Que tipo de reação é a fotossíntese?

Sem a série de reações químicas conhecidas coletivamente como fotossíntese, você não estaria aqui e nem ninguém que você conhece. Isso pode lhe parecer uma afirmação estranha se você souber que a fotossíntese é exclusiva para plantas e alguns micro-organismos, e que nenhuma célula de seu corpo ou de qualquer animal tenha o aparato para realizar essa elegante variedade de reações. O que da?

Simplificando, a vida vegetal e a vida animal são quase perfeitamente simbióticas, o que significa que a maneira como as plantas atendem às suas necessidades metabólicas é de supremo benefício para os animais e vice-versa. Em termos mais simples, os animais absorvem o gás oxigênio (O₂) para derivar energia de fontes não gasosas de carbono e excretar gás dióxido de carbono (CO₂) e água (H₂O) no processo, enquanto as plantas usam CO₂ e H₂O para fazer comida e liberar O₂ Para o ambiente. Além disso, cerca de 87% da energia mundial é atualmente derivada da queima de combustíveis fósseis, que em última análise também são produtos da fotossíntese.

Às vezes se diz que "a fotossíntese é para as plantas o que a respiração é para os animais", mas essa analogia é falha porque as plantas fazem uso de ambas, enquanto os animais só usam a respiração. Pense na fotossíntese como a forma como as plantas consomem e digerem carbono, confiando na luz em vez da locomoção e no ato de comer para colocar o carbono em uma forma que minúsculas máquinas celulares possam usar.

A fotossíntese, apesar de não ser usada diretamente por uma fração significativa de seres vivos, pode ser razoavelmente visto como o único processo químico responsável por garantir a existência contínua de vida em A própria Terra. As células fotossintéticas absorvem CO₂ e H₂O recolhido pelo organismo do meio ambiente e usa a energia da luz solar para alimentar a síntese de glicose (C₆H₁₂O₆), liberando O₂ como um produto residual. Esta glicose é então processada por diferentes células na planta da mesma forma que a glicose é usada por animais células: é submetido à respiração para liberar energia na forma de trifosfato de adenosina (ATP) e libera CO₂ como um produto residual. (O fitoplâncton e as cianobactérias também fazem uso da fotossíntese, mas para os fins desta discussão, os organismos que contêm células fotossintéticas são chamados genericamente de "plantas".)

Os organismos que usam a fotossíntese para produzir glicose são chamados de autótrofos, que se traduz livremente do grego para "alimentação própria". Ou seja, as plantas não dependem de outros organismos diretamente para se alimentarem. Os animais, por outro lado, são heterótrofos ("outros alimentos") porque precisam ingerir carbono de outras fontes vivas para crescer e permanecer vivos.

A fotossíntese é considerada uma reação redox. Redox é a abreviação de "redução-oxidação", que descreve o que ocorre no nível atômico nas várias reações bioquímicas. A fórmula completa e equilibrada para a série de reações chamadas fotossíntese - cujos componentes serão explorados em breve - é:

6h₂O + luz + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Você pode verificar por si mesmo que o número de cada tipo de átomo é o mesmo em cada lado da seta: seis átomos de carbono, 12 átomos de hidrogênio e 18 átomos de oxigênio.

Redução é a remoção de elétrons de um átomo ou molécula, enquanto a oxidação é o ganho de elétrons. Correspondentemente, os compostos que rapidamente fornecem elétrons para outros compostos são chamados de agentes oxidantes, enquanto aqueles que tendem a ganhar elétrons são chamados de agentes redutores. As reações redox geralmente envolvem a adição de hidrogênio ao composto que está sendo reduzido.

A primeira etapa da fotossíntese pode ser resumida como "que haja luz". A luz do sol atinge a superfície das plantas, colocando todo o processo em movimento. Você já deve suspeitar por que muitas plantas têm essa aparência: uma grande área de superfície na forma de folhas e o ramos que os suportam que parecem desnecessários (embora atraentes) se você não sabe por que esses organismos são estruturados Por aqui. O "objetivo" da planta é se expor ao sol o máximo que puder - tornando o menor, o menor plantas em qualquer ecossistema, como os nanicos de uma ninhada de animais, pois ambos lutam para obter o suficiente energia. As folhas, não surpreendentemente, são extremamente densas em células fotossintéticas.

Essas células são ricas em organismos chamados cloroplastos, que é onde o trabalho da fotossíntese é feito, assim como as mitocôndrias são as organelas nas quais ocorre a respiração. Na verdade, cloroplastos e mitocôndrias são estruturalmente bastante semelhantes, fato que, como praticamente tudo no mundo da biologia, pode ser rastreada até as maravilhas da evolução.) Os cloroplastos contêm pigmentos especializados que absorvem de forma otimizada a energia da luz em vez de refletirem isto. Aquilo que é refletido, em vez de absorvido, está em uma faixa de comprimentos de onda que são interpretados pelo olho e pelo cérebro humanos como sendo uma cor específica (dica: começa com "g"). O principal pigmento utilizado para esse fim é conhecido como clorofila.

Os cloroplastos são circundados por uma membrana plasmática dupla, como é o caso de todas as células vivas, bem como das organelas que contêm. Nas plantas, entretanto, existe uma terceira membrana interna à bicamada plasmática, chamada de membrana tilacóide. Esta membrana é dobrada extensivamente de modo que o resultado são estruturas semelhantes a discos empilhados uns sobre os outros, não muito diferente de um pacote de balas de hortelã. Essas estruturas tilacóides contêm clorofila. O espaço entre a membrana interna do cloroplasto e a membrana tilacóide é denominado estroma.

A fotossíntese é dividida em um conjunto de reações dependentes de luz e independentes de luz, geralmente chamadas de reações de luz e escuridão e descritas em detalhes posteriormente. Como você deve ter concluído, as reações à luz ocorrem primeiro.

Quando a luz do sol atinge a clorofila e outros pigmentos dentro dos tilacóides, ela essencialmente se solta elétrons e prótons dos átomos da clorofila e os eleva a um nível de energia mais alto, tornando-os mais livres para migrar. Os elétrons são desviados para as reações em cadeia de transporte de elétrons que se desdobram na própria membrana tilacóide. Aqui, os aceptores de elétrons como o NADP recebem alguns desses elétrons, que também são usados ​​para conduzir a síntese de ATP. O ATP é essencialmente para as células o que os dólares são para o sistema financeiro dos EUA: é "a moeda da energia" com a qual virtualmente todos os processos metabólicos são realizados.

Enquanto isso acontecia, as moléculas de clorofila que banhavam o sol ficaram repentinamente com falta de elétrons. É aqui que a água entra na briga e contribui com elétrons de reposição na forma de hidrogênio, reduzindo assim a clorofila. Com a falta de hidrogênio, o que antes era água agora é oxigênio molecular - O₂. Esse oxigênio se difunde inteiramente para fora da célula e para fora da planta, e parte dele conseguiu chegar aos seus próprios pulmões exatamente neste segundo.

A fotossíntese é chamada de reação endergônica porque requer uma entrada de energia para prosseguir. O sol é a fonte final de toda a energia do planeta (um fato talvez compreendido em algum nível pelos vários culturas da antiguidade que consideravam o sol uma divindade por si só) e as plantas são as primeiras a interceptá-lo para uso produtivo. Sem essa energia, não haveria como o dióxido de carbono, uma molécula pequena e simples, ser convertido em glicose, uma molécula consideravelmente maior e mais complexa. Imagine-se subindo um lance de escada sem, de alguma forma, gastar energia, e poderá ver o problema enfrentado pelas plantas.

Em termos aritméticos, as reações endergônicas são aquelas em que os produtos têm um nível de energia superior ao dos reagentes. O oposto dessas reações, energeticamente falando, é chamado de exergônico, no qual os produtos têm energia menor do que as reações e, portanto, a energia é liberada durante a reação. (Isso geralmente é na forma de calor - novamente, você fica mais quente ou fica mais frio com o exercício?) Isso é expresso em termos da energia livre ΔG ° da reação, que para a fotossíntese é +479 kJ ⋅ mol^-1 ou 479 joules de energia por mol. O sinal positivo indica uma reação endotérmica, enquanto um sinal negativo indica um processo exotérmico.

Nas reações de luz, a água é quebrada pela luz solar, enquanto nas reações de escuridão, os prótons (H⁺) e elétrons (e⁻) liberados nas reações de luz são usados ​​para reunir glicose e outros carboidratos de CO₂.

As reações de luz são dadas pela fórmula:

2h₂O + luz → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻(ΔG ° = +317 kJ ⋅ mol⁻¹)

e as reações escuras são dadas por:

CO₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → CH₂O + H₂O (ΔG ° = +162 kJ ⋅ mol⁻¹)

No geral, isso produz a equação completa revelada acima:

H₂O + luz + CO₂ → CH₂O + O₂(ΔG ° = +479 kJ ⋅ mol⁻¹)

Você pode ver que os dois conjuntos de reações são endergônicos, as reações à luz mais intensamente.

O acoplamento de energia em sistemas vivos significa usar a energia disponibilizada por um processo para conduzir outros processos que de outra forma não aconteceriam. A própria sociedade funciona assim: as empresas muitas vezes têm que pedir emprestado grandes somas de dinheiro para sair do terreno, mas, em última análise, algumas dessas empresas tornam-se altamente lucrativas e podem disponibilizar fundos para outras empresas iniciantes empresas.

A fotossíntese representa um bom exemplo de acoplamento de energia, já que a energia da luz solar é acoplada a reações em cloroplastos para que as reações possam se desenrolar. A planta eventualmente recompensa o ciclo global do carbono sintetizando glicose e outros compostos de carbono que podem ser acoplados a outras reações, imediatamente ou no futuro. Por exemplo, as plantas de trigo produzem amido, usado em todo o mundo como a principal fonte de alimentos para humanos e outros animais. Mas nem toda a glicose produzida pelas plantas é armazenada; parte dele segue para diferentes partes das células vegetais, onde a energia liberada na glicólise é finalmente acoplada a reações nas mitocôndrias da planta que resultam na formação de ATP. Enquanto as plantas representam a parte inferior da cadeia alimentar e são amplamente vistas como energia passiva e oxigênio doadores, eles têm necessidades metabólicas próprias, tendo que crescer e se reproduzir como os outros organismos.

Como um aparte, os alunos muitas vezes têm dificuldade em aprender a equilibrar as reações químicas se estas não forem fornecidas de forma equilibrada. Como resultado, em seus ajustes, os alunos podem ser tentados a alterar os valores dos subscritos nas moléculas da reação para alcançar um resultado equilibrado. Essa confusão pode resultar de saber que é permitido alterar os números na frente das moléculas a fim de equilibrar as reações. Mudar o subscrito de qualquer molécula transforma essa molécula em uma molécula completamente diferente. Por exemplo, mudar O₂ também₃ não apenas adiciona 50% a mais de oxigênio em termos de massa; ele transforma o gás oxigênio em ozônio, que não participaria da reação em estudo de forma remotamente semelhante.