Fotossíntese, Teses (TCC) de Agronomia

Baixe Fotossíntese e outras Teses (TCC) em PDF para Agronomia, somente na Docsity! UNIDADE V FOTOSSÍNTESE 103 FOTOSSÍNTESE 1. INTRODUÇÃO O termo fotossíntese significa, literalmente, “síntese usando a luz”. Os organismos fotossintéticos captam e utilizam a energia solar para oxidar H2O, liberando O2, e para reduzir CO2, produzindo compostos orgânicos, primariamente açúcares. Esta energia estocada nas moléculas orgânicas é utilizada nos processos celulares da planta e serve como fonte de energia para todas as formas de vida. O mesofilo é o tecido mais ativo em termos de fotossíntese. As células desse tecido foliar contêm muitos cloroplastos, organelas circundadas por uma dupla membrana, os quais possui um pigmento verde especializado, a clorofila. Nos cloroplastos, a luz é absorvida pelas moléculas de clorofila e a energia é colhida por duas diferentes unidades funcionais, conhecidas como fotossistemas. A energia da luz absorvida é utilizada para impulsionar a transferência de elétrons através de uma série de compostos que agem como doadores e aceptores de elétrons. A maioria dos elétrons é utilizada para reduzir NADP+ para NADPH. A energia da luz é utilizada, também, para gerar um gradiente de prótons entre o estroma e o lúmem dos tilacóides, o qual é usado para síntese da ATP. Os produtos destas reações (ATP e NADPH) são usados para a síntese de açúcares nas reações de fixação e redução de CO2. 2. EVOLUÇÃO HISTÓRICA DOS CONHECIMENTOS SOBRE FOTOSSÍNTESE (Prisco, 1989) Na Grécia antiga acreditava-se que as plantas obtinham do solo e da água todos os elementos necessários ao seu crescimento. Foi somente no século XVIII, mais precisamente em 1727, que Stephan Hales sugeriu que parte da nutrição da planta dependia da atmosfera, tendo a luz papel importante neste processo. Nesta época, ainda não se conhecia a composição química do ar e nem se tinha idéia de como acontecia a respiração dos animais. Os alquimistas, tentando explicar o fenômeno da combustão, criaram a teoria de que quando, por exemplo, uma vela queimava havia a produção de uma “substância tóxica”, denominada flogisto (fluido produzido como resultado da combustão), que fazia com que o ar se tornasse impuro ou contaminado. Em 1771, o inglês Joseph Priestley descobriu que se um rato era colocado sob uma campânula juntamente com uma vela acesa, depois de algum tempo o animal morria. Sua interpretação foi que o ar estava contaminado devido a combustão da vela, a qual produzia “flogisto”. Quando ele substituiu o rato por uma planta, ela se desenvolveu normalmente. Isto foi interpretado por ele como sendo devido à capacidade que têm as plantas de purificar o ar, ou seja, de “desflogistá-lo”. Ao tomar conhecimento das experiências de Priestley, o cientista holandês Jan Ingen-Housz deu continuidade ao trabalho e em 1779 concluiu que a “purificação do ar” feita pelas plantas dependia da luz e que isto só ocorria nas partes verdes da planta. As partes não verdes (raízes, por exemplo) comportavam-se de maneira idêntica aos animais. Nesta época, o químico francês Antoine Lavoisier esclareceu o fenômeno da combustão, demonstrando que neste processo o que ocorre é o consumo de oxigênio com conseqüente liberação de gás carbônico, colocando por terra a teoria do flogisto. De posse desta informação, Ingen-Housz e o suíço Jean Senebier (1782) concluíram que o CO2 existente no ar era a fonte de carbono para a formação da matéria orgânica vegetal. As 106 demonstraram: qual era o composto aceptor de CO2, como o CO2 era fixado, qual era o primeiro composto formado na fotossíntese, como o composto aceptor de CO2 era regenerado e como os carboidratos, aminoácidos e outros compostos orgânicos eram sintetizados durante este processo fisiológico. Como reconhecimento pela elucidação do ciclo de redução do carbono na fotossíntese o professor M. Calvin recebeu o Prêmio Nobel da Química de 1961. Na década de 1960, os americanos liderados por H. P. Kortshak da Estação Experimental de Cana-de-açúcar do Hawai e os australianos M. D. Hatch e C. R. Slack demonstraram que o ciclo elucidado por Calvin não era o único encontrado em plantas superiores. A este novo ciclo deu-se o nome de Ciclo dos Ácidos Dicarboxílicos e as plantas que o possuem foram denominados de plantas do tipo C4 para distinguí-las das plantas tipo C3, as quais possuem somente o ciclo de Calvin. O estudo da fotossíntese ao longo de quase 300 anos, que acabamos de descrever, é um exemplo de como evolui o conhecimento científico. Pesquisadores de diferentes nacionalidades e com formação a mais diversificada, conseguiram construir uma doutrina coerente, através do trabalho paciente e organizado, em que foram sendo agrupados diversos conhecimentos como se fossem peças de um quebra-cabeça. Resumindo tudo o que foi visto até aqui podemos afirmar que a fotossíntese é o resultado de uma série de reações fotoquímicas e bioquímicas. A energia luminosa ao ser absorvida pela clorofila provoca uma reação fotoquímica que resulta na retirada de elétrons da água (causando liberação de O2) e consequentemente elevação dos mesmos (elétrons) para níveis energéticos mais elevados (através dos dois fotossistemas), que possibilitam a síntese de ATP (energia) e NADPH (poder redutor). A energia química e o poder redutor assim formado são utilizados para reduzir o CO2 a compostos orgânicos, durante as reações bioquímicas da fotossíntese. 