e coalhadas.
AÇÚCAR ÁCIDO LÁTICO + ENERGIA
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FERMENTAÇÃO LÁTICA
Ocorre também em nossas células musculares, em situações de grande demanda energética, quando fazemos um esforço muscular intenso, como nos exercícios físicos prolongados.
A quantidade de energia que chega aos nossos músculos é insuficiente para fornecer toda a energia necessária à atividade desenvolvida.
As células musculares passam a realizar o processo mais simples de obtenção de energia, que é a fermentação.
AÇÚCAR ÁCIDO LÁTICO + ENERGIA
O acúmulo de ácido lático nas fibras musculares (células musculares) causa dores, cansaço e cãibras.
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FERMENTAÇÃO
ALCOÓLICA LÁTICA
Sem Oxigênio
Álcool Etílico
2 ATP de Energia
Gás Carbônico
Ácido Lático
2 ATP de Energia
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FERMENTAÇÃO ACÉTICA
Realizada por alguns tipos de bactérias que fermentam o açúcar, produzindo ácido acético, gás carbônico e energia.
Fabricação de vinagres.
AÇÚCAR ÁCIDO ACÉTICO + CO2 + ENERGIA
Expressão popular: “O vinho virou vinagre!”
Etanol, em contato com O2 forma ácido acético.
Garrafas de vinho devem ser mantidas bem fechadas para evitar o acúmulo deste ácido acético, que altera o sabor do vinho.
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RESPIRAÇÃO CELULAR AERÓBICA
Processo mais complexo de produção de energia.
Ocorre em eucariontes (citoplasma e nas mitocôndrias) e em procariontes (citoplasma e na parte interna da membrana plasmática).
Processo AERÓBICO (há participação de O2).
Rendimento energético muito maior que o da fermentação !!!
1 molécula açúcar 30 ATP
Respiração aeróbica envolve 2 fases:
• Troca de gases através de membranas respiratórias;
• Respiração celular.
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TROCA DE GASES ATRAVÉS DE MEMBRANAS RESPIRATÓRIAS
Através de finas membranas que devem estar sempre úmidas, para permitir a passagem dos gases.
Transporte se dá por DIFUSÃO SIMPLES.
Depende das diferenças nas concentrações dos gases dentro e fora das membranas.
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TROCA DE GASES ATRAVÉS DE MEMBRANAS RESPIRATÓRIAS
HEMATOSE processo em que ocorre a troca de gases, nos alvéolos pulmonares e o O2 atravessa as membranas dos alvéolos e chega até às células.
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O processo de difusão simples para as trocas gasosas ocorre em outros tipos de respiração
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Nos vegetais, as trocas gasosas ocorrem em estruturas presentes nas superfícies das folhas, denominadas ESTÔMATOS.
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A respiração aeróbia, libera a totalidade da energia contida na molécula de glicose, como se pode comprovar analisando os produtos finais deste processo (água e dióxido de carbono), que são exatamente os mesmos utilizados na sua síntese (fotossíntese).
O conjunto das reações da respiração celular aeróbia é extremamente complexo, tendo sido uma das maiores conquistas da bioquímica moderna a sua compreensão. Por esse motivo, consideram-se geralmente as seguintes etapas:
GLICÓLISECICLO DE KREBS (ÁCIDO CÍTRICO)
CADEIA RESPIRATÓRIA
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energia (ATP)
RESPIRAÇÃO CELULAR
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RESPIRAÇÃO CELULAR
GLICÓLISE
Quebra da molécula de glicose (6C - hexose) em duas moléculas de ácido pirúvico (3C -triose).
Ocorre no citoplasma, na ausência de oxigênio (anaerobiose).
Mesmo processo que ocorre na fermentação.
Rendimento energético: 2 ATP
Há perda de 2 hidrogênios na molécula de ácido pirúvico, os quais são capturados por uma substância encontrada no citoplasma: o NAD (nicotinamida adenina nucleotídeo).
O NAD funciona como um transportador de hidrogênios.
Formação de 2 moléculas de NADH2.
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RESPIRAÇÃO CELULAR
GLICÓLISE
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RESPIRAÇÃO CELULAR
CICLO DE KREBS (CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO)
Ocorre na matriz mitocondrial.
Quebra das moléculas de ácido pirúvico.
Produção de CO2, que é liberado da célula e eliminado para o ambiente.
Produção de mais moléculas de NADH2 (capturam os hidrogênios liberados).
