Na primeira metade do século 17, o médico Johan Baptista van Helmont acompanhou o crescimento de uma planta em um jarro com terra e regou a planta somente com água da chuva. Ele observou que após 5 anos, a planta tinha crescido bastante, mas a quantidade de terra no jarro quase não decresceu. Van Helmont concluiu que o material utilizado pela planta para o seu crescimento veio da água utilizada para regá-la. Em 1727 o botânico inglês Stephan Hales observou que as plantas usavam principalmente o ar como fonte de nutrientes para o seu crescimento. Entre 1771 e 1777, o químico Joseph Priestly descobriu que quando ele colocava uma vela no interior de um jarro emborcado, a chama extinguia-se rapidamente sem que a cera fosse completamente consumida. Posteriormente, ele observou que se um camundongo fosse colocado nas mesmas condições ele morreria. Ele mostrou então que o ar que fora "viciado" pela vela e pelo camundongo, poderia ser restaurado por uma planta. Em 1778, Jan Ingenhousz repetiu os experimentos de Priestly e observou que era a luz a responsável pela restauração do ar. Ele observou também que somente as partes verdes da planta tinha essa propriedade. Em 1796, Jean Senebier mostrou que o CO2 era quem "viciava" o ar e que o mesmo era fixado pelas plantas durante a fotossíntese. Logo em seguida, Theodore de Saussure mostrou que o aumento da massa das plantas durante o seu crescimento não poderia ser devido somente à fixação de CO2, mas também devido a incorporação da água.
Assim a reação básica da fotossíntese foi concluída:
Para a manutenção da vida, um constante fornecimento de energia é requerido. Uma diferença fundamental entre plantas e animais é a forma como é obtida a energia para a manutenção da vida. Os animais obtêm, nos alimentos, os compostos orgânicos, enquanto que a energia química é obtida através da respiração. Plantas verdes absorvem energia em forma de luz a partir do sol, convertendo-a em energia química. Assim dizemos que as plantas, de maneira geral, são autotróficas, ou seja se auto-alimentam, enquanto que os animais são heterotróficos. A Fotossíntese está muito ligada à Respiração, ou seja pode-se dizer que a fotossíntese e a respiração são espelho uma da outra, e, de maneira geral, há um balanço entre estes dois processos na biosfera.
Nota 1: O ponto de compensação luminoso (fótico) corresponde à taxa de luz em que a atividade fotossintetizante se iguala à atividade respiratória. Quando a planta se encontra abaixo desse ponto, a atividade respiratória supera a fotossintetizante, havendo maior consumo do que produção, impossibilitando o crescimento de plantas de sol e, também, de sombra.
Tanto a fotossíntese quanto a respiração geram energia
química utilizável (na forma de ATP), cuja síntese é
mediada por um gradiente de hidrogênio transmembrana. A respiração
aeróbica envolve a oxidação de moléculas orgânicas
em CO2 com redução do O2 em H2O e dissipação de
energia em forma de calor. A fotossíntese envolve dois processos ligados:
- a oxidação de H2O em O2 mediada pela luz e produção
de ATP – fase Foto
- a redução do CO2 em moléculas orgânicas, onde
o ATP é utilizado – fase Síntese
Nota 2: Oxidação é a remoção ou perda de elétrons ou átomos de hidrogênio (próton + elétron) ou adição de oxigênio. Redução é a adição ou ganho de elétrons ou átomos de hidrogênio ou remoção de oxigênio. O agente redutor ao doar elétron se oxida, enquanto que o agente oxidante ao receber elétron se reduz.
Nas partes verdes de um vegetal, em especial no mesófilo das folhas, nos parênquimas clorofílicos paliçádico, com maior número de cloroplastos, e lacunoso. Nestes tecidos ocorre nos cloroplastos, a fase clara nos tilacóides que constituem cada granum e a fase escura no estroma.
Ocorrem nos cloroplastos. O cloroplasto é composto por um sistemas de membranas bem organizado, uma externa e uma interna, com pregueamentos sobre os quais temos estruturas em forma discóide ou de "moedas" denominados de tilacóides. As clorofilas estão contidas dentro deste sistema de membranas, nos tilacóides, o que fornece a coloração verde ao cloroplasto. Os tilacóides são os locais das reações de luz da fotossíntese. Os tilacóides quando estão associadas entre si formam pilhas na forma de moedas conhecidas como grana lamelae (ou simplesmente grana), sendo que um pilha apenas é denominada granum.