3. REAÇÕES FOTOQUÍMICAS a) Estrutura dos Cloroplastos O cloroplasto é o local onde ocorre a fotossíntese dos Eucariotos fotossintéticos (Figura 2). É um tipo de plastídio que, nas plantas, é encontrado principalmente nos caules e folhas. São organelas circundadas por uma dupla membrana e que possuem um sistema de membranas internas conhecido como tilacóide. Assim, os cloroplastos possuem três compartimentos distintos: o espaço intermembranar, o estroma (matriz) e o lúmem dos tilacóides. Os tilacóides podem aparecer empilhados ou não. As regiões empilhadas são chamadas de lamelas do grana, enquanto as regiões não empilhadas são chamadas de lamelas do estroma. Nestes sistemas de membranas é que se encontram os pigmentos e é onde ocorrem as reações fotoquímicas. As reações bioquímicas associadas à fixação de CO2, ocorrem na região aquosa que circunda os tilacóides, conhecida como estroma. 107 Figura 2 – Esquema mostrando a organização estrutural dos cloroplastos (Taiz & Zeiger, 1998) Outra característica do cloroplasto é a existência de grânulos de amido, gotículas de lipídio, DNA, RNA e ribossomos, próprios da organela. Assim, algumas proteínas dos cloroplastos são produtos da transcrição e tradução que ocorrem no próprio cloroplasto, enquanto outras são codificadas pelo DNA nuclear, sintetizadas nos ribossomos citosólicos e transportados para os cloroplastos. b) A Absorção de Luz pelos Pigmentos Fotossintéticos A clorofila aparece verde para nossos olhos porque ela absorve luz nos comprimentos de onda referentes ao vermelho e ao azul, na região visível do espectro, e a luz nos comprimentos de onda correspondente ao verde é refletida. Esta relação entre a absorção da luz e o comprimento de onda, é mostrada em gráficos conhecidos como espectro de absorção. O espectro de absorção de luz de alguns pigmentos é mostrado na figura 3. Figura 3 - Espectro de absorção das clorofilas (a + b) e dos carotenóides. 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 400 450 500 550 600 650 700 750 Comprimento de Onda (nm) A b s o rv â n c ia Clorofila a + b Carotenóides 108 A luz proveniente do sol tem características tanto de onda como de partícula. A onda é caracterizada pelo seu comprimento e pela freqüência, sendo que o comprimento de onda tem relação inversa com a energia (Tabela 1). Já a luz como partícula é conhecida como fóton. Cada fóton contém um montante de energia conhecido como quantum (plural quanta). A energia (E) de um fóton depende do comprimento de onda de acordo a Lei de Plank; E = h . c ou E = hν λ Em que: h = constante de Plank; c = velocidade da luz; λ = comprimento de onda. Como a freqüência é dada por: ν = c/λ , Pode-se escrever também: E = hν É importante destacar que um fóton não pode ser subdividido nem um elétron pode ser parcialmente excitado. Em outras palavras, “um fóton pode excitar apenas um elétron” (Lei de Einstein- Stark). O nível que o elétron no estado vai atingir depende da energia do fóton, ou seja, depende do comprimento de onda. Tabela 1 – Principais radiações de interesse biológico (Hopkins, 2000) Cor Faixa de Comprimento de Onda (nm) Energia Média (kJ mol-1 fótons) Ultravioleta 100 – 400 UV – C 100 – 280 471 UV – B 280 – 320 399 UV – A 320 – 400 332 Visível 400 – 740 Violeta 400 – 425 290 Azul 425 – 490 274 Verde 490 – 550 230 Amarelo 550 – 585 212 Laranja 585 – 640 196 Vermelho 640 – 700 181 Vermelho distante 700 – 740 166 Infra-Vermelho > 740 85 Assim, a luz do sol é um espectro de raios de diferentes comprimentos de onda ou de diferentes freqüências. O espectro de absorção da clorofila indica e coincide aproximadamente com a região do espectro que é efetiva na fotossíntese. A efetividade de um processo com relação ao comprimento de onda produz um gráfico conhecido como espectro de ação (Figura 4). 111 Figura 6 – Estrutura molecular de pigmentos fotossintéticos (Taiz & Zeiger, 1998) A maioria dos pigmentos serve como uma antena, coletando a luz e transferindo a energia, por ressonância induzida, para o centro de reação, onde a reação fotoquímica ocorre (Figura 7). Isto é necessário porque uma molécula de clorofila absorve poucos fótons por segundo. O sistema de antena, portanto, é importante, pois torna o processo ativo a maior parte do tempo (dia). 