8.1: Visão geral da fotossíntese

Habilidades para desenvolver

• Explique a relevância da fotossíntese para outros seres vivos
• Descreva as principais estruturas envolvidas na fotossíntese
• Identifique os substratos e produtos da fotossíntese
• Resuma o processo de fotossíntese

A fotossíntese é essencial para toda a vida na Terra; tanto as plantas quanto os animais dependem dela. É o único processo biológico que pode capturar energia que se origina no espaço sideral (luz solar) e convertê-la em compostos químicos (carboidratos) que todo organismo usa para impulsionar seu metabolismo. Em resumo, a energia da luz solar é capturada e usada para energizar elétrons, que são então armazenados nas ligações covalentes das moléculas de açúcar. Quão duradouras e estáveis são essas ligações covalentes? A energia extraída hoje pela queima de carvão e derivados de petróleo representa a energia solar capturada e armazenada pela fotossíntese há quase 200 milhões de anos.

Plantas, algas e um grupo de bactérias chamadas cianobactérias são os únicos organismos capazes de realizar a fotossíntese (Figura\(\PageIndex{1}\)). Por usarem a luz para fabricar seus próprios alimentos, são chamados de fotoautotróficos (literalmente, “autoalimentadores usando luz”). Outros organismos, como animais, fungos e a maioria das outras bactérias, são denominados heterotróficos (“outros alimentadores”), porque precisam depender dos açúcares produzidos pelos organismos fotossintéticos para suas necessidades energéticas. Um terceiro grupo muito interessante de bactérias sintetiza açúcares, não usando a energia da luz solar, mas extraindo energia de compostos químicos inorgânicos; portanto, eles são chamados de quimioautotróficos.

Figura\(\PageIndex{1}\): Fotoautotróficos, incluindo (a) plantas, (b) algas e (c) cianobactérias, sintetizam seus compostos orgânicos via fotossíntese usando a luz solar como fonte de energia. Cianobactérias e algas planctônicas podem crescer em enormes áreas na água, às vezes cobrindo completamente a superfície. Em uma (d) abertura marítima profunda, quimioautotróficos, como essas bactérias (e) termofílicas, capturam energia de compostos inorgânicos para produzir compostos orgânicos. O ecossistema ao redor das aberturas tem uma variedade diversificada de animais, como vermes tubulares, crustáceos e polvos que derivam energia da bactéria. (crédito a: modificação do trabalho de Steve Hillebrand, Serviço de Pesca e Vida Selvagem dos EUA; crédito b: modificação do trabalho por “eutrofização e hipóxia” /Flickr; crédito c: modificação do trabalho pela NASA; crédito d: Universidade de Washington, NOAA; crédito e: modificação do trabalho de Mark Amend, Costa Oeste e Regiões Polares Centro de Pesquisa Submarina, UAF, NOAA)

A importância da fotossíntese não é apenas que ela pode capturar a energia da luz solar. Um lagarto tomando sol em um dia frio pode usar a energia do sol para se aquecer. A fotossíntese é vital porque evoluiu como uma forma de armazenar a energia na radiação solar (a parte “fotossíntese”) como elétrons de alta energia nas ligações carbono-carbono das moléculas de carboidratos (a parte “-síntese”). Esses carboidratos são a fonte de energia que os heterotróficos usam para alimentar a síntese de ATP por meio da respiração. Portanto, a fotossíntese alimenta 99 por cento dos ecossistemas da Terra. Quando um predador de topo, como um lobo, caça um veado (Figura\(\PageIndex{2}\)), o lobo está no final de um caminho de energia que passou das reações nucleares na superfície do sol à luz, à fotossíntese, à vegetação, ao veado e, finalmente, ao lobo.

Figura\(\PageIndex{2}\): A energia armazenada nas moléculas de carboidratos da fotossíntese passa pela cadeia alimentar. O predador que come esses cervos recebe uma parte da energia que se originou na vegetação fotossintética que o cervo consumiu. (crédito: modificação do trabalho de Steve VanRiper, Serviço de Pesca e Vida Selvagem dos EUA)

Estruturas principais e resumo da fotossíntese

A fotossíntese é um processo de várias etapas que requer luz solar, dióxido de carbono (que é baixo em energia) e água como substratos (Figura\(\PageIndex{3}\)). Depois que o processo é concluído, ele libera oxigênio e produz gliceraldeído-3-fosfato (GA3P), moléculas simples de carboidratos (com alto teor de energia) que podem ser posteriormente convertidas em glicose, sacarose ou qualquer uma das dezenas de outras moléculas de açúcar. Essas moléculas de açúcar contêm energia e o carbono energizado de que todos os seres vivos precisam para sobreviver.

