15.1 Fotossíntese versus oxidação da glicose

A incorporação de CO2 a compostos orgânicos não é privilégio de células fotossintéticas. Ao contrário, tem ocorrência generalizada, incluindo as células animais: por reações de carboxilação, o piruvato origina oxaloacetato, a acetil-CoA produz malonil-CoA etc. A síntese de moléculas orgânicas também é um processo celular trivial, qualquer que seja a célula considerada. Os animais são capazes de sintetizar glicose a partir de aminoácidos ou lactato (gliconeogênese) e de sintetizar macromoléculas, como proteínas, ácidos nucleicos, glicogênio e lipídios, a partir de moléculas precursoras pequenas. Em todos estes casos, entretanto, a energia (ATP e NADPH) empregada é sempre derivada da oxidação de compostos orgânicos, com liberação de CO 2, de tal maneira que, no saldo final, nunca há incorporação líquida de CO . Nos organismos fotossintéticos, por outro 2

lado, as coenzimas ATP e NADPH consumidas na incorporação de CO2 são obtidas com a utilização da energia luminosa e de doadores de elétrons do meio, havendo aumento real da massa de compostos orgânicos. Estes seres, por poderem viver tendo CO como única fonte de carbono, são designados 2

autotróficos. Os organismos que não fazem fotossíntese dependem dos autotróficos para a obtenção de carbono na forma de compostos orgânicos, razão pela qual são designados heterotróficos.

Como os organismos heterotróficos dependem da energia química presente nos compostos produzidos pelos seres autotróficos fotossintéticos, é possível afirmar que a energia consumida pelos sistemas biológicos deriva, em última instância, da energia solar. Como em muitos organismos a fixação de CO 2 é acompanhada da liberação de O2, a fotossíntese contribui simultaneamente para gerar uma fonte de energia prontamente utilizável (ATP) e uma atmosfera aeróbia, dois fatores fundamentais para a manutenção da vida no planeta.

15.1 Fotossíntese versus oxidação da glicose

A equação geral da fotossíntese em muitos organismos é:

Esta equação é o inverso da equação geral de oxidação da glicose, que ocorre em todas as células aeróbias:

Entretanto, deve ser ressaltado que a fotossíntese não é o inverso da oxidação de glicose, ao contrário do que as equações gerais parecem indicar. Deve-se lembrar que uma equação geral não representa uma reação química e mostra a transformação geral efetuada por uma via metabólica

(Seção 8.3).

O valor do ΔGo′ (ou da constante de equilíbrio, da ordem de 10 − 500) da equação geral da fotossíntese revela a inviabilidade de sua ocorrência espontânea. A produção de glicose a partir de CO2 e H2O só é possível nos organismos que desenvolveram sistemas que lhes permitem utilizar a energia luminosa para atender o enorme gasto de energia que viabiliza o processo.

Uma comparação entre a oxidação da glicose e a fotossíntese está

apresentada na Figura 15.1. Nos dois processos, são gerados elétrons de alta energia — à custa da energia química das reações de oxidação-redução no caso da degradação da glicose e à custa da energia luminosa na fotossíntese — que são doados para cadeias de transporte de elétrons. Na oxidação da glicose, o doador inicial de elétrons, eles originam coenzimas reduzidas, NADH principalmente, que os entregam à cadeia de transporte de elétrons mitocondrial, cujo aceptor final é o oxigênio, que é reduzido a água. Nas cadeias de transporte de elétrons integrantes da fotossíntese, o doador inicial de elétrons é a água e o aceptor final, a coenzima NADP+, que é reduzida a NADPH; o oxigênio é um dos produtos do processo. Em ambos os casos, o transporte de elétrons origina um gradiente de prótons, a partir do qual o ATP é sintetizado.

A comparação entre fotossíntese e oxidação da glicose tem interesse apenas didático e justifica-se pela intensa síntese deste carboidrato nas células de vegetais superiores.

Figura 15.1 Esquema comparativo entre a oxidação da glicose (a) e a sua síntese pela fotossíntese (b).

A utilização da água como agente redutor signi cou um avanço evolutivo da

capacidade fotossintética

Acredita-se que, nos estágios mais primitivos da evolução, as células viviam em um meio rico, de composição variada, mas sem oxigênio. Obtinham energia por metabolismo anaeróbio, oxidando parcialmente compostos orgânicos disponíveis no meio, por fermentação; alcoóis e ácidos orgânicos resultantes das fermentações eram excretados para o meio. Em um estágio posterior da evolução, a escassez crescente de material orgânico prontamente fermentável favorecia a utilização de uma fonte de carbono alternativa. Uma fonte provável, devido à sua abundância no meio, era o gás carbônico, que poderia ser convertido em moléculas orgânicas. Todavia, para esta transformação, eram necessários redutores potentes como NADH e NADPH, que não são produzidos por fermentação; ainda mais, os doadores de hidrogênio disponíveis — ácidos orgânicos originados de fermentação, H 2S, H2 etc. — tinham poder redutor insuficiente para a fixação do CO2. Todas estas condições propiciaram o desenvolvimento de um mecanismo que utilizasse a energia luminosa para transferir (H+ + e−) de um composto reduzido presente no meio para o NAD(P)+ formando NAD(P)H, estes, sim, compostos capazes de reduzir CO 2. Em outras palavras, estas condições permitiram o aparecimento das primeiras bactérias fotossintéticas.

Essas bactérias, que originaram as bactérias verdes e púrpuras atuais, desenvolveram um aparelho fotossintético simples, composto de um fotossistema capaz de captar luz, tornando-se excitado, isto é, passando a ter um elétron de alta energia que podia ser transferido a uma coenzima (NAD+ ou NADP+). Como consequência desta transferência, a molécula que havia captado a energia luminosa ficava com deficiência de um elétron, ou seja, ficava oxidada; para o processo prosseguir, era necessária a existência, no meio ambiente, de compostos redutores capazes de repor o

elétron: H S, H etc. (Figura 15.2). A sobrevivência dessas bactérias estava, 2 2

então, restrita aos locais onde havia disponibilidade desses redutores.

Figura 15.2 Funcionamento de um fotossistema simples (PS) que, por absorção de luz, torna-se excitado (PS*) e emite elétrons (e−), recebidos por uma coenzima; o fotossistema oxidado (PS+) recupera sua forma original recebendo elétrons de um composto redutor presente no meio.

Foram as cianobactérias os primeiros organismos a se libertarem do uso de redutores específicos, ao desenvolverem um aparelho fotossintético capaz de utilizar um redutor abundante: a água. Como redutor, a água origina quatro prótons e quatro elétrons, liberando oxigênio molecular; os elétrons e prótons são usados na redução de NADP+. A equação geral do processo pode ser desmembrada em duas etapas: