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8.3: Usando energia luminosa para fazer moléculas orgânicas

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    Habilidades para desenvolver

    • Descreva o ciclo de Calvin
    • Defina a fixação de carbono
    • Explique como a fotossíntese funciona no ciclo energético de todos os organismos vivos

    Depois que a energia do sol é convertida em energia química e temporariamente armazenada nas moléculas de ATP e NADPH, a célula tem o combustível necessário para construir moléculas de carboidratos para armazenamento de energia a longo prazo. Os produtos das reações dependentes da luz, ATP e NADPH, têm vida útil na faixa de milionésimos de segundos, enquanto os produtos das reações independentes da luz (carboidratos e outras formas de carbono reduzido) podem sobreviver por centenas de milhões de anos. As moléculas de carboidratos produzidas terão uma espinha dorsal de átomos de carbono. De onde vem o carbono? Ele vem do dióxido de carbono, o gás que é um produto residual da respiração em micróbios, fungos, plantas e animais.

    O Ciclo Calvin

    Nas plantas, o dióxido de carbono (CO 2) entra nas folhas através dos estomas, onde se difunde por curtas distâncias pelos espaços intercelulares até atingir as células do mesófilo. Uma vez nas células do mesofilo, o CO 2 se difunde no estroma do cloroplasto - o local das reações de fotossíntese independentes da luz. Essas reações, na verdade, têm vários nomes associados a elas. Outro termo, o ciclo de Calvin, tem o nome do homem que o descobriu e porque essas reações funcionam como um ciclo. Outros o chamam de ciclo Calvin-Benson para incluir o nome de outro cientista envolvido em sua descoberta. O nome mais desatualizado é reações escuras, porque a luz não é necessária diretamente (Figura\(\PageIndex{1}\)). No entanto, o termo reação escura pode ser enganoso porque implica incorretamente que a reação ocorre apenas à noite ou é independente da luz, razão pela qual a maioria dos cientistas e instrutores não a usa mais.

    Esta ilustração mostra que o ATP e o NADPH produzidos nas reações de luz são usados no ciclo de Calvin para produzir açúcar.
    Figura\(\PageIndex{1}\): As reações de luz aproveitam a energia do sol para produzir ligações químicas, ATP e NADPH. Essas moléculas transportadoras de energia são produzidas no estroma onde ocorre a fixação do carbono.

    As reações independentes da luz do ciclo de Calvin podem ser organizadas em três estágios básicos: fixação, redução e regeneração.

    Estágio 1: Fixação

    No estroma, além do CO 2, dois outros componentes estão presentes para iniciar as reações independentes da luz: uma enzima chamada ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase/oxigenase (RuBisCO) e três moléculas de bisfosfato de ribulose (RuBP), conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{2}\). O RuBP tem cinco átomos de carbono, ladeados por dois fosfatos.

    Conexão artística

    Um diagrama do ciclo de Calvin é mostrado com seus três estágios: fixação de carbono, redução de 3-PGA e regeneração do RuBP. No estágio 1, a enzima RuBisco adiciona um dióxido de carbono à molécula de cinco carbonos RuBP, produzindo duas moléculas de três carbonos 3-PGA. No estágio 2, dois NADPH e dois ATP são usados para reduzir 3-PGA a GA3P. No estágio 3, o RuBP é regenerado a partir do GA3P. Um ATP é usado no processo. Três ciclos completos produzem um novo GA3P, que é retirado do ciclo e transformado em glicose (C6H12O6).
    Figura\(\PageIndex{2}\): O ciclo de Calvin tem três estágios. No estágio 1, a enzima RuBisco incorpora dióxido de carbono em uma molécula orgânica, 3-PGA. No estágio 2, a molécula orgânica é reduzida usando elétrons fornecidos pelo NADPH. No estágio 3, a RuBP, a molécula que inicia o ciclo, é regenerada para que o ciclo possa continuar. Apenas uma molécula de dióxido de carbono é incorporada por vez, então o ciclo deve ser concluído três vezes para produzir uma única molécula GA3P de três carbonos e seis vezes para produzir uma molécula de glicose de seis carbonos.

    Qual das seguintes afirmações é verdadeira?

