Fotossíntese

1. INTRODUÇÃO

O termo fotossíntese significa, literalmente, “síntese usando a luz”. Os organismos fotossintéticos captam e utilizam a energia solar para oxidar H2O, liberando O2, e para reduzir CO2, produzindo compostos orgânicos, primariamente açúcares.

Esta energia estocada nas moléculas orgânicas é utilizada nos processos celulares da planta e serve como fonte de energia para todas as formas de vida.

O mesofilo (tecido fundamental da folha) é o tecido mais ativo em termos de fotossíntese.

As células desse tecido foliar contêm muitos cloroplastos, organelas circundadas por uma dupla membrana, os quais possui um pigmento verde especializado, a clorofila.

Nos cloroplastos, a luz é absorvida pelas moléculas de clorofila e a energia é colhida por duas diferentes unidades funcionais, conhecidas como fotossistemas. 

A energia da luz absorvida é utilizada para impulsionar a transferência de elétrons através de uma série de compostos que agem como doadores e aceptores de elétrons. 

A maioria dos elétrons é utilizada para reduzir NADP+ para NADPH. 

A energia da luz é utilizada, também, para gerar um gradiente de prótons entre o estroma e o lúmem dos tilacóides, o qual é usado para síntese da ATP. 

Os produtos destas reações (ATP e NADPH) são usados para a síntese de açúcares nas reações de fixação e redução de CO2. 

2. EVOLUÇÃO HISTÓRICA DOS CONHECIMENTOS SOBRE FOTOSSÍNTESE

Segundo Prisco (1989), na Grécia antiga acreditava-se que as plantas obtinham do solo e da água todos os elementos necessários ao seu crescimento.

Foi somente no século XVIII, mais precisamente em 1727, que Stephan Hales sugeriu que parte da nutrição da planta dependia da atmosfera, tendo a luz papel importante neste processo. Nesta época, ainda não se conhecia a composição química do ar e nem se tinha ideia de como acontecia a respiração dos animais. 

Os alquimistas, tentando explicar o fenômeno da combustão, criaram a teoria de que quando, por exemplo, uma vela queimava havia a produção de uma “substância tóxica”, denominada flogisto (fluido produzido como resultado da combustão), que fazia com que o ar se tornasse impuro ou contaminado.

Em 1771, o inglês Joseph Priestley descobriu que se um rato era colocado sob uma campânula juntamente com uma vela acesa, depois de algum tempo o animal morria. Sua interpretação foi que o ar estava contaminado devido a combustão da vela, a qual produzia “flogisto”. Quando ele substituiu o rato por uma planta, ela se desenvolveu normalmente. Isto foi interpretado por ele como sendo devido à capacidade que têm as plantas de purificar o ar, ou seja, de “desflogistá-lo”. Ao tomar conhecimento das experiências de Priestley, o cientista holandês Jan Ingen-Housz deu continuidade ao trabalho e em 1779 concluiu que a “purificação do ar” feita pelas plantas dependia da luz e que isto só ocorria nas partes verdes da planta. As partes não verdes (raízes, por exemplo) comportavam-se de maneira idêntica aos animais. Nesta época, o químico francês Antoine Lavoisier esclareceu o fenômeno da combustão, demonstrando que neste processo o que ocorre é o consumo de oxigênio com conseqüente liberação de gás carbônico, colocando por terra a teoria do flogisto. 

De posse desta informação, Ingen-Housz e o suíço Jean Senebier (1782) concluíram que o CO2 existente no ar era a fonte de carbono para a formação da matéria orgânica vegetal. As experiências até aqui relatadas eram qualitativas, mas o suíço Nicholas de Saussure (1804) deu um cunho mais quantitativo aos seus experimentos, podendo, assim, chegar a conclusão de que a água era também um reagente da fotossíntese. Além disto, ele demonstrou claramente que na presença de luz as plantas absorviam CO2 e liberavam O2 e que no escuro acontecia o inverso. 