112 Figura 7 – O sistema em antena transferindo a excitação para o centro de reação (Taiz & Zeiger, 1998). O mecanismo pelo qual a energia de excitação é passada da clorofila que absorve a luz para o centro de reação, é conhecido como transferência por ressonância induzida. Não se trata de uma re-emissão de fótons, mas de uma transferência de energia de excitação de molécula para molécula por um processo não radioativo. O resultado final é que 95 a 99% de fótons absorvidos pelos pigmentos antena são transferidos para os centros de reação, onde podem ser usados na reação fotoquímica. A luz é absorvida nos centros de reação de duas unidades conhecidas como fotossistemas. O centro de reação de uma dessas unidades absorve preferencialmente a luz de comprimento de onda maior que 680 nm, precisamente em 700 nm, sendo denominada de fotossistema I (P700). A outra unidade absorve a luz preferencialmente em 680 nm, sendo chamada de fotossistema II (P680). Estes dois fotossistemas trabalham simultaneamente e em série, como foi demonstrado inicialmente por Emerson (Efeito de Intensificação de Emerson, ver figura 1). Os pigmentos que absorvem a luz não estão distribuídos de forma desordenada nas membranas dos tilacóides. Na realidade, em cada fotossistema, existe pelo menos um complexo coletor de luz (antenas) formado por proteínas e pigmentos a elas associados (ver figura 8). O complexo coletor de luz do fotossistema II (LHC II) e o do fotossistema I (LHC I). O fotossistema II e o seu complexo coletor de luz estão localizados predominantemente nas lamelas dos grana (regiões empilhadas). Já o fotossistema I e o seu complexo coletor de luz e, também, o sistema de síntese de ATP, são encontrados quase que exclusivamente nas lamelas do estroma (regiões não empilhadas) e nas bordas externas das lamelas dos grana. 113 d) Mecanismos de Transporte de Prótons e de Elétrons Todas as etapas que constituem as reações dependentes de luz são realizadas por quatro complexos protéicos (Figura 8): fotossistema II (PS II), complexo protéico do citocromo b6f, fotossistema I (PS I) e ATP sintase. Estes complexos possuem proteínas transmembranares orientadas vetorialmente nas membranas dos tilacóides, de modo que a H2O é oxidada a O2 no lúmem do tilacóide (o sistema de oxidação da água é formado por proteínas periféricas que parecem estar associadas ao PS II, no lado do lúmem do tilacóide), NADP+ é reduzido para NADPH no lado estromal e ATP é liberado no estroma pelo movimento de H+ do lúmem para o estroma. Figura 8 – O transporte vetorial de prótons e elétrons nas membranas dos tilacóides (Hopkins, 2000) Nas reações fotoquímicas pode se distinguir dois tipos de fluxos de elétrons: fluxo não cíclico e fluxo cíclico (Figura 9). O fluxo de elétrons não cíclico inicia-se no fotossistema II (PS II). O centro de reação do PS II consiste de duas proteínas de membrana conhecidas como D1 e D2, as quais possuem massas moleculares de 32 e 34 kDa, respectivamente. Associado a estas proteínas tem a clorofila a680 (P680) e muitas clorofilas adicionais, carotenóides, feofitina e plastoquinonas. A luz excita a molécula de clorofila (P680) no centro de reação, o que a torna um forte agente redutor (Figura 9). Este centro de reação pode, então, transferir um elétron para uma molécula aceptora. Estudos indicam que a feofitina (uma molécula de clorofila em que o Mg2+ é substituído por dois H+) é o primeiro aceptor de elétrons no PS II, seguido de duas quinonas. Um elétron é transferido de P680 para feofitina, desta para uma primeira quinona (Quinona A) e desta última para uma segunda quinona (Quinona B), onde permanece. O P680 oxidado é paralelamente reduzido pelo doador de elétrons conhecido como Yz (um intermediário, identificado como um resíduo de tirosina na proteína D1), que transfere os elétrons da água para o P680. O P680 recebe outro fóton de luz e, uma vez excitado, transfere um segundo elétron para feofitina. Esta transfere o segundo elétron para a Quinona A, que transfere para a Quinona B. Esta quinona recebe dois H+ do meio (no lado do estroma) ficando reduzida (QH2). Esta hidroquinona dissocia-se do complexo PS II, migra na porção hidrofóbica da membrana, onde ela transfere seus elétrons para o complexo citocromo b6f e 116 f) A Síntese de ATP Em adição à energia estocada na forma de poder redutor (NADPH), uma porção da energia dos fótons é capturada para formação de ATP. Esta fotofosforilação é explicada pelo mecanismo quimiosmótico. O princípio básico da quimiosmose é que “diferenças na concentração de íons (representadas aqui pela diferença na concentração de H+ ou de pH) e de potencial elétrico (∆E) entre os dois lados das membranas biológicas são fontes de energia livre que podem ser utilizadas pela célula”. ∆p = ∆E + 59 ∆pH ∆p: força motriz de prótons Como vimos anteriormente, o fluxo de elétrons na fotossíntese gera, paralelamente, um gradiente de H+ (Figura 8 e Figura 11). Os prótons são transportados para o lúmem dos tilacóides, ocorrendo um aumento do pH no estroma e uma queda do pH no lúmem. Os H+ ao retornarem para o estroma, a favor do seu gradiente, liberam energia que é utilizada para a síntese de ATP. Figura 11 – O acoplamento do sistema de transporte de elétrons com a síntese de ATP estabelece uma transferência de prótons (Hopkins, 2000). O processo de síntese de ATP é catalisado pelo complexo enzimático transmembranar, conhecido como CFo-CF1 ATP Sintase (Figura 11). A porção hidrofóbica do complexo, CFo, parece formar o canal através da membrana, o qual favorece a passagem dos