    1. Na fotossíntese, oxigênio, dióxido de carbono, ATP e NADPH são reagentes. GA3P e água são produtos.
    2. Na fotossíntese, a clorofila, a água e o dióxido de carbono são reagentes. GA3P e oxigênio são produtos.
    3. Na fotossíntese, água, dióxido de carbono, ATP e NADPH são reagentes. RuBP e oxigênio são produtos.
    4. Na fotossíntese, a água e o dióxido de carbono são reagentes. GA3P e oxigênio são produtos.

    RuBiSco catalisa uma reação entre CO 2 e RuBP. Para cada molécula de CO 2 que reage com um RuBP, duas moléculas de outro composto (3-PGA) se formam. O PGA tem três carbonos e um fosfato. Cada turno do ciclo envolve apenas um RuBP e um dióxido de carbono e forma duas moléculas de 3-PGA. O número de átomos de carbono permanece o mesmo, pois os átomos se movem para formar novas ligações durante as reações (3 átomos de 3CO 2 + 15 átomos de 3RuBp = 18 átomos em 3 átomos de 3-PGA). Esse processo é chamado de fixação de carbono, porque o CO 2 é “fixado” de uma forma inorgânica em moléculas orgânicas.

    Estágio 2: Redução

    O ATP e o NADPH são usados para converter as seis moléculas de 3-PGA em seis moléculas de uma substância química chamada gliceraldeído 3-fosfato (G3P). Essa é uma reação de redução porque envolve o ganho de elétrons por 3-PGA. Lembre-se de que uma redução é o ganho de um elétron por um átomo ou molécula. Seis moléculas de ATP e NADPH são usadas. Para o ATP, a energia é liberada com a perda do átomo terminal de fosfato, convertendo-o em ADP; para o NADPH, tanto a energia quanto o átomo de hidrogênio são perdidos, convertendo-o em NADP +. Ambas as moléculas retornam às reações dependentes da luz próximas para serem reutilizadas e reenergizadas.

    Estágio 3: Regeneração

    Curiosamente, nesse ponto, apenas uma das moléculas de G3P sai do ciclo de Calvin e é enviada ao citoplasma para contribuir com a formação de outros compostos necessários à planta. Como o G3P exportado do cloroplasto tem três átomos de carbono, são necessárias três “voltas” do ciclo de Calvin para fixar carbono líquido suficiente para exportar um G3P. Mas cada turno dá dois G3Ps, portanto, três voltas produzem seis G3Ps. Uma é exportada enquanto as cinco moléculas de G3P restantes permanecem no ciclo e são usadas para regenerar o RuBP, o que permite que o sistema se prepare para que mais CO 2 seja corrigido. Mais três moléculas de ATP são usadas nessas reações de regeneração.

    Link para o aprendizado

    Esse link leva a uma animação do ciclo de Calvin. Clique em estágio 1, estágio 2 e, em seguida, estágio 3 para ver G3P e ATP se regenerarem para formar RuBP.

    Conexão de evolução: fotossíntese

    Durante a evolução da fotossíntese, uma grande mudança ocorreu do tipo bacteriano de fotossíntese que envolve apenas um fotossistema e é tipicamente anoxigênico (não gera oxigênio) para a fotossíntese oxigênica moderna (gera oxigênio), empregando dois fotossistemas. Essa fotossíntese oxigenada moderna é usada por muitos organismos - desde folhas tropicais gigantes na floresta tropical até pequenas células de cianobactérias - e o processo e os componentes dessa fotossíntese permanecem basicamente os mesmos. Os fotossistemas absorvem luz e usam cadeias de transporte de elétrons para converter energia em energia química do ATP e do NADH. As reações subsequentes independentes da luz então reúnem moléculas de carboidratos com essa energia.