Durante o restante do século XIX as contribuições dos alemães Julius Robert Meyer (1842) e Julius von Sachs (1864) permitiram entender a fotossíntese, não só como um processo de trocas gasosas mas, também, como um processo em que há síntese de matéria orgânica e transformação de energia luminosa em energia química. Em 1905, o fisiologista inglês F. F. Blackman, estudando os efeitos da temperatura, da concentração de CO2 e da intensidade luminosa sobre a fotossíntese, chegou à importante conclusão de que este processo consistia de dois tipos de reações: as que dependiam da luz e aquelas que ocorriam no escuro. As reações da luz eram rápidas e a temperatura não as afetava, já as reações do escuro eram lentas e dependiam da temperatura, ou seja, as reações da luz eram fotoquímicas e as do escuro eram bioquímicas. 

Durante a década de 1920, o microbiologista holandês C. B. van Niel observou que existiam bactérias que eram capazes de fotossintetizar, mas que não liberavam O2 durante este processo. Ele observou também que estes microorganismos, ao invés de H2O usavam H2S como reagente. 

A comparação desta reação bioquímica com a fotossíntese de plantas verdes o levou a concluir que H2O e H2S desempenham papel semelhante, isto é, são doadores de hidrogênio. Além disso, ele postulou que o O2 liberado na fotossíntese provém da água e não do CO2, como se imaginava na época. Foi também este cientista holandês que lançou a ideia de que a luz é que produz o agente redutor (H) e o agente oxidante (oxigênio) era produzido a partir da água, processo que ele denominou de fotólise da água. 

O bioquímico inglês Robert Hill (1937) demonstrou que preparações contendo fragmentos de folhas ou cloroplastos isolados, na presença de água, luz e de um aceptor artificial de elétrons ou de hidrogênio (oxalato férrico, cianeto férrico ou ferricianeto de potássio) podiam provocar a liberação de oxigênio, reação (liberação de O2 na presença de luz) que ficou conhecida como reação de Hill. Infelizmente, ele não conseguiu demonstrar naquela época, que o CO2 funcionava como aceptor de elétrons ou de hidrogênio. 

No início da década de 1940, o fisiologista americano Robert Emerson postulou que na fotossíntese deveriam existir, pelo menos, duas reações luminosas (dois sistemas de pigmentos). Sua conclusão baseou-se nos estudos por ele realizados sobre eficiência fotossintética em função do comprimento de onda da luz incidente. Os resultados de seus estudos, realizados com algas, podem ser assim resumidos: 

• A luz mais eficiente para a fotossíntese era a que se encontrava nas faixas do vermelho e do azul; 

• A atividade fotossintética caía drasticamente quando era aplicada luz de comprimento de onda maior que 680 nm. Isto ficou conhecido como QUEDA NO VERMELHO;

• A soma da atividade fotossintética em luz de comprimento de onda de 650 nm e 700 nm, aplicados isoladamente, era inferior à obtida quando os dois comprimentos de onda eram aplicados simultaneamente. Isto ficou conhecido como EFEITO DE INTENSIFICAÇÃO DE EMERSON. Este resultado constituiu-se na principal evidência de que a fotossíntese dependia de dois fotossistemas, que trabalhavam em série. 