H+. O sítio catalítico, por sua vez, se localiza na porção CF1, que fica no lado estromal, onde ocorre a síntese de ATP a partir de ADP e Pi. A estequiometria de H+ transportados por ATP sintetizado foi calculado recentemente como sendo: 4 H+ / 1 ATP. 117 4. CICLO DE REDUÇÃO DO CARBONO Recentes estimativas indicam que cerca de 200 bilhões de toneladas de CO2 são convertidas para a biomassa a cada ano. As reações que catalisam a redução de CO2 para carboidratos são acopladas ao consumo de ATP e NADPH gerados no fluxo de elétrons fotossintético (Figura 12). Esta redução de CO2 ocorre no estroma, a fase solúvel do cloroplasto, onde estão localizadas as enzimas que catalisam tais reações. Figura 12 – A relação entre as reações fotoquímicas e bioquímicas da fotossíntese (Taiz & Zeiger, 1998). Muitos estudiosos acreditavam que as reações de fixação de CO2 eram independentes da luz, e elas foram denominadas de “reações do escuro”. Nas últimas três décadas, no entanto, tornou-se claro que estas reações são controladas pela luz. Assim, denominações como Fase Bioquímica da Fotossíntese, Reações de Fixação do Carbono, Ciclo de Redução do Carbono ou Ciclo de Redução da Pentose-fosfato são preferidas hoje. a) Ciclo de Calvin Todos os eucariotos fotossintéticos, desde a mais primitiva alga até a mais avançada Angiosperma, reduzem CO2 para carboidratos, via o ciclo de Calvin, descrito originalmente para espécies C3. O ciclo da Calvin consiste de três fases: carboxilação, redução e regeneração (Figura 13) • Carboxilação CO2 + ribulose-1,5-bisFosfato → intermediário instável + H2O → 2 (3 – fosfoglicerato) (5C) (6C) 2 (3C) obs: O intermediário instável é o 2-carboxi-3-cetoarabinitol-1,5-bifosfato. O 3-Fosfoglicerato é o primeiro intermediário estável do ciclo de Calvin. A reação descrita acima é catalisada pela enzima ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase/oxigenase, conhecida como rubisco. Esta proteína enzimática, com massa molecular de aproximadamente 560kDa, é constituída de 16 subunidades (L8S8), sendo oito subunidades menores (S8), originadas do DNA nuclear, e oito subunidades maiores (L8) originadas do 118 DNA do cloroplasto. Esta enzima é a principal proteína encontrada em folhas verdes, correspondendo a até 40% da proteína total deste órgão. A rubisco, como o próprio nome indica, tem atividade carboxilásica e oxigenásica, embora a afinidade pela carboxilação assegure a ocorrência da fotossíntese mesmo que a concentração de CO2 seja muito menor que a de O2, como ocorre normalmente na natureza. Figura 13 – Fases do ciclo de Calvin (Taiz & Zeiger, 1998) 121 A rubisco, por sua vez, é regulada pela carbamilação (Figura 15). Quando os cloroplastos são submetidos à luz, ocorre um aumento no pH do estroma. Este aumento no pH do estroma provoca a desprotonação do grupamento amino (ε-NH3 +) de um resíduo de lisina no sítio ativo da enzima. Este grupamento passa de NH3 + para NH2. Este resíduo desprotonado reage com uma molécula de CO2 (que não é a mesma molécula substrato) ficando a enzima com uma carga negativa (NHCOO-). A ativação final da enzima depende da atração eletrostática desta carga negativa com íons Mg2+. A concentração deste íon no estroma também aumenta em folhas expostas à luz. Figura 15 – Mecanismo de regulação da atividade da rubisco pela luz (Taiz & Zeiger, 1998) d) O Ciclo Fotorrespiratório O ciclo fotorrespiratório está relacionado com a atividade de oxigenação da rubisco e resulta na perda de CO2 e na diminuição da eficiência fotossintética (Figura 16). As moléculas de CO2 e O2 competem na reação catalisada pela rubisco, visto que, carboxilação e oxigenação ocorrem no mesmo sítio ativo da enzima. Em teste em tubo de ensaio, com iguais concentrações de CO2 e O2, a rubisco de Angiospermas fixa CO2 80 vezes mais rápido do que fixa O2. No entanto, em solução aquosa em equilíbrio com o ar, a 25 oC, a relação [CO2]/[O2] = 0,0416. Nesta situação, em que a concentração de CO2 é muito menor que a de O2, a carboxilação supera a oxigenação em apenas três vezes. Na reação de oxigenação o O2 reage com a ribulose-1,5- bisfosfato e produz um composto de três carbonos (3-fosfoglicerato) e outro de dois carbonos (2-fosfoglicolato). O2 + ribulose-1,5-bisfosfato → 3-fosfoglicerato + 2-fosfoglicolato + 2H + (5C) (3C) (2C) O ciclo fotorrespiratório serve para recuperar os dois carbonos gerados pela atividade oxigenase, na forma de 2-Fosfoglicolato. Este ciclo envolve três compartimentos celulares: cloroplasto, peroxissomo e mitocôndria. O ciclo se inicia no cloroplasto com a formação do glicolato a partir do 2-fosfoglicolato. O glicolato migra para o peroxissomo onde é convertido para glicina (aminoácido) e peróxido de hidrogênio (H2O2). Esta organela é rica em uma enzima conhecida como catalase, a qual degrada o H2O2, que é tóxico para a célula. catalase 2 H2O2 2 H2O + O2 122 Figura 16 – O ciclo fotorrespiratório (Taiz & Zeiger, 1998) A glicina migra do peroxissomo para a mitocôndria. Duas moléculas de glicina (2C) produzem uma molécula de serina (aminoácido com 3 carbono). Nesta etapa ocorre liberação de NH3 e de CO2. OBS: Como se vê, ocorre consumo de O2 (no cloroplasto) e liberação de CO2 (na mitocôndria), por isso chama-se fotorrespiração. A serina (3C) formada na mitocôndria migra para o peroxissomo onde é convertido para glicerato. O glicerato (3C) migra para o cloroplasto onde é convertido para 3-fosfoglicerato (3C), com gasto de ATP. 123 Assim, duas moléculas de fosfoglicolato (2x2 = 4 carbonos), geradas pela atividade oxigenásica da rubisco, produzem uma molécula de 3-fosfoglicerato (3C) e uma molécula de CO2. Neste caso, 75% do carbono gerado pela oxigenase é recuperado e retorna para o ciclo de Calvin. No entanto, o grau de perdas de carbono pela fotorrespiração depende das concentrações de CO2 e O2, das propriedades cinéticas da rubisco e da temperatura, e tende a ser maior que 25% em condições normais do ambiente. Em geral, nas temperaturas elevadas de regiões tropicais as perdas pela fotorrespiração podem ser bem maiores. O aumento na temperatura diminui a solubilidade dos gases, sendo que a temperatura afeta mais a solubilidade do CO2 do que a do O2. Assim temos: ↑ Temperatura ⇒ ↓ [CO2]/[O2] ↑ Temperatura ⇒ ↑ Atividade Oxigenásica da rubisco ↑ Temperatura ⇒ ↑ FOTORRESPIRAÇÃO As perdas podem superar os 40%. Assim, a fotorrespiração reduz a assimilação líquida de CO2, ou seja, reduz a fotossíntese líquida. Fotossíntese líquida = fotossíntese total – (respiração + fotorrespiração) Quanto maior for a fotorrespiração, menor será a fotossíntese líquida. Por que a existência da fotorrespiração??? • A química da reação de carboxilação poderia requerer um intermediário (substrato) com capacidade para reagir com CO2 ou O2. Isto não teria sido problema no início da evolução do processo de fotossíntese, visto que naquele tempo a razão [CO2]/[O2] era muito maior do que a observada nos dias de hoje. • A fotorrespiração poderia contribuir para a dissipação de ATP e poder redutor e evitar danos sobre o aparelho fotossintético (foto-oxidação e fotoinibição) sob condições de excesso de energia (por exemplo, alta intensidade de luz e baixa concentração interna de CO2, como ocorre em plantas expostas a estresse hídrico – estômatos fechados). e) Mecanismos de Concentração de CO2 Algumas plantas têm desenvolvido mecanismos de concentração de CO2, os quais contribuem para reduzir a fotorrespiração (é o caso das plantas C4) ou para permitir a sobrevivência das plantas em condições áridas e semi-áridas (é o caso das plantas CAM). Estes mecanismos envolvem adaptações morfológicas e fisiológicas bastante interessantes. 126 Figura 18 – Esquema do Metabolismo Ácido das Crassuláceas (Hopkins, 2000) 127 f) Fisiologia Comparada de Plantas C3, C4 e CAM A tabela 2 mostra as diferenças na fotossíntese das plantas C3, C4 e CAM. Nota-se que as adaptações nas C4 permitem que elas fotossintetizem em altas taxas, mesmo em altas temperaturas (o mecanismo de concentração de CO2 praticamente elimina a fotorrespiração). Estas plantas conseguem altas produtividades nas condições tropicais. As adaptações fisiológicas das plantas CAM permitem a sua sobrevivência em condições de climas áridos e semi-áridos. Estas plantas são pouco produtivas (baixas taxas fotossintéticas). Já as características das plantas C3 permitem que elas sejam mais eficientes em condições de climas temperados (note que estas plantas consomem menos ATP por molécula de CO2 fixado). A redução na produtividade das plantas C3 deve-se ao aumento da fotorrespiração com o aumento da temperatura. Tabela 2 – Parâmetros fisiológicos de plantas C3, C4 e CAM Parâmetro C3 C4 CAM Fotorrespiração Presente, > de 25% da fotossíntese bruta Presente, não detectável Detectável no final da tarde Primeiro Produto Estável Ácido 3-fosfoglicérico (3C) Ácido oxaloacético (4C) Ácido oxaloacético (4C) Ponto de Compen- sação de CO2 Alto, 20 a 100 µL CO2 L -1 Baixo, 0 a 5 µL CO2 L -1 _ Enzima Primária de carboxilação Rubisco (km =20 µM de CO2) Carboxilase do PEP (km=5 µM de HCO3 -) Carboxilase do PEP Relação CO2/ATP/NADPH 1: 3: 2 1: 5: 2 1: 6,5: 2 Temperatura Ótima 20 a 25 oC 30 a 45 oC 35 oC Taxa de Fotossíntese Líquida sob Saturação de luz 10 a 20 (µmol de CO2 m -2 s-1) exemplo: soja 20 a 40 (µmol de CO2 m -2 s-1) exemplo: milho 0,6 a 2,4 (µmol de CO2 m -2 s-1) Agave americana Razão de transpiração 450 a 1000 gH2O/gMS 250 a 350 gH2O/gMS 18 a 125 gH2O/gMS Conteúdo de N na folha/máxima fotossíntese 6,5 a 7,5 (% na matéria seca) 3,0 a 4,5 (% na matéria seca) _ Saturação na Luz (µmol m-2 s-1) 400 – 500 Não saturável _ 128 5. ASPECTOS FISIOLÓGICOS E ECOLÓGICOS – FATORES QUE AFETAM A FOTOSSÍNTESE Vários fatores influenciam a fotossíntese: H2O, nutrientes minerais, luz, CO2 e temperatura, além da idade e do genótipo da planta. Então, qual o fator que mais limita a fotossíntese em ecossistemas naturais e agrícolas? Tudo indica que é a água. Os desertos são extremamente improdutivos, enquanto os estuários, florestas tropicais e cultivos irrigados apresentam elevadas produtividades. Quando o potencial hídrico do solo torna-se muito negativo, a expansão celular é retardada e a redução no crescimento da folha é o primeiro sintoma aparente. A continuidade do estresse provoca o fechamento estomático e, consequentemente, a absorção de CO2 é restringida. Assim, a redução no suprimento de água limita a fotossíntese reduzindo a área foliar e a própria absorção de CO2. As funções e a importância da água e dos nutrientes minerais para as plantas já foram estudadas nas unidades III (Relações Hídricas) e IV (Nutrição Mineral), respectivamente. Neste ponto, pretendemos discutir outros fatores que afetam a fotossíntese, principalmente, luz, concentração de CO2 e temperatura. 