    A fotossíntese em plantas do deserto desenvolveu adaptações que conservam água. No forte calor seco, cada gota de água deve ser usada para sobreviver. Como os estômatos devem se abrir para permitir a absorção de CO 2, a água escapa da folha durante a fotossíntese ativa. As plantas do deserto desenvolveram processos para conservar água e lidar com condições adversas. Um uso mais eficiente do CO 2 permite que as plantas se adaptem a viver com menos água. Algumas plantas, como cactos (Figura\(\PageIndex{3}\)) can prepare materials for photosynthesis during the night by a temporary carbon fixation/storage process, because opening the stomata at this time conserves water due to cooler temperatures. In addition, cacti have evolved the ability to carry out low levels of photosynthesis without opening stomata at all, an extreme mechanism to face extremely dry periods.

    This photo shows short, round prickly cacti growing in cracks in a rock.
    Figure \(\PageIndex{3}\): The harsh conditions of the desert have led plants like these cacti to evolve variations of the light-independent reactions of photosynthesis. These variations increase the efficiency of water usage, helping to conserve water and energy. (credit: Piotr Wojtkowski)

    The Energy Cycle

    Whether the organism is a bacterium, plant, or animal, all living things access energy by breaking down carbohydrate molecules. But if plants make carbohydrate molecules, why would they need to break them down, especially when it has been shown that the gas organisms release as a “waste product” (CO2) acts as a substrate for the formation of more food in photosynthesis? Remember, living things need energy to perform life functions. In addition, an organism can either make its own food or eat another organism—either way, the food still needs to be broken down. Finally, in the process of breaking down food, called cellular respiration, heterotrophs release needed energy and produce “waste” in the form of CO2 gas.

    In nature, there is no such thing as waste. Every single atom of matter and energy is conserved, recycling over and over infinitely. Substances change form or move from one type of molecule to another, but their constituent atoms never disappear (Figure \(\PageIndex{4}\)).

    CO2 is no more a form of waste than oxygen is wasteful to photosynthesis. Both are byproducts of reactions that move on to other reactions. Photosynthesis absorbs light energy to build carbohydrates in chloroplasts, and aerobic cellular respiration releases energy by using oxygen to metabolize carbohydrates in the cytoplasm and mitochondria. Both processes use electron transport chains to capture the energy necessary to drive other reactions. These two powerhouse processes, photosynthesis and cellular respiration, function in biological, cyclical harmony to allow organisms to access life-sustaining energy that originates millions of miles away in a burning star humans call the sun.

    This photograph shows a giraffe eating leaves from a tree. Labels indicate that the giraffe consumes oxygen and releases carbon dioxide, whereas the tree consumes carbon dioxide and releases oxygen.
    Figure \(\PageIndex{4}\): Photosynthesis consumes carbon dioxide and produces oxygen. Aerobic respiration consumes oxygen and produces carbon dioxide. These two processes play an important role in the carbon cycle. (credit: modification of work by Stuart Bassil)

    Summary

    Using the energy carriers formed in the first steps of photosynthesis, the light-independent reactions, or the Calvin cycle, take in CO2 from the environment. An enzyme, RuBisCO, catalyzes a reaction with CO2 and another molecule, RuBP. After three cycles, a three-carbon molecule of G3P leaves the cycle to become part of a carbohydrate molecule. The remaining G3P molecules stay in the cycle to be regenerated into RuBP, which is then ready to react with more CO2. Photosynthesis forms an energy cycle with the process of cellular respiration. Plants need both photosynthesis and respiration for their ability to function in both the light and dark, and to be able to interconvert essential metabolites. Therefore, plants contain both chloroplasts and mitochondria.

    Art Connections

    Figure \(\PageIndex{2}\): Which of the following statements is true?

    1. In photosynthesis, oxygen, carbon dioxide, ATP, and NADPH are reactants. G3P and water are products.
    2. In photosynthesis, chlorophyll, water, and carbon dioxide are reactants. G3P and oxygen are products.
    3. In photosynthesis, water, carbon dioxide, ATP, and NADPH are reactants. RuBP and oxygen are products.
    4. In photosynthesis, water and carbon dioxide are reactants. G3P and oxygen are products.
    Answer

    D

    Glossary

    Calvin cycle
    light-independent reactions of photosynthesis that convert carbon dioxide from the atmosphere into carbohydrates using the energy and reducing power of ATP and NADPH
    carbon fixation
    process of converting inorganic CO2 gas into organic compounds
    reduction
    gain of electron(s) by an atom or molecule