Rendimento energético: 2 ATP
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RESPIRAÇÃO CELULAR
CICLO DE KREBS (CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO)
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RESPIRAÇÃO CELULAR
CADEIA RESPIRATÓRIA
Ocorre nas cristas mitocondriais.
Os hidrogênios do NADH2 (produzidos na glicólise e no ciclo de Krebs) passam através de várias substâncias, liberando elétrons.
Envolve um conjunto de reações químicas, onde participam substâncias chamadas de citocromos.
A passagem dos elétrons pelos citocromos na cadeira respiratória, libera energia suficiente para a síntese 26 moléculas de ATP.
Elétrons atravessam a cadeia e chegam até o aceptor final, que é o oxigênio.
Oxigênio se combina com os hidrogênios, formando água.
Rendimento energético: 26 ATP
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RESPIRAÇÃO CELULAR
RENDIMENTO ENERGÉTICO TOTAL
2 ATP(GLICÓLISE)
+ 2 ATP(CICLO KREBS)
+ 26 ATP(CADEIA RESPIRATÓRIA)
= 30 ATP
EQUAÇÃO GERAL
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energia (30 ATP)
Aceptor final de elétrons
Ciclo de Krebs Resultado da combinação dos elétrons com o oxigênio, ao final da cadeia respiratória
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RESPIRAÇÃO CELULAR
ATENÇÃO
Na ausência de glicose, a célula pode utilizar outras moléculas
para a realização da respiração celular, como aminoácidos
(proteínas) e ácidos graxos (lipídios), com a participação da
Coenzima- A. Os compostos intermediários obtidos a partir
dessas moléculas entrarão no ciclo de Krebs.
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Quadro comparativo entre Respiração Aeróbia e Fermentação
• Quebra completa de glicose.
• Exige a presença de O²
• Há formação de água como produto final.
• Produto oxidado totalmente decomposto em CO² e H²O, liberando muita energia.
• Formação de grande número de moléculas de ATP que armazenam essa energia.
• Glicólise, ciclo de Krebs e cadeia respiratória.
• Ocorre com a maioria dos seres vivos.
• Quebra incompleta de glicose.• Não utiliza O²
• Não há formação de água.• Produto oxidado parcialmente
decomposto, não liberando toda a energia disponível, sobram resíduos energéticos.
• Formação de pequeno número de moléculas de ATP.
• Glicólise apenas (ácido pirúvico se decompõe em ácido láctico, etanol ou em ácido acético).
• Ocorre com algumas bactérias, leveduras, vermes intestinais e células musculares.
Respiração Aeróbica Fermentação
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FOTOSSÍNTESE
Processo pelo qual algas e plantas absorvem a energia da luz solar e o CO2 da atmosfera para a síntese de moléculas orgânicas (glicose) que serão usadas posteriormente pela própria célula para obtenção de energia.
Organela responsável nos eucariontes: CLOROPLASTOS.
Para que ocorra é necessário:
• Clorofila
• Luz solar
• Água
• CO2
• Temperatura
Fatores limitantes da fotossíntese
REAÇÕES QUE CONSOMEM ENERGIA(ENDOTÉRMICAS)
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FOTOSSÍNTESE
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FOTOSSÍNTESE
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FOTOSSÍNTESE
De onde vem a energia para que esta reação ocorra ?
Vem do Sol.
É captada pela clorofila, um pigmento verde, presente nos cloroplastos das folhas da planta.
Há dois tipos de clorofila que participam do processo: a clorofila a e a clorofila b.
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FOTOSSÍNTESE
Para onde vai a glicose sintetizada no processo?
1)Glicose é usada como fonte de alimento e de energia, pela própria célula vegetal, ou por outros seres da cadeia alimentar;
2) Glicose é usada na síntese de celulose, que compõe a parede celular dos vegetais;
3) Glicose é usada como matéria-prima para a síntese de outras moléculas (outros carboidratos, aminoácidos e ácidos graxos);
4)Glicose é armazenada como fonte de reserva energética:
AMIDO nos vegetais
GLICOGÊNIO nos animais
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AS FASES DA FOTOSSÍNTESE
FASE CLARA(Presença de luz)
1ª: Fotofosforilação cíclica
2ª: Fotofosforilação acíclica
3ª: Fotólise da água
FASE ESCURA(Ausência de luz)
Ciclo das Pentoses ou Ciclo de Calvin
(Síntese da molécula de glicose)
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1ª) FOTOFOSFORILAÇÃO CÍCLICA
Ocorre nos tilacóides do cloroplasto.