5.1 LUZ a) Anatomia Foliar e Fotossíntese Aproximadamente 1,3 kW m-2 da energia radiante solar atinge a terra, porém somente cerca de 5% desta energia é convertida em carboidratos pela fotossíntese (Figura 19). Uma das razões para esta percentagem tão baixa é que a maior fração da luz incidente é de comprimento de onda muito curto (por exemplo, ultravioleta) ou muito longo (infravermelho) e não são absorvidos pelos pigmentos fotossintéticos. Em adição, muito da energia absorvida é perdida como calor e um menor montante é perdido como fluorescência. A região do espectro compreendida entre 400 e 700 nm (região do visível) possui a radiação útil para a fotossíntese, sendo denominada de radiação fotossinteticamente ativa (PAR). Cerca de 85 a 90% da PAR é absorvida pela folha, sendo o restante refletido na sua superfície ou transmitido através da folha. Como a clorofila, principal pigmento da fotossíntese, absorve muito fortemente a luz nas regiões do vermelho e do azul, as radiações refletidas e transmitidas são enriquecidas em verde, produzindo a coloração verde da vegetação. A morfologia, a anatomia e as propriedades óticas das folhas são feitas para interceptar e canalizar eficientemente a luz para os cloroplastos, ou seja, onde a fotossíntese ocorre. A anatomia de uma folha de dicotiledônea mesófila é descrita a seguir: A folha é coberta com uma epiderme superior (adaxial) e uma inferior (abaxial). Os tecidos fotossintéticos são localizados entre as duas epidermes e, consequentemente, são chamados de mesofilo (meso = meio e filo = folha). A camada superior do mesofilo consiste de uma a três camadas de células, conhecidas como parênquima paliçádico (vem de paliçada). As células do parênquima paliçádico são alongadas e cilíndricas com o seu maior eixo ficando perpendicular à superfície da folha. Abaixo da camada paliçádica encontra-se o mesofilo esponjoso, assim denominado por causa dos grandes espaços entre as células. A forma destas células é, em geral, irregular, porém tende para a forma isodiamétrica. A estrutura de uma folha de monocotiledôneas é similar à de dicotiledôneas. Nas monocotiledôneas, no entanto, não se observa distinção entre parênquima paliçádico e esponjoso. 131 Lupinus succulentus, dentre muitas outras) controlam a absorção de luz ajustando a orientação do seu limbo de tal forma que ele fique perpendicular aos raios solares (Solar Tracking, ajustamento solar). Assim, estas espécies conseguem manter a máxima taxa fotossintética permitida ao longo do dia, inclusive pela manhã e no final da tarde (Figura 21). Isto é importante, pois permite que a planta fotossintetize em taxas aceitáveis nas horas mais amenas do dia (no início e no final do período de luz), o que pode ser uma vantagem para plantas de regiões áridas ou semi-áridas. De modo contrário, algumas outras plantas movem suas folhas para evitar a exposição completa à luz do sol, minimizando, desta forma, a absorção de calor e a perda de água. Este movimento de folhas induzido pelo sol é conhecido como “heliotropismo”. As folhas que maximizam a absorção de luz são conhecidas como diaheliotrópicas e as que minimizam são paraheliotrópicas. Figura 21 – Movimento de folhas de Lupinus succulentus em resposta à luz: A (orientação inicial); B (Orientação das folhas após 4 horas de exposição à luz direcionada (Taiz & Zeiger, 1998)). Um caso especial de adaptação é visto quando comparamos “Plantas (ou folhas) de Sol” com “Plantas (ou folhas) de Sombra”. As plantas de sombra são aquelas que se desenvolvem em habitats sombreados, como no interior das florestas. Estes habitats sombreados recebem, em geral, menos de 1% da radiação fotossinteticamente ativa que é disponível nos habitats “abertos”. Comparando com as plantas de sol, as plantas de sombra apresentam as seguintes características: • Muito baixas taxas fotossintéticas quando expostas à luz do sol • Sua resposta fotossintética satura em baixos níveis de irradiância • Quando os níveis de irradiância são muito baixos elas usualmente fotossintetizam em maiores taxas do que as plantas de sol, colocadas nas mesmas condições. Em árvores, arbustos e também em plantas herbáceas, muitas folhas se desenvolvem na sombra de outras e atingem durante o seu desenvolvimento características semelhantes às folhas das verdadeiras plantas de sombra. Em dicotiledôneas, as folhas de sombra são tipicamente maiores em área, porém apresentam espessura inferior às das folhas de sol. As folhas de sol são mais espessas