Após a segunda guerra mundial, ocorreram inúmeras descobertas importantes para a elucidação do processo fotossintético. A primeira delas, ocorrida na década de 1950, foi a demonstração feita pela bioquímica americana Mary Allen, de que preparações de cloroplastos eram capazes de fixar CO2 na presença de luz e de água, ou seja, ela provou experimentalmente o que Hill havia postulado em 1937. Foi também na mesma época que outro americano, Daniel Arnon, demonstrou que o sistema de membranas de cloroplastos isolados era capaz de sintetizar ATP e NADPH, na presença de luz. Após esta série de descobertas pôde-se concluir que durante as reações da luz há liberação de O2, produção de ATP (energia) e NADPH (poder redutor) e que estas reações ocorriam no sistema de membranas dos cloroplastos. As reações do escuro foram também elucidadas durante a década de 1950. Isto deveu-se ao trabalho de mais de 10 anos, realizado por um grupo de cientistas da Universidade da Califórnia, em Berkeley, liderados por Melvin Calvin e Andrew Benson. Estes pesquisadores demonstraram: qual era o composto aceptor de CO2, como o CO2 era fixado, qual era o primeiro composto formado na fotossíntese, como o composto aceptor de CO2 era regenerado e como os carboidratos, aminoácidos e outros compostos orgânicos eram sintetizados durante este processo fisiológico. Como reconhecimento pela elucidação do ciclo de redução do carbono na fotossíntese o professor M. Calvin recebeu o Prêmio Nobel da Química de 1961. Na década de 1960, os americanos liderados por H. P. Kortshak da Estação Experimental de Cana-de-açúcar do Hawai e os australianos M. D. Hatch e C. R. Slack demonstraram que o ciclo elucidado por Calvin não era o único encontrado em plantas superiores. A este novo ciclo deu-se o nome de Ciclo dos Ácidos Dicarboxílicos e as plantas que o possuem foram denominados de plantas do tipo C4 para distinguí-las das plantas tipo C3, as quais possuem somente o ciclo de Calvin. O estudo da fotossíntese ao longo de quase 300 anos, que acabamos de descrever, é um exemplo de como evolui o conhecimento científico. Pesquisadores de diferentes nacionalidades e com formação a mais diversificada, conseguiram construir uma doutrina coerente, através do trabalho paciente e organizado, em que foram sendo agrupados diversos conhecimentos como se fossem peças de um quebra-cabeça. 

Resumindo tudo o que foi visto até aqui podemos afirmar que a fotossíntese é o resultado de uma série de reações fotoquímicas e bioquímicas. A energia luminosa ao ser absorvida pela clorofila provoca uma reação fotoquímica que resulta na retirada de elétrons da água (causando liberação de O2) e consequentemente elevação dos mesmos (elétrons) para níveis energéticos mais elevados (através dos dois fotossistemas), que possibilitam a síntese de ATP (energia) e NADPH (poder redutor). A energia química e o poder redutor assim formado são utilizados para reduzir o CO2 a compostos orgânicos, durante as reações bioquímicas da fotossíntese.

3. REAÇÕES FOTOQUÍMICAS 

a) Estrutura dos Cloroplastos 

O cloroplasto é o local onde ocorre a fotossíntese dos Eucariotos fotossintéticos. É um tipo de plastídio que, nas plantas, é encontrado principalmente nos caules e folhas. São organelas circundadas por uma dupla membrana e que possuem um sistema de membranas internas conhecido como tilacóide. Assim, os cloroplastos possuem três compartimentos distintos: o espaço intermembranar, o estroma (matriz) e o lúmem dos tilacóides. Os tilacóides podem aparecer empilhados ou não. As regiões empilhadas são chamadas de lamelas do grana, enquanto as regiões não empilhadas são chamadas de lamelas do estroma. Nestes sistemas de membranas é que se encontram os pigmentos e é onde ocorrem as reações fotoquímicas. As reações bioquímicas associadas à fixação de CO2, ocorrem na região aquosa que circunda os tilacóides, conhecida como estroma. 

Outra característica do cloroplasto é a existência de grânulos de amido, gotículas de lipídio, DNA, RNA e ribossomos, próprios da organela. Assim, algumas proteínas dos cloroplastos são produtos da transcrição e tradução que ocorrem no próprio cloroplasto, enquanto outras são codificadas pelo DNA nuclear, sintetizadas nos ribossomos citosólicos e transportados para os cloroplastos. 

b) A Absorção de Luz pelos Pigmentos Fotossintéticos

A clorofila aparece verde para nossos olhos porque ela absorve luz nos comprimentos de onda referentes ao vermelho e ao azul, na região visível do espectro, e a luz nos comprimentos de onda correspondente ao verde é refletida. Esta relação entre a absorção da luz e o comprimento de onda, é mostrada em gráficos conhecidos como espectro de absorção. 

A luz proveniente do sol tem características tanto de onda como de partícula. A onda é caracterizada pelo seu comprimento e pela frequência, sendo que o comprimento de onda tem relação inversa com a energia. Já a luz como partícula é conhecida como fóton. Cada fóton contém um montante de energia conhecido como quantum (plural quanta). A energia (E) de um fóton depende do comprimento de onda.

É importante destacar que um fóton não pode ser subdividido nem um elétron pode ser parcialmente excitado. Em outras palavras, “um fóton pode excitar apenas um elétron” (Lei de Einstein- Stark). O nível que o elétron no estado vai atingir depende da energia do fóton, ou seja, depende do comprimento de onda. 

Assim, a luz do sol é um espectro de raios de diferentes comprimentos de onda ou de diferentes frequências.

A absorção da luz ocorre quando a clorofila no seu estado de menor energia (estado fundamental) absorve um fóton de luz e passa para um estado de maior energia (estado excitado).

A absorção da luz azul excita a clorofila para um estado de maior energia do que o vermelho excitaria, isto porque o azul tem menor comprimento de onda e, consequentemente, maior energia do que o vermelho. 

A clorofila excitada é extremamente instável e ela pode retornar para o estado fundamental através dos seguintes processos: 

• Fluorescência – Neste processo, a molécula de clorofila re-emite um fóton de luz e retorna para o seu estado fundamental. Neste caso, ocorre também perda de energia na forma de calor e o comprimento de onda fluorescente é sempre maior do que o da luz absorvida. 

• A molécula pode converter a energia na forma de calor, sem nenhuma emissão de fótons. 

• Transferência de energia – Neste caso, a molécula excitada transfere sua energia para outra molécula por ressonância induzida. Ou pode ocorrer uma: 

• Reação Fotoquímica – Neste processo a energia do estado excitado é usada para impulsionar uma transferência de elétrons. O processo mais rápido será o mais provável para retirar a clorofila do estado excitado. Medições do RENDIMENTO QUÂNTICO (Φ) indicam que na maioria das moléculas de clorofila excitada predomina a reação fotoquímica (95%), contra 5% da fluorescência. 

c) Os Complexos de Absorção de Luz e os Fotossistemas

Todos os pigmentos ativos na fotossíntese são encontrados nos cloroplastos. Nas plantas superiores são encontrados as clorofilas (a e b), os carotenos e as xantofilas . As clorofilas a e b são os principais pigmentos relacionados com a fotossíntese. Todas as clorofilas possuem uma estrutura em anel, quimicamente relacionada ao grupo das porfirinas, contendo um Mg2+ no centro. Em adição, uma longa cauda hidrofóbica ancora a clorofila na porção hidrofóbica do seu ambiente. Já os carotenos e as xantofilas são tetraterpenos formados pela junção de unidades de isopreno.

A maioria dos pigmentos serve como uma antena, coletando a luz e transferindo a energia, por ressonância induzida, para o centro de reação, onde a reação fotoquímica ocorre. Isto é necessário porque uma molécula de clorofila absorve poucos fótons por segundo. O sistema de antena, portanto, é importante, pois torna o processo ativo a maior parte do tempo (dia). 

