Determinação do processo de fotossíntese

1. Introdução

A luz solar é a fonte primária de toda a energia que mantém a biosfera de nosso planeta. Por meio da fotossíntese, as plantas, algas e alguns tipos de bactérias convertem a energia física da luz solar em energia química, e esse processo é essencial para a manutenção de todas a formas de vida aqui existentes. A fotossíntese pode ser definida como um processo físico-químico, mediante qual os organismos fotossintéticos sintetizam compostos orgânicos a partir de matéria-prima inorgânica, na presença de luz solar. O processo fotossintético das plantas ocorre nos cloroplastos e resulta na liberação de oxigênio molecular e na captura de dióxido de carbono da atmosfera, que é utilizado para sintetizar carboidratos (Figura 1).

Figura 1. Esquema simplificado da fotossíntese

A fotossíntese pode ser representada pela seguinte equação empírica:

CO2 + H2O + Energia luminosa =====> [CH2O] + O2 + H2O

em que, [CH2O] representa carboidrato (açúcares). A síntese de carbohidratos a partir de dióxido de carbono e água requer um grande ingresso de energia. A energia livre para a redução de um mol de CO2 até o nível de glicose é de 478 kJ mol-1.

A fotossíntese é um processo muito complexo que compreende muitas reações físicas e químicas, que ocorrem de maneira coordenada em sistemas de proteínas, pigmentos e outros compostos associados a membranas. Em geral, o processo fotossintético é analisado em duas etapas interdependentes e simultâneas: 1) a etapa fotoquímica, antigamente chamada de fase "luminosa" e 2) a etapa química, também chamada de ciclo fotossintético redutivo do carbono, antigamente chamada de fase "escura".

Os produtos primários da etapa fotoquímica são o ATP e o NADPH2 . Nessa etapa, também ocorre a liberação do oxigênio, como subproduto da dissociação da molécula da água. A etapa química da fotossíntese é uma etapa basicamente enzimática, na qual o CO2 é fixado e reduzido até carboidratos, utilizando o NADPH2 e o ATP produzidos na etapa fotoquímica (Figura 2).

Todas as plantas e animais respiram e, por meio desse processo que ocorre no citoplasma e mitocôndrios, os carboidratos e outros constituintes celulares são convertidos em dióxido de carbono e água com a liberação de energia. Assim, a fotossíntese e a respiração são processos importantes na regulação dos teores de oxigênio e dióxido de carbono da atmosfera terrestre.

2. Cloroplastos: Estrutura e Organização e função

Nas plantas, o processo fotossintético ocorre dentro dos cloroplastos, que são plastídeos localizados em células especializadas das folhas (células do mesófilo paliçádico e do mesófilo lacunoso). O número de cloroplastos por célula varia de um a mais de cem, dependendo do tipo de planta e das condições de crescimento. Os cloroplastos têm forma discóide com diâmetro de 5 a 10 micras, limitado por uma dupla membrana (externa e interna). A membrana interna atua como uma barreira controlando o fluxo de moléculas orgânicas e íons dentro e fora do cloroplasto. Moléculas pequenas como CO2 , O2 e H2O passam livremente através das membranas do cloroplasto.

Existem evidências de que os cloroplastos foram bactérias de vida livre que invadiram células não fotossintéticas. A presença de DNA no estroma é uma evidência. No entanto, a maior parte do DNA necessário para a biossíntese de novos cloroplastos está localizada no núcleo da célula. Internamente, o cloroplasto é composto de um sistema complicado de membranas, conhecidas como membranas fotossintéticas (ou membranas tilacoidais ou lamelas), que contêm a maioria das proteínas necessárias para a etapa fotoquímica da fotossíntese. As proteínas requeridas para a fixação e redução do CO2 estão localizadas na matriz incolor chamada estroma. As membranas tilacoidais formam os tilacóides, que são vesículas achatadas com um espaço interno aquoso chamado lumen. Os tilacóides, em certas regiões, se dispõem em pilhas chamadas de granum (Figura 2).

Figura 2. Localização dos cloroplastos e esquema da fase fotoquimica da fotossintese mostrando os complexos proteicos envolvidos no transporte de elétrons para redução do NADP (PSII, cit b6/f, PSI) e na formação de ATP (ATPsintase)

3. A Luz Como Fonte Primaria de Energia

A luz , fonte primária de energia na fotossíntese, é parte da radiação eletromagnética que é visível ao olho humano. A "luz visível" têm comprimentos de onda que vão do violeta, com cerca de 380 nm, ao vermelho, com 700 nm. Essa faixa do espectro de radiação eletromagnética também é chamada "radiação fotossinteticamente ativa" (Figura 3).

Figura 3. Espectro da Radiação Fotossinteticamente Activa (RFA)

Em 1900, Max Planck enunciou a teoria quântica, que estabelece que a radiação eletromagnética é emitida ou absorvida em discretas "unidades" de energia chamadas quanta. Matematicamente, a energia de um quantum de radiação pode ser expressa por E = h , em que, E é a energia de um único quantum de radiação,  é a freqüência da radiação (freqüência é o número de ondas transmitidas na unidade de tempo ) e h é a constante de Planck (6,625 x 10-34 J. s). A freqüência  , é igual a c/ , em que c , é velocidade da luz (3 x 108 m. s-1 ) e  é comprimento de onda.

A energia luminosa apresenta natureza ondulatória e particulada. A luz é transmitida em ondas e absorvida ou emitida em partículas chamadas de fótons, com energia inversamente proporcional ao comprimento de onda. Assim, fótons de luz azul, de comprimento de onda curto, são mais energéticos do que fótons de luz vermelha, de maior comprimento de onda.

Para que a fotossíntese ocorra, os pigmentos fotossintéticos (clorofilas) devem absorver a energia de um fóton de dado comprimento de onda e, então, utilizar essa energia para iniciar uma cadeia de eventos da fase fotoquímica da fotossíntese. De acordo com a lei de equivalência fotoquímica de Einstein, uma molécula apenas reagirá depois de ter absorvido a energia de um fóton (h ). Em conseqüência, um mol de clorofila deve absorver 6,024 x 1023 (N) fótons de energia, ou seja, Nh para iniciar a reação. Um mol de luz vermelha de 700 nm contém 17,10 x 104 Joules por mol, enquanto um mol de luz azul contém 23,93 x 104 Joules por mol.

4. Pigmentos Fotossintéticos

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