Figura\(\PageIndex{3}\): A fotossíntese usa energia solar, dióxido de carbono e água para produzir carboidratos que armazenam energia. O oxigênio é gerado como um produto residual da fotossíntese.

A seguir está a equação química para a fotossíntese (Figura\(\PageIndex{4}\)):

Figura\(\PageIndex{4}\): A equação básica da fotossíntese é aparentemente simples. Na realidade, o processo ocorre em várias etapas, envolvendo reagentes e produtos intermediários. A glicose, a principal fonte de energia nas células, é feita de dois Ga3Ps de três carbonos.

Embora a equação pareça simples, as muitas etapas que ocorrem durante a fotossíntese são, na verdade, bastante complexas. Antes de aprender os detalhes de como os fotoautotróficos transformam a luz do sol em alimento, é importante se familiarizar com as estruturas envolvidas.

Nas plantas, a fotossíntese geralmente ocorre nas folhas, que consistem em várias camadas de células. O processo de fotossíntese ocorre em uma camada intermediária chamada mesófila. A troca gasosa de dióxido de carbono e oxigênio ocorre por meio de pequenas aberturas reguladas chamadas estômatos (singular: estoma), que também desempenham papéis na regulação das trocas gasosas e do balanço hídrico. Os estômatos geralmente estão localizados na parte inferior da folha, o que ajuda a minimizar a perda de água. Cada estoma é flanqueado por células de guarda que regulam a abertura e o fechamento dos estômatos por meio de inchaço ou encolhimento em resposta a alterações osmóticas.

Em todos os eucariotos autotróficos, a fotossíntese ocorre dentro de uma organela chamada cloroplasto. Para as plantas, existem células contendo cloroplasto no mesófilo. Os cloroplastos têm um envelope de membrana dupla (composto por uma membrana externa e uma membrana interna). Dentro do cloroplasto estão empilhadas estruturas em forma de disco chamadas tilacóides. Embutida na membrana tilacóide está a clorofila, um pigmento (molécula que absorve a luz) responsável pela interação inicial entre a luz e o material vegetal, e inúmeras proteínas que compõem a cadeia de transporte de elétrons. A membrana tilacóide envolve um espaço interno chamado lúmen tilacóide. Conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{5}\), uma pilha de tilacóides é chamada de grão, e o espaço cheio de líquido ao redor do grão é chamado de estroma ou “leito” (não deve ser confundido com estoma ou “boca”, uma abertura na epiderme da folha).

Conexão artística

Figura\(\PageIndex{5}\): A fotossíntese ocorre nos cloroplastos, que possuem uma membrana externa e uma interna. Pilhas de tilacóides chamadas grana formam uma terceira camada de membrana.

Em um dia quente e seco, as plantas fecham seus estômatos para conservar água. Que impacto isso terá na fotossíntese?

As duas partes da fotossíntese

A fotossíntese ocorre em dois estágios sequenciais: as reações dependentes da luz e as reações independentes da luz. Nas reações dependentes da luz, a energia da luz solar é absorvida pela clorofila e essa energia é convertida em energia química armazenada. Nas reações independentes da luz, a energia química coletada durante as reações dependentes da luz impulsiona a montagem de moléculas de açúcar a partir do dióxido de carbono. Portanto, embora as reações independentes da luz não usem a luz como reagente, elas exigem que os produtos das reações dependentes da luz funcionem. Além disso, várias enzimas das reações independentes da luz são ativadas pela luz. As reações dependentes da luz utilizam certas moléculas para armazenar temporariamente a energia: elas são chamadas de transportadoras de energia. Os transportadores de energia que movem a energia das reações dependentes da luz para as reações independentes da luz podem ser considerados “cheios” porque são ricos em energia. Depois que a energia é liberada, os portadores de energia “vazios” retornam à reação dependente da luz para obter mais energia. A figura\(\PageIndex{6}\) ilustra os componentes dentro do cloroplasto onde ocorrem as reações dependentes da luz e independentes da luz.

Figura\(\PageIndex{6}\): A fotossíntese ocorre em dois estágios: reações dependentes da luz e o ciclo de Calvin. As reações dependentes da luz, que ocorrem na membrana tilacóide, usam a energia da luz para produzir ATP e NADPH. O ciclo de Calvin, que ocorre no estroma, usa energia derivada desses compostos para produzir GA3P a partir de CO ₂.

Link para o aprendizado

Clique no link para saber mais sobre a fotossíntese.