Luz solar, ao incidir nas partes verdes da planta, atinge a molécula de clorofila a, excitando-a.
Ocorre a liberação de elétrons, os quais passam por uma cadeia transportadora, promovendo a síntese de ATP.
É chamada de cíclica porque os elétrons passam pela cadeia transportadora e retornam à clorofila a.
FASE CLARA
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1ª) FOTOFOSFORILAÇÃO CÍCLICA
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Ocorre nos tilacóides do cloroplasto.
Ocorre excitação da clorofila b, transporte de elétrons por uma cadeia transportadora e captura de elétrons pela clorofila a.
A liberação e o transporte de elétrons pela cadeia transportadora promove a síntese de ATP.
É chamada de acíclica porque os elétrons passam pela cadeia transportadora e não retornam à clorofila b , mas são enviados à clorofila a.
Da clorofila a, os elétrons são transferidos ao NADP, formando NADPH2.
2ª) FOTOFOSFORILAÇÃO ACÍCLICA
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3ª) FOTÓLISE DA ÁGUA
Ocorre quebra das moléculas de água, na presença de luz , consumindo ATP.
As moléculas de água (H2O) serão quebradas, formando oxigênio e íons hidrogênio.
Parte do oxigênio é utilizado pela própria planta (respiração celular).
Outra parte do oxigênio é liberada para ambiente.
Os íons hidrogênios serão capturados pelo NADP e os elétrons resultantes retornam à clorofila b.
2 H2O 4 H+ + O2 + 4 e-
Obs: O oxigênio (O2 ) que é produzido na fotossíntese surge das moléculas de água (H2O), que são quebradas ao final da fase clara, durante a fotólise da água.
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3ª) FOTÓLISE DA ÁGUA
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3ª) FOTÓLISE DA ÁGUA
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RESUMO DA FASE CLARA
1) A energia liberada formará moléculas de ATP;
2) Parte do oxigênio (O2) liberado será usado na respiração celular da própria célula vegetal;
3) Os hidrogênios serão capturados pelo NADP, formando NADPH2;
4) As moléculas de ATP e de NADPH2 serão usadas na próxima etapa da fotossíntese, que é a FASE ESCURA.
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Ocorre no estroma do cloroplasto.
Não depende de luz, nem de clorofila, mas depende da fase clara.
Nesta fase serão usadas substâncias formadas durante a fase clara (ATP e NADPH2).
O CO2 absorvido pela planta, a partir da atmosfera, combina-se com os hidrogênios do NADPH2, formando a molécula se glicose.
Como é uma reação de síntese, há consumo do ATP que foi produzido durante a fase clara.
FASE ESCURA(Ciclo das Pentoses ou Ciclo de
Calvin)
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FASE ESCURA(Ciclo das Pentoses ou Ciclo de
Calvin)
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EQUAÇÃO DA FOTOSSÍNTESE
Todo o processo da fotossíntese pode der representado pela seguinte equação química:
Esta reação pode ser simplificada da seguinte maneira:
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RESUMO DAS FASES DA FOTOSSÍNTESE
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FATORES LIMITANTES
FOTOSSÍNTESE
Clorofila
Luz solar
Água
CO2
Temperatura
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INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE CO2
À medida que a concentração de CO2 aumenta, aumenta a taxa de fotossíntese, até certo ponto, quando se estabiliza. Sendo uma reação enzimática, a partir daquele ponto, as enzimas estarão todas em funcionamento, não permitindo, portanto, uma elevação da taxa de fotossíntese.
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INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA
As reações enzimáticas dependem da temperatura. Entretanto, em altas temperaturas, as enzimas se desnaturam, perdendo sua atividade e impedindo a formação do complexo enzima-substrato.
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INTENSIDADE LUMINOSA
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PONTO DE COMPENSAÇÃO
As plantas só realizam a fotossíntese em presença de luz, mas respiram o tempo todo, estando claro ou escuro.
Ponto de compensação é a intensidade luminosa na qual a taxa de fotossíntese é igual à taxa de respiração.
Indica o ponto em que todo o oxigênio produzido na fotossíntese está sendo consumido na respiração.
PONTO DE COMPENSAÇÃO:Intensidade luminosa na qual
TF = TR
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Taxas de fotossíntese e da respiração celular aeróbia em função da intensidade luminosa.