15.3 Fotossíntese em vegetais: fase clara

A fase clara da fotossíntese produz ATP, NADPH e O2

É costume dividir a fotossíntese em duas fases: a fase clara, em que a luz é utilizada para síntese de ATP e NADPH na membrana tilacoide, e a fase escura, em que ATP e NADPH produzidos na fase clara são utilizados para a fixação de CO no estroma do cloroplasto. Esta denominação para as 2

etapas da fotossíntese é inadequada, porque mecanismos reguladores determinam que a chamada “fase escura” também seja dependente de luz

(Seção 15.5).

A fase clara inicia-se com a absorção de fótons por moléculas antena e transferência da excitação para moléculas adjacentes, até atingir um centro de reação. O centro de reação, excitado, emite elétrons que são transportados até o NADP+ — os elétrons são repostos por H2O, que se oxida, liberando O 2.

O transporte de elétrons da água ao NADP+ é efetuado por compostos organizados em três complexos proteicos que atravessam a membrana tilacoide — PSI, PSII e citocromo b f — e por dois transportadores móveis, 6

a plastoquinona e a plastocianina. A plastoquinona (Figura 15.7) se assemelha à ubiquinona (coenzima Q) e a plastocianina é uma proteína solúvel, com estrutura parecida à do citocromo c mitocondrial. Como os elétrons percorrem transportadores com potenciais de redução crescentes

(valores aproximados de E0′ estão apresentados na Figura 15.8), as transferências são espontâneas. Os transportadores nos cloroplastos são organizados segundo os mesmos princípios básicos observados na cadeia de transporte de elétrons da mitocôndria, mas sua identidade é bem menos conhecida.

Figura 15.7 Estruturas da plastoquinona A e da filoquinona. As plastoquinonas diferem entre si, e também da ubiquinona, apenas quanto ao número de unidades isoprênicas na cadeia lateral (em vermelho). A filoquinona (vitamina K1) apresenta a mesma cadeia lateral fitil (em verde) das clorofilas.

O complexo PSII absorve luz pelo centro de reação, P680, que passa para uma forma excitada, P680*, com potencial de redução muito menor, e

emite elétrons, convertendo-se na forma oxidada, P680+ (Figura 15.8). P680+ é um forte oxidante capaz de oxidar a água — sua regeneração à forma reduzida, P680, é obtida por elétrons provenientes da água. A fotoxidação da água, uma das reações mais endergônicas dos seres vivos, é catalisada por um complexo denominado OEC (de oxygen-evolving complex). Este complexo contém um centro formado por quatro íons de manganês [Mn ] e interage com um resíduo de tirosina, conhecido como 4

TyrZ, de PSII. Por absorção de um fóton, há liberação de um elétron do centro de manganês, que passa da valência 0 para +1. Três absorções subsequentes têm resultado análogo, até ser atingida a carga +4 do grupamento; nesta condição, o centro de manganês torna-se um oxidante capaz de promover a cisão de duas moléculas de água, produzindo H+ e O e 2 recuperando os elétrons “perdidos”:

[Mn 4+ + 4 ] + 2 H 0 2 O → [Mn 4 ] + 4 H + O2

Os elétrons resultantes da absorção dos fótons pelo centro de manganês são transferidos, um a um, para P680+, via TyrZ, e os prótons são liberados no lúmen do tilacoide, contribuindo para a formação do gradiente que permitirá a síntese de ATP; a formação de oxigênio molecular caracteriza este tipo de fotossíntese como fotossíntese oxigênica. Diversas outras cadeias laterais de aminoácidos de PSII participam indiretamente das transferências de elétrons, estabilizando intermediários instáveis e formando um canal de prótons, que devem migrar de OEC até o lúmen do espaço tilacoide.

Figura 15.8 Transferências de elétrons que se processam na fotossíntese de plantas. Quando iluminados, os centros de reação de PSII (P680) e de PSI (P700) passam para formas excitadas (P680* e P700*), com potencial de redução padrão (Eo′) muito menor e emitem elétrons, convertendo-se nas formas oxidadas (P680+ e P700+). A reposição de elétrons em PSII é feita por elétrons provenientes da água e, em PSI, por elétrons provenientes de PSII. Na fotofosforilação não cíclica, os elétrons originários da água reduzem o NADP+. Na fotofosforilação cíclica (seta vermelha tracejada), os elétrons emitidos por ferredoxina são transferidos ao citocromo b f, 6

retornando a P700, via plastocianina. OEC: oxygen-evolving complex; Tyr: resíduo de tirosina Tyr Z; Feo a: feofitina a; PQA e PQB: plastoquinonas A e B; cit b f: citocromo b f; PC: plastocianina; Clor a: clorofila a; FQ: 6 6

filoquinona; Fe-S: centros ferro-enxofre; Fd: ferredoxina.

Os elétrons emitidos por P680* são recebidos por uma cadeia de transportadores de elétrons constituintes de PSII. O primeiro componente

desta cadeia (Figuras 15.8 e 15.9) é a feofitina a (Feo a). As feofitinas são moléculas análogas às clorofilas, mas com dois prótons substituindo o íon magnésio. Os transportadores seguintes são as plastoquinonas A e B (PQ A e

PQB). A redução de uma molécula de plastoquinona (Figura 15.7) a plastoquinol requer 2 (H+ + e−); como o sítio de PSII onde ocorre essa reação fica em contato com o estroma, é deste compartimento que os prótons são retirados.