do que as de sombra por que elas formam células paliçádicas longas ou, então, mais de uma camada (Figura 22). Na base de peso, as folhas de sombra possuem mais clorofila do que as de sol e também produzem um maior número de complexos coletores de luz. Por outro lado, os cloroplasto de folhas de sombra possuem menor conteúdo 132 de proteínas no estroma, incluindo a rubisco, e também menor proporção de proteínas de transporte de elétrons. Isto indica, que as folhas de sombra investem mais energia na produção de pigmentos coletores de luz, os quais permitem a absorção e utilização de praticamente toda a luz que atinge a folha. Figura 22 – Folhas de sugar maple expostas a diferentes intensidades de luz (Salisbury & Ross, 1991) Pode uma planta de sol (ou folha de sol) se adaptar à sombra ou uma planta de sombra (ou folha de sombra) se adaptar ao sol? Folhas maduras mostram muito pouca capacidade de adaptação à sombra ou ao sol, porém, plantas inteiras de algumas espécies se adaptam muito bem a ambas durante o desenvolvimento, principalmente à sombra. É claro, existem limites genéticos para esta adaptação. Algumas plantas parecem ser “plantas de sombra obrigatórias" (por exemplo, Alocasia) e outras "plantas de sol obrigatórias" (por exemplo, girassol). Porém, a grande SOL SOMBRA 133 maioria é facultativa. Muitas espécies C3 e C4, são plantas de sol facultativas e se adaptam até certo ponto à sombra, produzindo características morfológicas e fotossintéticas semelhantes às plantas de sombra. Elas diminuem seu ponto de compensação de CO2 (pela redução na respiração), reduzem a taxa fotossintética e apresentam saturação da fotossíntese em baixa irradiância. Estas plantas desenvolvem a habilidade para crescer na sombra, porém, seu crescimento é lento. A adaptação reversa, ou seja, da sombra para o sol, é menos comum. As plantas de sombra (ou folhas de sombra) usualmente não podem ser expostas à radiação solar direta sem exibir inibição drástica da fotossíntese e morte de folhas maduras dentro de poucos dias. As folhas destas plantas não possuem a morfologia adequada e os mecanismos fisiológicos de proteção contra o excesso de luz, que estão presentes nas folhas que normalmente são expostas aos raios solares. c) Efeito da Luz sobre a Fotossíntese de Folhas Intactas A medição da fixação de CO2 em folhas intactas mantidas em fluxo crescente de fótons (intensidade luminosa) permite construir curvas de resposta à luz (Figura 23), que fornecem informações úteis das propriedades fotossintéticas da folha. No escuro, CO2 é liberado pela planta devido à respiração e, por convenção, a assimilação de CO2 é negativa nesta parte da curva (Figura 23). Figura 23 – Respostas fotossintéticas a intensidade luminosa de folhas de uma planta C3 (Taiz & Zeiger, 1998) Quando o fluxo de fótons aumenta, a fixação de CO2 pela fotossíntese aumenta inicialmente até o ponto em que ela se iguala à liberação de CO2 mitocondrial (Figura 23). A intensidade luminosa na qual a fixação de CO2 é exatamente igual à liberação pela respiração, é conhecida como ponto de compensação de luz, o qual depende da espécie e das condições 136 Em geral, a produtividade aumenta com o aumento do IAF, até certo ponto. Se o valor do índice aumenta demais significa que a área foliar é muito grande em relação a área ocupada pela planta (cultura), ou seja, muitas folhas estão sombreadas. O excesso de folhas sombreadas representa áreas de pouca produção ou de baixa taxa fotossintética. As áreas sombreadas funcionam como ramos “ladrões" (drenos). OBS 1: O IAF ótimo para um dado conjunto de plantas depende do ângulo entre as folhas e o caule. Folhas na horizontal, como as de feijão, absorvem a luz mais eficientemente, porém, provoca maior sombreamento. De modo contrário, folhas eretas, como as de gramíneas (como o milho), absorvem menos luz, porém, produzem pouco sombreamento. As folhas eretas podem permitir melhor distribuição de luz na planta, aumentando a eficiência fotossintética. OBS 2: Árvores de florestas possuem valor de IAF em torno de 12, sendo que muitas folhas sombreadas recebem menos de 1% da luz solar. Valores de IAF em ecossistemas agrícolas são menores, variando de 3 a 8, dependendo da espécie e da densidade de plantio. d) Regulação e Reparo do Aparelho Fotossintético – EXCESSO DE LUZ O aparelho fotossintético é apropriado para absorver uma grande quantidade de energia luminosa e convertê-la em energia química. O excesso de energia, no entanto, pode acarretar a produção de espécies químicas tóxicas que provocam a foto-oxidação ou fotoinibição de componentes celulares (lipídios de membrana, proteínas, etc.). Em função disso, os organismos fotossintéticos evoluíram alguns mecanismos de regulação e de reparo, que descreveremos abaixo. A proteção do aparelho fotossintético contra os danos provocados pela luz em excesso pode ocorrer em vários níveis. O primeiro mecanismo que pode ocorrer é a supressão do dano. Isto pode ocorrer pela liberação de energia na forma de calor. Alguns pigmentos, especialmente as xantofilas, associadas ao complexo de antena do