15.2 Absorção de luz: fotossistemas

A fotossíntese provocou modificações profundas na composição da atmosfera terrestre primitiva. O ambiente, antes desprovido de oxigênio, era fortemente redutor. Gradativamente foi tornando-se oxidante, criando condições propícias para o metabolismo aeróbio e, portanto, para o desenvolvimento dos animais.

Segue-se a análise da fotossíntese em plantas, precedida por uma breve descrição de estruturas celulares e compostos relacionados com o processo fotossintético; posteriormente, é descrita a fotossíntese bacteriana.

15.2 Absorção de luz: fotossistemas

A fotossíntese ocorre em organelas especiais

Nas algas e plantas superiores, a fotossíntese processa-se em organelas

especializadas, os cloroplastos (Figura 15.3), presentes nas células em número que varia de 1 a 1.000. Estas organelas são compostas de duas membranas: uma externa, bastante permeável, e uma interna, com permeabilidade seletiva. O conteúdo do cloroplasto é chamado estroma. Imersa no estroma encontra-se a membrana tilacoide, que delimita um compartimento denominado tilacoide, cujo lúmen fica isolado do estroma. A membrana tilacoide apresenta múltiplos dobramentos, que se empilham formando os grana, e também segmentos não dobrados. Nela estão contidos os pigmentos fotossintéticos, associados a proteínas integradas, e as enzimas necessárias para a utilização da luz e a síntese de ATP e NADPH. No estroma, encontram-se as enzimas que catalisam a redução de CO 2 a carboidrato.

Os pigmentos fotossintéticos efetuam a absorção da energia luminosa e podem ser de três tipos principais: clorofilas, carotenoides e ficobilinas.

Figura 15.3 Estrutura simplificada de um cloroplasto.

As clorofilas (Figura 15.4) são as moléculas fotorreceptoras mais

importantes. São compostos derivados da protoporfirina IX (Seção 3.2), como o grupo heme. Nas clorofilas, os átomos de nitrogênio dos quatro núcleos pirrólicos estão ligados a um íon Mg2+, que ocupa a mesma posição central que o íon Fe2+ no heme; um dos anéis (IV) é reduzido e aparece um anel adicional (V), não pirrólico; a longa cadeia hidrofóbica do álcool fitol (C 20) está esterificada à carboxila do substituinte do anel IV. Nos cloroplastos das células de vegetais superiores, há dois tipos principais de clorofila, a e b, que diferem pelo substituinte do anel II: metila na clorofila a e formila na clorofila b. As bacterioclorofilas (tipos a e b) distinguem-se das clorofilas das plantas quanto ao substituinte do anel I e à redução do anel II.

Figura 15.4 Estruturas da clorofila a e b e da bacterioclorofila a. Os sistemas de ligações conjugadas (ligações simples e duplas alternadas), responsáveis pela absorção de luz, estão assinalados em vermelho.

Dentre os carotenoides, pigmentos alaranjados, estão os carotenos, dos

quais o mais importante é o β-caroteno (Figura 15.5), e as xantofilas, que são carotenos oxigenados. O β-caroteno é precursor da vitamina A nos mamíferos.

As algas apresentam ainda pigmentos chamados ficobilinas, que são cadeias lineares formadas por núcleos tetrapirrólicos.

Figura 15.5 Estrutura do b-caroteno que, como as clorofilas e outros pigmentos fotossintéticos, apresenta alternância de ligações simples e duplas, mostradas em vermelho. Nos mamíferos, é precursor da vitamina A.

A absorção de luz pode resultar em emissão de elétrons

A radiação luminosa tem dois componentes: uma onda eletromagnética e um fluxo de partículas de luz, os fótons. A quantidade de energia de um fóton, o quantum, depende do comprimento de onda da radiação luminosa e é expressa pela equação de Planck:

E = hν

onde h é a constante de Planck (6,62 × 10 −34 J ⋅ s) e ν, a frequência da radiação (ciclos/s). A frequência é a razão entre a velocidade da luz c (3,00 × 108 m/s) e o comprimento de onda λ (m). Resulta:

E = hc/λ

A equação mostra que, quanto menor o comprimento de onda, maior a energia dos fótons. Radiações ultravioleta, com pequeno comprimento de onda (λ < 400 nm) e alta frequência, têm energia suficiente para romper ligações covalentes. A maior parte desta fração da energia luminosa é impedida de atingir a superfície terrestre por ser bloqueada pela camada de ozônio. Radiações infravermelhas, com grande comprimento de onda (λ > 750 nm) e baixa frequência, têm energia apenas para estimular as vibrações moleculares, ou seja, produzir calor. A radiação utilizada pela fotossíntese, na maioria dos organismos, situa-se no espectro da luz visível, com comprimentos de onda entre 400 e 700 nm.

A propriedade de absorver luz depende do arranjo dos elétrons de uma molécula. Moléculas contendo ligações conjugadas, com ligações simples e

duplas alternadas (Figuras 15.4 e 15.5), como as clorofilas, os carotenoides e as ficobilinas, são capazes de absorver luz visível. Ao absorver um fóton, uma molécula passa a um estado excitado, que é instável. A volta ao estado fundamental é extremamente rápida, completando-se em tempos da ordem de 10 – 11 a 10 – 8 segundos. Neste retorno ao estado fundamental, a energia absorvida pode ser dissipada de quatro formas diferentes: (1) sendo convertida a energia cinética, isto é, calor; (2) por emissão de luz, ou seja, fluorescência; (3) por transferência da energia de excitação para outra molécula ou (4) emitindo um elétron, captado por uma molécula vizinha, que sofre fotoxidação. Os dois últimos processos são fundamentais para a fotossíntese.

Os pigmentos receptores de luz estão organizados em fotossistemas

Os pigmentos que absorvem luz fazem parte de complexos proteicos embebidos na membrana tilacoide, chamados fotossistemas, que são as unidades funcionais das reações da fotossíntese que dependem de luz. Cada fotossistema pode conter centenas de moléculas de clorofila, carotenoides e ficobilinas, todas capazes de absorver energia luminosa, sendo, por isto, chamadas de moléculas antena. Os carotenoides e as ficobilinas apresentam absorção em regiões do espectro luminoso em que as clorofilas absorvem pouco, fazendo expandir a faixa do espectro luminoso efetivamente utilizado para a fotossíntese. Os pigmentos fotorreceptores ficam “pendurados” nas subunidades proteicas constituintes dos fotossistemas, assumindo uma disposição espacial que torna muito eficiente a propagação da energia absorvida. A energia luminosa coletada pelos pigmentos antena é transmitida, de molécula a molécula (a forma número 3 de dissipação de

energia, mencionada anteriormente), até atingir o centro de reação (Figura

15.6). As transferências são muito rápidas, completando-se o trajeto em tempos da ordem de 10 – 10 s. O centro de reação é constituído por duas moléculas de clorofila a chamadas par especial, ligadas a subunidades do fotossistema. O que torna estas moléculas especiais é o fato de sofrerem fotoxidação, emitindo elétrons (a forma número 4 de dissipação de energia), que são transferidos para compostos transportadores de elétrons. A molécula de clorofila a capaz de emitir elétrons é quimicamente idêntica às outras, mas adquire esta propriedade especial talvez pelo tipo de proteína à qual está associada e pelo microambiente onde se situa no interior da proteína.

Figura 15.6 Esquema de um fotossistema, evidenciando clorofilas e carotenoides como moléculas antena e o centro de reação, onde se situam as moléculas de clorofila capazes de sofrerem fotoxidação, o par especial.

Estão presentes na membrana tilacoide dois tipos de fotossistemas (PS de photosystem): fotossistema I (PSI) e fotossistema II (PSII). Ambos são complexos proteicos transmembranares contendo, cada um, o centro de reação, as moléculas antena e transportadores de elétrons. O centro de reação do fotossistema é designado segundo o comprimento de onda de absorção máxima do par de moléculas de clorofila que o constitui: o de PSI é designado P700 — P de Pigmento e 700 porque sua absorbância máxima dá-se a comprimento de onda igual a 700 nm — e o de PSII é denominado P680 por absorver mais em comprimento de onda igual a 680 nm. 15.3 Fotossíntese em vegetais: fase clara