Figura 15.9 Esquema de um segmento da membrana tilacoide, mostrando a disposição dos componentes que participam do transporte de elétrons desde a água até NADP+, acoplado à fotofosforilação. Os complexos proteicos — PSII, PSI e citocromo b 6f — são interligados por transportadores solúveis: plastocianina e ferredoxina. Ao longo das transferências de elétrons (setas vermelhas), prótons são retirados do estroma, liberados no interior da vesícula tilacoide e bombeados para este compartimento (setas verdes) pelo citocromo b f e ciclo Q, a principal 6 etapa responsável pela formação do gradiente de prótons. Os prótons retornam para o estroma através da ATP sintase (seta roxa), que catalisa a síntese de ATP a partir de ADP e P + i . FNR: ferredoxina-NADP

oxirredutase. O significado das demais siglas está indicado na legenda da

Figura 15.8.

A transferência de elétrons das moléculas de plastoquinol, acompanhada de movimentação de prótons, é catalisada pelo citocromo b f. Este 6 complexo contém um citocromo do tipo b (citocromo b 6), um centro Fe-S e um citocromo do tipo c, o citocromo f, assemelhando-se ao citocromo bc 1 mitocondrial; como este, promove o acoplamento do transporte de elétrons

à translocação de prótons por meio do ciclo Q (Seção 11.2). O resultado é a oxidação das moléculas de plastoquinol (QH 2) a plastoquinona (Q): os prótons são bombeados para o interior do espaço tilacoide e os elétrons são doados à plastocianina (Pc). Da plastocianina, são entregues ao complexo PSI, também sob iluminação.

O complexo PSI absorve luz por meio de P700, que se converte em uma forma excitada, P700*, com potencial de redução muito baixo; ao emitir

elétrons, origina a forma oxidada, P700+ (Figura 15.8). O déficit de elétrons de P700+ é reposto à custa de P680, via plastocianina. A partir de P700*, os elétrons percorrem uma cadeia de transporte de elétrons, constituída por

uma clorofila do tipo a (Clor a), uma filoquinona (FQ) (Figura 15.7) e três centros ferro-enxofre (Fe-S). Os elétrons deixam PSI e reduzem a ferredoxina (Fd), uma proteína ferro-enxofre presente no estroma; por ação da ferredoxina-NADP+ oxirredutase (FNR) são transferidos para o NADP+, o aceptor final de elétrons, que reage com prótons do estroma, originando NADPH.

Resumindo, a resposta de PSII ao estímulo luminoso é a geração de um potente oxidante, P680+, capaz de clivar a água em elétrons, prótons e O2; os elétrons, originários da água, são emitidos por P680 e chegam a P700. A resposta de PSI ao mesmo estímulo é gerar um potente redutor, P700*, capaz de doar os elétrons a NADP+, levando à formação de NADPH. O transporte de elétrons é acoplado ao deslocamento de prótons, cujo número é incerto, do estroma para o interior do tilacoide. A equação de oxidação-redução da fase clara da fotossíntese é:

O transporte de elétrons gera um gradiente de prótons, utilizado para a

síntese de ATP

O transporte de elétrons e a síntese de ATP em cloroplastos apresentam grande semelhança com os mesmos processos ocorrendo em mitocôndrias e o seu acoplamento também é explicado pela hipótese quimiosmótica.

A conexão entre a água e o NADP+ é efetuada por três complexos proteicos que atravessam a membrana tilacoide, ligados por dois transportadores solúveis. Os complexos são orientados de forma assimétrica com relação ao exterior/interior do tilacoide. O transporte de elétrons, como na mitocôndria, acontece em uma membrana impermeável a prótons e que delimita uma vesícula, fatores essenciais para que se estabeleça o gradiente de prótons. O sentido do transporte dos prótons é, de certo modo, oposto ao da mitocôndria: nos cloroplastos, os prótons são bombeados do estroma para o interior da vesícula tilacoide. Quando os elétrons são transferidos de um composto para outro, sempre com diminuição de energia livre, a energia é conservada como um gradiente de prótons através da membrana tilacoide.

As etapas que contribuem para gerar o gradiente de prótons são: a cisão da molécula de água, que libera prótons no lúmen do tilacoide; a redução das plastoquinonas, que retira H+ do estroma; o bombeamento de prótons do estroma para o interior do tilacoide pelo citocromo b 6f via ciclo Q (quantitativamente, a etapa mais importante) e a redução de NADP+ pela

ferredoxina-NADP+ oxirredutase, que consome H+ do estroma (Figura

15.9).

Os prótons devem fluir do interior do tilacoide para o estroma e isto só é

possível pela ATP sintase (Figura 15.9), que tem estrutura e propriedades semelhantes às da enzima mitocondrial. Todavia, em cloroplastos, tendo em vista a direção do fluxo de prótons, a porção F1 da enzima, que contém o sítio de formação de ATP, fica voltada para o estroma; este processo de síntese de ATP é chamado fotofosforilação. Agentes que transferem prótons através de membranas, como o 2,4-dinitrofenol, também desacoplam o transporte de elétrons da síntese de ATP em cloroplastos.

A absorção de um fóton provoca a emissão de um elétron por P680, de modo que 4 fótons são necessários para extrair os 4 elétrons de duas moléculas de água e produzir uma molécula de O 2; 4 fótons adicionais são absorvidos para a emissão de 4 elétrons por PSI. O resultado da absorção de 8 fótons e do transporte de 4 elétrons é a produção de 2 NADPH (a redução de um NADP+consome 2 elétrons) e a liberação no lúmen do tilacoide de 12 H+. A passagem desses prótons pela ATP sintase gera 3 moléculas de ATP. A equação geral da fotossíntese, incluindo os prótons bombeados, é: