Fisiologia
Vegetal
Objetivos da aula:
Fotossíntese:
• absorção de luz
• pigmentos fotossintéticos
• fotossistemas
• fluxo de elétrons acíclico
• fotofosforilação
• fluxo de elétrons cíclico
Bibliografia:
Lehninger – Principles of Biochemistry
Taiz – Plant Physiology
Fotossíntese:
Processo pelo qual a energia da luz é utilizada para síntese de
moléculas orgânicas.
monocotiledônea
cianobactérias
fluxo de energia
outras
bactérias
fotossintetizantes
CO2 + H2O
dicotiledônea
carboidratos + O2
principal via pela qual
energia entra na biosfera
fotossíntese oxigênica (2,5 billion years)
RECORDANDO
Absorção de luz
orbitais moleculares
energia
s* (antiligante)
DE
DE
p*(antiligante)
não ligante
p ligante
s ligante
a luz UV e visível possui energia
suficiente para promover as
transições eletrônicas dos orbitais
n para p* ou p para p*
H
H
H
C
C
c s c
p
e(M-1cm-1)
lmax(nm)
165
15000
217
21000
256
50000
290
85000
334
125000
estado fundamental
ETILENO
H
c s c
p* p
estado excitado
l (comprimento de onda)
indica a quantidade de energia
necessária para ocorrer a
transição eletrônica.
e (coeficiente de extinção)
indica a probabilidade da
transição eletrônica ocorrer.
RECORDANDO
Pigmentos Fotossintéticos
anel porfirínico
Mg
principais fotoreceptores da
fotossíntese nas plantas
coeficinete de extinção
molar = 105 M-1 cm-1
fitol
ab
so
rb
ân
cia
430
a
Espectro de absorção das
clorofilas a e b
bb
660
Protoporfirina IX
A mudança estrutural leva
a diferentes espectros de
absorção
400
500
600
comprimento de onda (nm)
700
RECORDANDO
Pigmentos Fotossintéticos
acessórios
C H3
C H3
C H3
C H3
C H3
C H3
C H3
b - caroteno
C H3
HOOC COOH
CH3
CH3
CH3
O
N
H
CH3
CH3 CH3
N
H
N
H
N
H
O
ficocianina
RECORDANDO
estados eletrônicos
da clorofila a
2o. estado
excitado
430 nm
Formas de uma molécula dissipar
a energia (quenching) do estado excitado:
1) conversão interna (conversão para energia
cinética, <10-11 s)
2) fluorescência, (+ 10-8 s)
3) transferência do estado excitado para uma
molécula vizinha (ressonância)
luz
4) fotoxidação
calor
conversão
interna
1o. estado
excitado
Absorção de Luz
fotoxidação
aceptor de
elétrons
660 nm
fluorescência
estado
fundamental
absorção de energia
dissipação de energia
• Moléculas têm vários estados de energia.
• Cada um dos estados eletrônicos tem subestados rotacionais e vibracionais.
1) e 2)
3)
radical
livre
4)
+ -
elétron
pigmento
aceptor de elétrons
RECORDANDO
Onde ocorre a fotossíntese?
ORGANELA:
CLOROPLASTO
ORGÃO:FOLHA
estroma (DNA, RNA,
grana*
epiderme superior
T
E
C
I
D
O
S
ribossomos, enzimas)
parênquima
palissádico
lamela dos grana*
parênquima
lacunoso
epiderme inferior
CO2
lamela do estroma*
membrana
externa
(permeável)
espaço
inter-membrana
membrana
interna
(semi-permeável)
No tilacóide ocorrem as reações de captação de luz.
No estroma ocorrem as reações de fixação de carbono.
* fazem parte da
membrana do
tilacóide (alta
fluidez).
RECORDANDO
As Reações da Fotossíntese
luz
reações luminosas
abundantes na
natureza
(tilacóides)
reações de fixação
de carbono (CO2)
(estroma)
ciclo de
transformação de compostos
simples em complexos
utilizando a energia
luminosa
açúcares
Onde se dá a captação de luz?
ACEPTOR PRIMÁRIO
Fotossistemas
PI 700 nm
PII 680 nm
ressonância
foto-oxidação
fóton
centro de reação
(2 moléculas de clorofila a)
pigmentos
carotenóides,
clorofila a e b
(20-2000 moléculas/
fotossistema)
complexo
antena
(em volta do
centro de reação)
energia
estados excitados
estados fundamentais
clorofila a do
centro de
transferência de E
reação
entre pigmentos do
complexo antena
calor
complexo antena:
pigmentos associados
a proteínas
As moléculas de pigmentos têm
espaçamento e orientações
relativas precisas. Estas permitem
a transmissão de energia entre as
moléculas por ressonância.
Esquema Z
reações endergônicas
reações exergônicas
D = 1,4
3 ps*
O acoplamento dos dois
fotossistemas se dá
através de uma cadeia
transportadora de
elétrons.
