Atividade enzimática na fotossíntese

A fotossíntese pode ser rotulada de forma defensável como a reação mais importante em toda a biologia. Examine qualquer rede alimentar ou sistema de fluxo de energia no mundo e você descobrirá que, em última análise, ele depende da energia do sol para as substâncias que sustentam os organismos nele. Os animais dependem tanto dos nutrientes à base de carbono (carboidratos) quanto do oxigênio que a fotossíntese gera, porque até os animais que obtêm toda a sua nutrição ao predar outros animais, acabam comendo organismos que vivem principalmente ou exclusivamente de plantas.

Da fotossíntese, portanto, fluem todos os outros processos de troca de energia observados na natureza. Como a glicólise e as reações da respiração celular, a fotossíntese tem uma série de etapas, enzimas e aspectos únicos a serem considerados e a compreensão do papéis que os catalisadores específicos da fotossíntese desempenham no que se refere à conversão de luz e gás em alimento é crítica para o domínio básico bioquímica.

A fotossíntese tem algo a ver com a produção da última coisa que você come, seja o que for. Se fosse baseado em plantas, a alegação é direta. Se fosse um hambúrguer, a carne quase certamente provinha de um animal que subsistia quase inteiramente de plantas. Visto de forma um pouco diferente, se o sol se desligasse hoje sem fazer o mundo esfriar, o que levaria à escassez de plantas, o suprimento de alimentos do mundo logo desapareceria; as plantas, que claramente não são predadoras, estão na base de qualquer cadeia alimentar.

A fotossíntese é tradicionalmente dividida em reações de luz e reações de escuridão. Ambas as reações na fotossíntese desempenham papéis críticos; os primeiros dependem da presença de luz solar ou outra energia luminosa, enquanto os últimos não dependem dos produtos da reação da luz para ter substrato com o qual trabalhar. Nas reações de luz, as moléculas de energia que a planta precisa para montar carboidratos são formadas, enquanto a própria síntese de carboidratos ocorre nas reações de escuridão. Isso é semelhante em alguns aspectos à respiração aeróbica, onde o ciclo de Krebs, embora não seja uma importante fonte direta de ATP (trifosfato de adenosina, a "moeda de energia" de todas as células), gera uma grande quantidade de moléculas intermediárias que conduzem a criação de uma grande quantidade de ATP na cadeia de transporte de elétrons subsequente reações.

O elemento crítico nas plantas que lhes permite realizar a fotossíntese é clorofila, uma substância que é encontrada em estruturas únicas chamadas cloroplastos.

A reação líquida da fotossíntese é realmente muito simples. Afirma que dióxido de carbono e água, na presença de energia luminosa, são convertidos em glicose e oxigênio durante o processo.

6 CO₂ + luz + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

A reação geral é a soma do reações de luz e a reações sombrias da fotossíntese:

Reações de luz:12 H₂O + luz → O₂ + 24 H⁺ + 24e⁻

Reações escuras:6CO₂ + 24 H⁺ + 24 e⁻ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O

Resumindo, as reações de luz usam a luz solar para assustar os elétrons que a planta canaliza para a produção de alimentos (glicose). Como isso ocorre na prática foi bem estudado e é uma prova de bilhões de anos de evolução biológica.

Um equívoco comum entre as pessoas que estudam as ciências da vida é que a fotossíntese é simplesmente a respiração celular ao contrário. Isso é compreensível, dado que a reação líquida da fotossíntese se parece com a respiração celular - começando com glicólise e terminando com os processos aeróbicos (ciclo de Krebs e cadeia de transporte de elétrons) nas mitocôndrias - correm precisamente em marcha ré.

As reações que transformam o dióxido de carbono em glicose na fotossíntese são muito diferentes, entretanto, daquelas que são usadas para reduzir a glicose a dióxido de carbono na respiração celular. As plantas, lembre-se, também fazem uso da respiração celular. Os cloroplastos não são "as mitocôndrias das plantas"; as plantas também têm mitocôndrias.

Pense na fotossíntese como algo que acontece principalmente porque as plantas não têm boca, mas ainda dependem da queima de glicose como nutriente para produzir seu próprio combustível. Se as plantas não podem ingerir glicose, mas ainda assim precisam de um suprimento constante dela, então elas têm que fazer o aparentemente impossível e fabricar elas mesmas. Como as plantas fazem comida? Eles usam luz externa para conduzir pequenas usinas de energia dentro deles para fazer isso. Que eles possam fazer isso depende em grande parte de como eles estão realmente estruturados.

Estruturas que possuem grande área de superfície em relação à sua massa estão bem posicionadas para captar grande parte da luz solar que passa em seu caminho. É por isso que as plantas têm folhas. O fato das folhas tenderem a ser a parte mais verde das plantas é resultado da densidade da clorofila nas folhas, pois é aqui que se faz o trabalho da fotossíntese.

As folhas desenvolveram poros em suas superfícies chamados estômatos (singular: estoma). Essas aberturas são os meios pelos quais a folha pode controlar a entrada e saída de CO₂, que é necessário para a fotossíntese, e O₂, que é um resíduo do processo. (É contra-intuitivo pensar no oxigênio como resíduo, mas, nesse cenário, estritamente falando, é isso que é.)

Esses estômatos também ajudam a folha a regular seu conteúdo de água. Quando a água é abundante, as folhas ficam mais rígidas e "infladas" e os estômatos tendem a permanecer fechados. Por outro lado, quando a água é escassa, os estômatos se abrem em um esforço para ajudar a folha a se alimentar.

As células vegetais são células eucarióticas, o que significa que têm as quatro estruturas comuns a todas as células (DNA, uma membrana celular, citoplasma e ribossomos) e várias organelas especializadas. As células vegetais, no entanto, ao contrário das células animais e de outras células eucarióticas, têm paredes celulares, como as bactérias, mas construídas com diferentes substâncias químicas.

As células vegetais também possuem núcleos e suas organelas incluem a mitocôndria, o retículo endoplasmático, corpos de Golgi, um citoesqueleto e vacúolos. Mas a diferença crítica entre as células vegetais e outras células eucarióticas é que as células vegetais contêm cloroplastos.

Dentro das células vegetais existem organelas chamadas cloroplastos. Como as mitocôndrias, acredita-se que estes tenham sido incorporados a organismos eucarióticos relativamente no início da evolução de eucariotos, com a entidade destinada a se tornar um cloroplasto, então existindo como um agente fotossintético autônomo procarioto.

O cloroplasto, como todas as organelas, é circundado por uma membrana plasmática dupla. Dentro dessa membrana está o estroma, que funciona como o citoplasma dos cloroplastos. Também dentro dos cloroplastos estão corpos chamados tilacóides, que são organizados como pilhas de moedas e envoltos por uma membrana própria.

A clorofila é considerada "o" pigmento da fotossíntese, mas existem vários tipos diferentes de clorofila, e outros pigmentos além da clorofila também participam da fotossíntese. O principal pigmento usado na fotossíntese é a clorofila A. Alguns pigmentos não clorofila que participam dos processos fotossintéticos são de cor vermelha, marrom ou azul.

As reações de luz da fotossíntese usam energia luminosa para deslocar átomos de hidrogênio das moléculas de água, com esses átomos de hidrogênio, alimentados pelo fluxo de elétrons finalmente liberado pela luz que chega, sendo usado para sintetizar NADPH e ATP, que são necessários para a escuridão subsequente reações.

As reações de luz ocorrem na membrana tilacóide, dentro do cloroplasto, dentro da célula vegetal. Eles começam quando a luz atinge um complexo de clorofila de proteína chamado fotossistema II (PSII). Essa enzima é o que libera os átomos de hidrogênio das moléculas de água. O oxigênio da água é então livre e os elétrons liberados no processo são anexados a uma molécula chamada plastoquinol, transformando-a em plastoquinona. Essa molécula, por sua vez, transfere os elétrons para um complexo enzimático denominado citocromo b6f. Este ctyb6f pega os elétrons da plastoquinona e os move para a plastocianina.

Neste ponto, fotossistema I (PSI) entra no trabalho. Essa enzima pega os elétrons da plastocianina e os anexa a um composto contendo ferro chamado ferredoxina. Finalmente, uma enzima chamada ferredoxina-NADP⁺redutase (FNR) para fazer NADPH a partir de NADP⁺. Você não precisa memorizar todos esses compostos, mas é importante ter uma noção da natureza em cascata e "transferência" das reações envolvidas.

Além disso, quando o PSII está liberando hidrogênio da água para alimentar as reações acima, parte desse hidrogênio tende a deixar o tilacóide para o estroma, descendo seu gradiente de concentração. A membrana tilacóide aproveita esse fluxo natural ao usá-lo para alimentar uma bomba de ATP sintase na membrana, que anexa moléculas de fosfato ao ADP (difosfato de adenosina) para produzir ATP.

As reações escuras da fotossíntese são assim chamadas porque não dependem da luz. No entanto, eles podem ocorrer quando a luz está presente, então um nome mais preciso, embora mais pesado, é "reações independentes de luz. "Para esclarecer ainda mais as coisas, as reações sombrias são também conhecidas como Ciclo de Calvin.

Imagine que, ao inalar ar em seus pulmões, o dióxido de carbono desse ar poderia entrar em seu células, que então o usariam para fazer a mesma substância que resulta do seu corpo quebrar o alimento que você comer. Na verdade, por causa disso, você nunca teria que comer. Esta é essencialmente a vida de uma planta, que usa o CO₂ ele se coleta do ambiente (que existe em grande parte como resultado dos processos metabólicos de outros eucariotos) para produzir glicose, que então armazena ou queima para suas próprias necessidades.

Você já viu que a fotossíntese começa liberando átomos de hidrogênio da água e usando a energia desses átomos para formar um pouco de NADPH e algum ATP. Mas até agora, não houve menção da outra entrada na fotossíntese, o CO2. Agora você verá por que todo aquele NADPH e ATP foram colhidos em primeiro lugar.

Na primeira etapa das reações de escuridão, o CO2 é ligado a um derivado de açúcar de cinco carbonos chamado ribulose 1,5-bifosfato. Esta reação é catalisada pela enzima ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase / oxigenase, muito mais conhecida como Rubisco. Acredita-se que essa enzima seja a proteína mais abundante do mundo, visto que está presente em todas as plantas que realizam fotossíntese.

Este intermediário de seis carbonos é instável e se divide em um par de moléculas de três carbonos chamadas fosfoglicerato. Estes são então fosforilados por uma enzima quinase para formar 1,3-bisfosfoglicerato. Essa molécula é então convertida em gliceraldeído-3-fosfato (G3P), liberando moléculas de fosfato e consumindo NAPDH derivado das reações de luz.

O G3P criado nessas reações pode então ser colocado em uma série de caminhos diferentes, resultando na formação de glicose, aminoácidos ou lipídios, dependendo das necessidades específicas da planta células. As plantas também sintetizam polímeros de glicose que, na dieta humana, contribuem com amido e fibras.