Todo este conjunto de membranas encontra-se mergulhado em um fluído gelatinoso que preenche o cloroplasto, chamado de estroma, onde há enzimas, DNA, pequenos ribossomos e amido. As moléculas de clorofila se localizam nos tilacóides, reunidas em grupo, formando estruturas chamadas de “complexos de antena” ou “antena”.
Na fase fotoquímica, a energia luminosa, absorvida pelas clorofilas, será utilizada na síntese de dois compostos energéticos, o ATP e o NADPH2. A síntese de ATP se faz a partir do ADP e fosfato e é chamada fotofosforilação. O NADPH2 se forma quando a molécula da água é quebrada nos seus componentes, isto é, oxigênio e hidrogênio. O oxigênio é liberado como subproduto da fotossíntese, e o hidrogênio é utilizado na redução do NADP a NADPH2.
A fase clara da fotossíntese verifica-se na presença da luz, pois é ela que fornece a energia necessária para que ocorra todo o processo. A energia luminosa quebra a molécula de água, formada por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio (H2O), e libera o hidrogênio componente, enquanto o oxigênio se desprende, reação que se denomina fotólise da água. Os hidrogênios serão empregados na formação de uma série de moléculas redutoras (passam elétrons para outras), que mais tarde cedem o mesmo hidrogênio ao dióxido de carbono (CO2), na fase escura.
Ao mesmo tempo, a luz chega à clorofila e faz com que desta se desprendam elétrons, que passarão aos hidrogênios originados na fotólise da água por meio de uma cadeia de substâncias transportadoras. Na fase clara, portanto, prepara-se o material redutor (que cede elétrons) necessário à segunda fase do processo fotossintético; produz-se oxigênio como resultado da quebra da molécula de água e formam-se, graças à contribuição energética da luz, substâncias ricas em energia conhecidas como ATP (trifosfato de adenosina). Estas contêm átomos de fósforo e, quando se decompõem, liberam a energia nelas encerrada e possibilitam a ocorrência de reações biológicas imprescindíveis à vida do organismo. O ATP pode ser considerado o combustível molecular dos seres vivos.
Esta etapa compreende dois conjuntos de reações em que se realizam as fosfolirações (cíclicas e acíclicas) e a conseqüente produção de molécula de ATP. Nessa etapa a energia luminosa absorvidas pela clorofilas é transferida sob forma de energia química, através dos elétrons a outros compostos, os aceptores. Nessas condições, a clorofila (que é doadora de elétrons) se oxida e o composto aceptor de elétrons se reduz. Trata-se, portanto, de um processo de oxidorredução, no qual tomam parte um redutor (doador de elétrons, a água) e um oxidante (receptor de elétrons, o CO2).
Na Fotofosforilação cílica, a luz é absorvida pelo fotossistema, elevando o nível energético dos elétrons que são capturados pela ferredoxina e transportados a citocromos via plastoquinona, retornando depois ao fotossistema.
Fotofosforilação acílica: nesse caso os elétrons liberados durante a fotólise da água são capturados pelo fotossistema e não retornam à água. Tais elétrons passam por um sistema de transporte ate chegar ao NADP e, juntamente com os prótons provenientes da fotólise da água, são utilizados na síntese da NADPH2. Uma pequena quantidade de luz provoca a decomposição das moléculas de água que se quebra nos íons H+ e OH-. Um átomo de hidrogênio tem apenas um elétron e um próton. Os prótons (íons H+) serão recolhidos pelas moléculas de NADP reduzido. Os elétrons que vieram dos átomos de hidrogênio serão recolhidos pela clorofila B, que estava até agora oxidada, quer dizer, sem o elétron que perdeu. Cada grupo de quatro deles se organizam naturalmente formando duas moléculas de água e uma de oxigênio livre, que é exatamente o oxigênio liberado. Resumindo, durante a fase luminosa, é liberado o oxigênio e formado o ATP e o NADPH2 que são de fundamental importância para a fase escura.
Na fase química ocorre absorção e fixação de CO2, redução do CO2 pelo NADPH2, consumindo a energia do ATP e produzindo a glicose, rica em energia. Ocorre tanto na presença quanto na ausência de luz, sendo processada no estroma. Na ausência da luz, ocorrem no estroma do cloroplasto diversas e complicadas reações (o ciclo de Calvin), graças às quais se formam as moléculas de açúcares de que a planta necessita para viver. O carbono da molécula de dióxido de carbono (CO2), que o vegetal tira do ar, capta os elétrons cedidos pelas moléculas redutoras presentes no cloroplasto e passa a fazer parte de uma molécula de pentose, açúcar de cinco átomos de carbono, que mais tarde se fraciona em duas moléculas, cada uma com três átomos de carbono. Esses últimos compostos sofrem uma série de modificações e, após sucessivos ciclos, formam uma molécula de glicose, açúcar de grande importância para o metabolismo de numerosos seres vivos. Como ocorre com todas as reações produzidas nos organismos vivos, esses processos são regulados por diversas enzimas, compostos que possibilitam e aceleram a conversão de umas substâncias em outras. A etapa química da fotossíntese realiza-se independentemente da luz, e suas reações são catalisadas por enzimas, sendo importante nesse caso a temperatura. A energia utilizada nessa fase resulta da decomposição do ATP formado na etapa fotoquímica. A energia do ATP é empregada na redução do CO2 pelo NADPH2 também formado na etapa fotoquímica. Desta forma chega-se a conclusão que Fotossíntese é um processo de oxidorredução no qual tomam parte o CO2 como oxidante e o H2O como redutor, envolvendo a transferência de dois elétrons (da fotólise da água). Como produtos da reação fornam-se carboidratos, açúcares (que funcionam como alimentos energéticos), e o oxigênio, imprescindível no processo de respiração aeróbica. Resumindo, dizemos que a fase escura ocorre no estroma dos cloroplastos e é nesta fase que se forma a glicose, pela reação inicial entre o gás carbônico atmosférico e um composto de 5 carbonos, a ribulose difosfato (RDP), que funciona como “suporte” para a incorporação do CO2. A molécula de CO2 se liga ao “suporte” de RDP desencadeando um ciclo de reações no qual se formam vários compostos de carbono. Para formação de uma molécula de glicose é necessário que ocorram 6 ciclos destes. Os átomos de Hidrogênio da água são adicionados a compostos de carbonos, obtidos a partir de CO2, havendo uma redução do gás, com produção de glicose.
Os produtos da fotossíntese são usados diretamente pelas células fotossintetizantes para a sua respiração e são também convertidos em um açúcar de baixo peso molecular (normalmente sacarose), que é exportada para suprir as necessidades metabólicas das outras várias células não-fotossintetizantes do vegetal, pelos vasos liberianos do floema. Alternativamente, os produtos podem ser armazenados na forma de um polissacarídeo osmoticamente inerte (normalmente amido), que é mantido disponível como fonte de açúcar para uso futuro.
O amido é acumulado em parênquimas de reserva, amilíferos. O mais popular encontramos nos tubérculos da batata inglesa, caules subterrâneos com crescimento limitado e facilmente identificáveis como tal pela presença de gemas na sua superfície.
Nas plantas, a parede celular é formada principalmente por um polissacarídeo chamado celulose, formado por longas cadeias de unidades de glicose, arranjadas em fibras empacotadas. Ou, melhor ainda podemos definir celulose como um polissacarídio formado pela união de milhares de moléculas de celobiose; cada celobiose é formada pela união de duas glicoses.
Assim, a fotossíntese, intervém na síntese de produtos orgânicos indispensáveis à nutrição vegetal e animal, na síntese da matéria prima para as reservas nutritivas e matéria prima para a síntese de celulose, utilizada na parede celular dos vegetais, na indústria do papel e uma forma de seqüestrar carbono da atmosfera até atingir o equilíbrio desejável de percentual adequado de CO2, intensidade adequada do processo de fotossíntese e não intensificação da temperatura pelo excessivo efeito estufa. O fenômeno faz parte do nosso dia-a-dia, no oxigênio que respiramos, nos alimentos que ingerimos, na cadeia alimentar a qual pertencemos, na batata frita do fast food, no jornal ou revista que lemos ou até no combustível que utilizamos pois tanto carvão (origem vegetal), álcool ou petróleo (origem mista, animal e vegetal) contém energia química resultante de processos fotossintéticos.
A fotossíntese é afetada por vários fatores, tais como a intensidade luminosa, a temperatura e a concentração de gás carbônico no ar. Por exemplo: em uma planta mantida em um ambiente com temperatura e concentração de CO2 constantes, a intensidade de fotossíntese realizada passa a depender exclusivamente da luminosidade.
Fonte: www.marcobueno.net
Na primeira metade do século 17, o médico Van Helmont cresceu uma planta em um jarro com terra e regou a planta somente com água da chuva. Ele observou que após 5 anos, a planta tinha crescido bastante, mas a quantidade de terra no jarro quase não decresceu. Van Helmont concluiu que o material utilizado pela planta para o seu crescimento veio da água utilizada para regá-la. Em 1727 o botânico inglês Stephan Hales observou que as plantas usavam principalmente o ar como fonte de nutrientes para o seu crescimento. Entre 1771 e 1777, o químico Joseph Priestly descobriu que quando ele colocava uma vela no interior de um jarro emborcado, a chama extinguia-se rapidamente sem que a cera fosse completamente consumida. Posteriormente ele observou que se um camundongo fosse colocado nas mesmas condições ele morreria. Ele mostrou então que o ar que fora "viciado" pela vela e pelo camundongo, poderia ser restaurado por uma planta. Em 1778, Jan Ingenhousz repetiu os experimentos de Priestly e observou que era a luz a responsável pela restauração do ar. Ele observou também que somente as partes verdes da planta tinha essa propriedade. Em 1796, Jean Senebier mostrou que o CO2 era quem "viciava" o ar e que o mesmo era fixado pelas plantas durante a fotossíntese. Logo em seguida, Theodore de Saussure mostrou que o aumento da massa das plantas durante o seu crescimento não poderia ser devido somente à fixação de CO2, mas também devido a incorporação da água.
Assim a reação básica da fotossíntese foi concluída:
onde n é o número de mol das espécies moleculares envolvidas.
A fotossíntese significa etimologicamente síntese pela luz. Excetuando as formas de energia nuclear, todas as outras formas de energia utilizadas pelo homem moderno provêem do sol. A fotossíntese pode ser considerada como um dos processos biológicos mais importantes na Terra. Por liberar oxigênio e consumir dióxido de carbono, a fotossíntese transformou o mundo no ambiente habitável que conhecemos hoje. De uma forma direta ou indireta, a fotossíntese supre todas as nossas necessidades alimentares e nos fornece um sem-número de fibras e materiais de construção. A energia armazenada no petróleo, gás natural, carvão e lenha, que são utilizados como combustíveis em várias partes do mundo, vieram a partir do sol via fotossíntese. Assim sendo, a pesquisa científica da fotossíntese possui uma importância vital. Se pudermos entender e controlar o processo fotossintético, nós saberemos como aumentar a produtividade de alimentos, fibras, madeira e combustível, além de aproveitar melhor as áreas cultiváveis. Os segredos da coleta de energia pelas plantas podem ser adaptados aos sistemas humanos para fornecer modos eficientes de aproveitamento da energia solar. Essas mesmas tecnologias podem auxiliar-nos a desenvolver novos computadores mais rápidos e compactos, ou ainda, a desenvolver novos medicamentos. Uma vez que a fotossíntese afeta a composição atmosférica, o seu entendimento é essencial para compreendermos como o ciclo do CO2 e outros gases, que causam o efeito estufa, afetam o clima global do planeta. Veremos logo abaixo como a pesquisa científica em fotossíntese é importante para a manutenção e elevação da nossa qualidade de vida.
Todas as nossas necessidades energéticas nos são fornecidas pelos vegetais, seja diretamente, ou através dos animais herbívoros. Os vegetais por sua vez, obtém a energia para sintetizar os alimentos via fotossíntese. Embora as plantas retiram do solo e do ar a matéria-prima necessária para a fotossíntese, a energia necessária para a realização do processo é fornecida pela luz solar. Entretanto, a luz solar per si não é uma energia muito útil, visto que ela não gera trabalho, isto é, não podemos mover motores utilizando a luz como tal (pelo menos com a atual tecnologia e aqui na Terra); além disso, ela não pode ser armazenada. Para ser plenamente utilizada, a energia solar deve ser convertida em outras formas de energia. E é exatamente isso que ocorre na fotossíntese, as plantas convertem a energia solar em formas de energia que podem ser armazenadas e utilizadas posteriormente.
Um dos processos mais importantes da fotossíntese é a utilização da energia solar para converter o dióxido de carbono atmosférico em carboidratos, cujo subproduto é o oxigênio. Posteriormente, se a planta assim o necessitar, ela pode utilizar a energia armazenada nos carboidratos para sintetizar outras moléculas. Nós fazemos o mesmo, todas as vezes que comemos, parte do alimento é oxidado a gás carbônico e água para aproveitar a energia armazenada nos alimentos. Isso ocorre durante a respiração. Assim, se não há fotossíntese, não há alimento para a grande maioria das formas de vida heterotróficas. Entretanto, a pesquisa científica em fotossíntese, mostrou-nos que o processo fotossintético é relativamente ineficiente. Por exemplo, a eficiência de ganho de carbono em um campo de milho durante a época de crescimento é apenas de 1 a 2 % da energia solar incidente. Nos campos não cultivados, a eficiência é de apenas 0,2 %. A cana-de-açúcar possui uma eficiência de 8 %. A maior fonte de perda da energia solar pelos vegetais é a fotorrespiração. Se pudermos entender a fotossíntese, poderemos alterá-la através das modernas técnicas de biologia molecular, tornando as plantas mais eficientes, aumentando assim a sua produtividade. Poderemos ainda desenvolver hebicidas específicos para as chamadas "ervas daninhas", mas que sejam inócuos para a vida animal e para o vegetal que desejamos cultivar.