200 ps*
D = 2,0
6 ms*
* duração da transferência de elétrons (em bactérias)
adaptado de Lehninger, 5ª. Ed., 2008
Origem e disposição dos componentes da membrana dos tilacóides
vermelho: codificado no genoma do cloroplasto
cinza: codificado no genoma nuclear
Cyt b6f
móvel
proteínas integrais de
membrana com
disposição específica
PS I
ATP sint
lamelas do estroma
PS II
lamelas dos grana
Prof. Dr. Thomas Boller, botanical Institute, Section Plant Physiology, Suiça
file:///C:/WINDOWS/Temporary%20Internet%20Files/Content.IE5/S1YJ0PM3/424,15,Differenzierung von Plastiden
Fluxo de Elétrons Acíclico e Foto-fosforilação
+
fluxo de prótons
fluxo de elétrons
micromolécula
proteína
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Thylakoid_membrane.png (modificado)
Fluxo de Elétrons Acíclico e Foto-fosforilação
fluxo de efluxo de H+
cadeia de transporte
de elétrons
PSI - fotossistema I
PSII - fotossistema II
Q - plastoquinona
Cyt – citocromo
PC – plastocianina
Fd - ferredoxina
CF - ATP sintase
(pH 5)
estroma
(pH 8)
atenção: a
escala de pH é
logarítmica
estequiometria aproximada:
2 H2O + 8 fótons + 2 NADP + 3 ADP + 3 Pi
complexos proteicos
carreadores móveis de eO2 + 3 ATP + 2 NADPH
• Oito a dez fótons são necessários para gerar cada O2.
• 8-12 H+ são translocados através da membrana para cada O2 formado.
• A ATP sintase do cloroplasto produz um ATP a cada 3 - 4 H+ translocados.
adaptado de Lehninger, 2008
Plastoquinona
http://www.bio.davidson.edu/courses/Bio111/NADPH.html
Experimento realizado por Jagendorf, 1966
no escuro
grana isolados
de cloroplastos
geração de
ATP na
ausência de
luz
Demonstração da teoria quimiosmótica apresentada por P. Mitchell:
diferenças de pH e potenciais elétricos através de membranas são fontes de
energia que podem ser utilizadas para a síntese de ATP.
from Biochemistry 2nd Ed. by Garrett & Grisham, modificado
Fluxo cíclico de elétrons
O fluxo cíclico
de elétrons
gera somente
ATP
H+
2H2O
O2 + 4H+
esquema Z
Aumenta a formação de ATP durante a fotossíntese e permite à célula regular
a proporção de ATP e NADPH de acordo com as suas necessidades.
Fotoinibição
•epiderme sem cloroplastos
•espessura da folha diminui
em plantas crescidas ao sol
Folhas de Alocasia expostas a diferentes
intensidades de luz
Arabidopsis - mutantes incapazes de induzir
movimento em seus cloroplastos são mais
suscetíveis ao excesso de luz (clorose e
necrose de seus tecidos).
Regulação da captação de
luz pela planta é feita ao
nível do:
• corpo da planta
• tecidos
• organelas
• fisiológico
• bioquímico
Fotoinibição
A fotoinibição ocorre quando a quantidade de luz absorvida
pelas plantas é maior do que pode ser utilizada na fotossíntese.
excesso de
fótons
calor
produtos tóxicos
(O-2, H2O2, OH.,1O2*)
agentes fotoprotetores
fotossitemas
fotossistema
danificado
fotoinibição
reparo
síntese
“de novo”
Mecanismos de contornar a
fotoinibição:
• movimento das folhas
• movimento dos cloroplastos
• “Quenching “ com perda de E na
forma de calor
• agentes fotoprotetores
(carotenóides, superoxide
dismutase, ác. ascórbico)
• reparo e síntese “de novo” do
fotossistema
Phenotypic change of Microcystis
PCC 7806 during culture
two phenotypes
absorbance
relativeabsorbance
relative
0,23
0,22
green
culture1
chlorotic
culture2
0,21
___ 3 days1
0,20
_._
3 days
1
1515days
days
.......
…...
days 2
3535days
0,19
590
640
690
740
wavelength (nm)
wavelength
(nm)
Dagnino, D, et al., Environmental
Microbiology, 2006
Whole cell absorption
spectra of a culture collected
at different growth stages.
Effect of the conditioned medium of chlorotic
Microcystis PCC 7806 cultures on the ultra-structure
of Microcystis PCC 7806 cells cultured under
nutrient replete conditions
green culture
chlorotic culture
culture with conditioned
medium
Próxima aula: Reações de Fixação de Carbono
Ou: Ciclo de Calvin-Benson
6 x 3-fosfoglicerato
3 x intermediário
instável
6C
3 x CO2
1C
1C
6C
6C
3C
3C
3C
3C
3C
3C
6 ATP 6 NADPH 6 H+
6 ADP 6 Pi 6 NADP+
1C
3C 3C
3C
3C
3C 3C
5C
5C 5C
3 ADP
3 ATP
3C
6 x gliceraldeído
-3-fosfato
SITES INTERESSANTES:
http://photoscience.la.asu.edu/photosyn/education.html
Animações:
http://vcell.ndsu.edu/animations/photosynthesis/index.htm
http://vcell.ndsu.edu/animations/photosystemII/index.htm
Para ir além:
Nelson, N. e Bem-Shen, A. 2004 Nature Reviews vol. 5 THE COMPLEX
ARCHITECTURE OF OXYGENIC PHOTOSYNTHESIS
doi:10.1038/nrm1525