Conexão diária: fotossíntese na mercearia

Figura\(\PageIndex{7}\): Os alimentos que os humanos consomem são originários da fotossíntese. (crédito: Associação Brasileira de Supermercados)

As principais mercearias dos Estados Unidos estão organizadas em departamentos, como laticínios, carnes, produtos hortifrutícolas, pães, cereais e assim por diante. Cada corredor (Figura\(\PageIndex{7}\)) contém centenas, senão milhares, de produtos diferentes para os clientes comprarem e consumirem.

Embora haja uma grande variedade, cada item está vinculado à fotossíntese. Carnes e laticínios se unem, porque os animais foram alimentados com alimentos vegetais. Os pães, cereais e massas vêm principalmente de grãos ricos em amido, que são as sementes de plantas dependentes da fotossíntese. E quanto a sobremesas e bebidas? Todos esses produtos contêm açúcar — a sacarose é um produto vegetal, um dissacarídeo, uma molécula de carboidrato, que é construída diretamente da fotossíntese. Além disso, muitos itens são derivados menos obviamente de plantas: por exemplo, produtos de papel são geralmente produtos vegetais, e muitos plásticos (abundantes como produtos e embalagens) são derivados de algas. Praticamente todas as especiarias e aromatizantes no corredor de especiarias eram produzidos por uma planta como folha, raiz, casca, flor, fruta ou caule. Em última análise, a fotossíntese se conecta a cada refeição e a cada alimento que uma pessoa consome.

Resumo

O processo de fotossíntese transformou a vida na Terra. Ao aproveitar a energia do sol, a fotossíntese evoluiu para permitir que os seres vivos tenham acesso a enormes quantidades de energia. Por causa da fotossíntese, os seres vivos obtiveram acesso a energia suficiente que lhes permitiu construir novas estruturas e alcançar a biodiversidade evidente hoje.

Somente certos organismos, chamados fotoautotróficos, podem realizar a fotossíntese; eles requerem a presença da clorofila, um pigmento especializado que absorve certas porções do espectro visível e pode capturar energia da luz solar. A fotossíntese usa dióxido de carbono e água para reunir moléculas de carboidratos e liberar oxigênio como produto residual na atmosfera. Autótrofos eucarióticos, como plantas e algas, têm organelas chamadas cloroplastos, nas quais ocorre a fotossíntese e o amido se acumula. Em procariontes, como as cianobactérias, o processo é menos localizado e ocorre dentro de membranas dobradas, extensões da membrana plasmática e no citoplasma.

Conexões artísticas

Figura\(\PageIndex{5}\): Em um dia quente e seco, as plantas fecham seus estômatos para conservar água. Que impacto isso terá na fotossíntese?

Resposta

Os níveis de dióxido de carbono (um substrato fotossintético necessário) cairão imediatamente. Como resultado, a taxa de fotossíntese será inibida.

Glossário

quimioautotrófico

organismo que pode construir moléculas orgânicas usando energia derivada de substâncias químicas inorgânicas em vez da luz solar

cloroplasto

organela na qual a fotossíntese ocorre

grão

pilha de tilacóides localizados dentro de um cloroplasto

heterotrófico

organismo que consome substâncias orgânicas ou outros organismos para alimentação

reação dependente da luz

primeiro estágio da fotossíntese, onde certos comprimentos de onda da luz visível são absorvidos para formar duas moléculas transportadoras de energia (ATP e NADPH)

reação independente da luz

segundo estágio da fotossíntese, no entanto, no qual o dióxido de carbono é usado para construir moléculas de carboidratos usando energia de ATP e NADPH

mesófilo

camada média de células ricas em clorofila em uma folha

fotoautotrófico

organismo capaz de produzir seus próprios compostos orgânicos a partir da luz solar

pigmento

molécula que é capaz de absorver certos comprimentos de onda de luz e refletir outros (o que explica sua cor)

estoma

abertura que regula as trocas gasosas e a evaporação da água entre as folhas e o meio ambiente, normalmente situada na parte inferior das folhas

estroma

espaço cheio de fluido ao redor da grana dentro de um cloroplasto, onde ocorrem as reações de fotossíntese independentes da luz

tilacóide

Estrutura em forma de disco, ligada à membrana dentro de um cloroplasto, onde ocorrem as reações da fotossíntese dependentes da luz; pilhas de tilacóides são chamadas de grana

lúmen tilacóide

espaço aquoso limitado por uma membrana tilacóide onde os prótons se acumulam durante o transporte de elétrons acionado pela luz