A celulose é um dos produtos da fotossíntese que constitui a maior parte da madeira seca. Quando a lenha é queimada, a celulose é convertida em CO2 e água com o desprendimento da energia armazenada em sua estrutura. Assim como na respiração, a queima de combustíveis libera a energia armazenada para ser convertida em formas de energia útil; por exemplo, quando queimamos álcool nos nossos automóveis, estamos convertendo a energia química em energia cinética. Além do álcool que é amplamente utilizado no Brasil como combustível, no norte do país o bagaço de cana é largamente empregado para gerar energia nas usinas de beneficiamento da cana de açúcar. O petróleo, o carvão e o gás natural são exemplos de combustíveis utilizados no mundo moderno, que tiveram a sua origem na fotossíntese. Portanto, muitas das nossas necessidades energéticas provém da fotossíntese e a sua compreensão pode levar a uma maior produtividade dessas formas de energia.
O conhecimento obtido a partir da pesquisa científica da fotossíntese, também pode ser utilizado para aumentar a produção energética de uma maneira mais direta. Embora o processo global da fotossíntese seja ineficiente, as etapas iniciais de conversão de energia radiante (luz solar) em energia química são muito eficientes. Se entendermos os processos físicos e químicos da fotossíntese, poderemos construir tecnologias de alta eficiência na conversão da energia. Hoje nos laboratórios, os cientistas já podem sintetizar centro de reações tão eficientes ou mais que os naturais, em termos de quantidade de energia radiante convertida e armazenada na forma de energia elétrica ou química.
Hoje em dia fala-se muito em reciclagem de papel como forma de se evitar a degradação do ambiente, seja no acúmulo de dejetos, seja na preservação das florestas. A matéria-prima do papel é a celulose e a partir desta, uma gama de materiais são sintetizados com as mais diversas finalidades: roupas, filtros, fibras naturais e artificiais e vários outros polímeros derivados da celulose. Outros materiais que têm como origem a fotossíntese são a borracha natural, as borrachas sintéticas, os preservativos, os pneus, os plásticos e muitos outros derivados de petróleo.
Atualmente há uma discussão em torno do efeito estufa que seria causado pelo CO2 entre vários outros gases. Como fora dito anteriormente, durante a fotossíntese, CO2 é convertido em carboidratos e outros compostos, com a produção de O2. Da mesma forma, quando respiramos ou quando queimamos combustíveis, nós convertemos estes compostos novamente em CO2 e água com o concomitante consumo de O2. Na nossa sociedade atual, toneladas de combustíveis fósseis são queimados todos os dias, de forma que todo o CO2 que fora fixado pelo processo de fotossíntese durante milhões de anos, está sendo recolocado na atmosfera. Este aumento na concentração de CO2 irá afetar a nossa atmosfera. Entretanto algumas perguntas são colocadas e que permanecem sem respostas. Qual será a extensão desta mudança? Essa mudança será prejudicial ou benéfica? As respostas para essas perguntas dependerá grandemente da fotossíntese que ocorre nas plantas terrestres e aquáticas. Sabemos que a fotossíntese consome o CO2 e produz O2, todavia as plantas respondem à quantidade de CO2 disponível. Algumas plantas crescem mais rapidamente em um ambiente rico em CO2 (as plantas de metabolismo C3), outras não necessitam de uma concentração elevada de CO2 para o seu crescimento (plantas de metabolismo C4) . A compreensão dos efeitos dos gases que causam o efeito estufa requer um conhecimento maior da interação do reino vegetal com o CO2. Felizmente, com a compreensão da fotossíntese poderemos construir equipamentos que poderão nos fornecer energia, cujo único subproduto será o calor. A implementação de tal tecnologia nos ajudará a prevenir a poluição na sua origem.
Fonte: www.bio2000.hpg.ig.com.br