fotossistema II, parecem estar envolvidas nesse processo. Alguns estudos têm demonstrado, também, a existência de um complexo coletor de luz móvel associado ao fotossistema II (LHC II móvel). Este complexo está envolvido na partição de energia entre os dois fotossistemas e, sob determinadas condições, contribui para prevenir danos no aparelho fotossintético. Assim, excesso de energia no fotossistema II acarreta a movimentação deste complexo coletor de luz para a região do fotossistema I, ajudando-o na absorção de luz e promovendo um maior equilíbrio entre os dois fotossistemas. Caso os mecanismos de supressão do dano não forem suficientes, ocorre a produção de espécies tóxicas, tanto no fotossistema II (oxigênio singleto) como no fotossistema I (superóxido, O2 -), que podem acarretar a foto-oxidação dos componentes celulares. Neste nível, mecanismos que destroem estes radicais livres podem evitar danos ao aparelho fotossintético. Os carotenóides, por exemplo, reage com o oxigênio singleto, convertendo-o para forma menos ativa: O2↑↓ (singleto) + carotenóide↑↓ (fundamental) → O2↑↑ (tripleto) + carotenóide↑↑ (excitado) → →→ carotenóide↑↓ (fundamental) + Calor 137 Como se vê, os carotenóides convertem o oxigênio singleto em oxigênio tripleto (forma pouco ativa), e ficam no estado excitado. Os carotenóides retornam espontaneamente para o seu estado fundamental, liberando calor. Já os superóxidos (O2 -) formados pelo forte poder redutor da ferredoxina, na região do fotossistema I, podem ser eliminados pela ação de enzimas, incluindo a Superóxido Dismutase e Ascorbato Peroxidase: dismutase do superóxido 2 O2 - (tóxico) + 2 H2O 2 H2O2 (tóxico) + O2 peroxidase do ascorbato H2O2 (tóxico) + ascorbato 2 H2O + desidroascorbato reduzido Caso esta segunda linha de defesa não seja suficiente, os produtos tóxicos, formados pelo excesso de energia, pode danificar certas moléculas alvo que são susceptíveis, especialmente a proteína D1 do fotossistema II. Este processo produz a conhecida fotoinibição. No entanto, as plantas possuem um sistema de reparo que envolve a remoção, a degradação e a “síntese de novo” da proteína D1, que é novamente inserida no centro de reação do fotossistema II. As outras partes do centro de reação do fotossistema II parecem ser recicladas. Assim, a proteína D1 é o único componente que necessita ser sintetizado de novo. 5.2 CONCENTRAÇÃO DE CO2 OBS: Os mecanismos de abertura e fechamento estomático, que estão associados às trocas gasosas (entrada de CO2 e saída de vapor d’água) foram estudados na unidade III (Relações Hídricas) A concentração de CO2 na atmosfera é um assunto bastante estudado por muitos pesquisadores, devidos principalmente, a três fatores: - A concentração de CO2 tem crescido linearmente nos últimos 40 anos; - O aumento na concentração de CO2 pode contribuir para o efeito estufa. Isto decorre da absorção da radiação infravermelha refletida pela terra pelos gases da atmosfera (aí entra o CO2), produzindo o aquecimento do planeta. - O aumento na concentração de CO2 na atmosfera pode aumentar a taxa fotossintética das plantas C3 A influência do CO2 sobre a fotossíntese têm implicações importantes sobre o crescimento e a produtividade. Em níveis muito baixos de concentração de CO2, existe um balanço negativo entre o CO2 fixado e o respirado, isto é, a planta libera CO2 para a atmosfera. Aumentando-se a concentração de CO2 o ponto de compensação de CO2 é alcançado, ou seja, a fotossíntese bruta é igual à respiração. Neste ponto a fotossíntese líquida é igual a zero. As plantas C4 possuem ponto de compensação próximo de zero, refletindo a maior afinidade da enzima primária de assimilação de CO2 (PEP carboxilase) e à taxa de fotorrespiração que é praticamente nula (Figura 26). Procure entender: 138 Sob condições ambientes (O2 = 21% e CO2 = 0,036%), e nas condições TROPICAIS (altas temperaturas), temos: Plantas C3 Fotossíntese líquida = fotossíntese total – (respiração + fotorrespiração) Plantas C4 Fotossíntese líquida = fotossíntese bruta – respiração Conseqüências: As plantas C4 possuem menor ponto de compensação de CO2 e maiores taxas de fotossíntese líquida, nas condições citadas acima. OBS: Em condições de clima temperado as plantas C3 podem ser mais eficientes (ver figura 27). Outro ponto a ser considerado é a saturação da fotossíntese pelos níveis de CO2. As plantas C4, apresentam saturação em baixas concentrações de CO2, o que se deve ao fato de que estas plantas já possuem um mecanismo eficiente de concentração deste gás nas células da bainha do feixe. Por outro lado, em plantas C3, aumentando-se a concentração de CO2 acima do ponto de compensação estimula-se a fotossíntese, sem saturação, até valores relativamente altos deste gás na atmosfera. Estes resultados indicam que as plantas C3 podem ser beneficiadas pelo aumento na concentração de CO2 atmosférico, enquanto que a maioria das plantas C4 é saturada pelos níveis deste gás existente atualmente no nosso planeta. Figura 26 - Mudanças na fotossíntese em função da concentração de CO2 no ambiente (Taiz & Zeiger, 1998)