O mecanismo pelo qual a energia de excitação é passada da clorofila que absorve a luz para o centro de reação, é conhecido como transferência por ressonância induzida. Não se trata de uma re-emissão de fótons, mas de uma transferência de energia de excitação de molécula para molécula por um processo não radioativo. O resultado final é que 95 a 99% de fótons absorvidos pelos pigmentos antena são transferidos para os centros de reação, onde podem ser usados na reação fotoquímica. A luz é absorvida nos centros de reação de duas unidades conhecidas como fotossistemas. O centro de reação de uma dessas unidades absorve preferencialmente a luz de comprimento de onda maior que 680 nm, precisamente em 700 nm, sendo denominada de fotossistema I (P700). A outra unidade absorve a luz preferencialmente em 680 nm, sendo chamada de fotossistema II (P680). Estes dois fotossistemas trabalham simultaneamente e em série, como foi demonstrado inicialmente por Emerson (Efeito de Intensificação de Emerson). Os pigmentos que absorvem a luz não estão distribuídos de forma desordenada nas membranas dos tilacóides. Na realidade, em cada fotossistema, existe pelo menos um complexo coletor de luz (antenas) formado por proteínas e pigmentos a elas associados. O complexo coletor de luz do fotossistema II (LHC II) e o do fotossistema I (LHC I). O fotossistema II e o seu complexo coletor de luz estão localizados predominantemente nas lamelas dos grana (regiões empilhadas). Já o fotossistema I e o seu complexo coletor de luz e, também, o sistema de síntese de ATP, são encontrados quase que exclusivamente nas lamelas do estroma (regiões não empilhadas) e nas bordas externas das lamelas dos grana.

Absorção de Luz Pelo Complexo "Antena"

•Funcionalmente, as moléculas de clorofila atuam agrupadas.
•A luz é coletada por um complexo formado por 200-300 moléculas de pigmento, que estão ligados a proteínas formando o complexo antena coletor de luz (LHC, Light-Harvesting-Complex).
• De acordo com essa concepção, a energia de um fóton, absorvida em qualquer ponto do conjunto de moléculas de clorofila da antena, migra a um centro de reação e promove o evento de transferência de um elétron.

d) Mecanismos de Transporte de Prótons e de Elétrons 

Todas as etapas que constituem as reações dependentes de luz são realizadas por quatro complexos protéicos: fotossistema II (PS II), complexo protéico do citocromo b6f, fotossistema I (PS I) e ATP sintase. Estes complexos possuem proteínas transmembranares orientadas vetorialmente nas membranas dos tilacóides, de modo que a H2O é oxidada a O2 no lúmem do tilacóide (o sistema de oxidação da água é formado por proteínas periféricas que parecem estar associadas ao PS II, no lado do lúmem do tilacóide), NADP+ é reduzido para NADPH no lado estromal e ATP é liberado no estroma pelo movimento de H+ do lúmem para o estroma.

Nas reações fotoquímicas pode se distinguir dois tipos de fluxos de elétrons: fluxo não cíclico e fluxo cíclico. 

O fluxo de elétrons não cíclico inicia-se no fotossistema II (PS II). O centro de reação do PS II consiste de duas proteínas de membrana conhecidas como D1 e D2, as quais possuem massas moleculares de 32 e 34 kDa, respectivamente. Associado a estas proteínas tem a clorofila a680 (P680) e muitas clorofilas adicionais, carotenóides, feofitina e plastoquinonas. A luz excita a molécula de clorofila (P680) no centro de reação, o que a torna um forte agente redutor. Este centro de reação pode, então, transferir um elétron para uma molécula aceptora. Estudos indicam que a feofitina (uma molécula de clorofila em que o Mg2+ é substituído por dois H+ ) é o primeiro aceptor de elétrons no PS II, seguido de duas quinonas. Um elétron é transferido de P680 para feofitina, desta para uma primeira quinona (Quinona A) e desta última para uma segunda quinona (Quinona B), onde permanece. O P680 oxidado é paralelamente reduzido pelo doador de elétrons conhecido como Yz (um intermediário, identificado como um resíduo de tirosina na proteína D1), que transfere os elétrons da água para o P680. O P680 recebe outro fóton de luz e, uma vez excitado, transfere um segundo elétron para feofitina. Esta transfere o segundo elétron para a Quinona A, que transfere para a Quinona B. Esta quinona recebe dois H+ do meio (no lado do estroma) ficando reduzida (QH2). Esta hidroquinona dissocia-se do complexo PS II, migra na porção hidrofóbica da membrana, onde ela transfere seus elétrons para o complexo citocromo b6f e libera os prótons no lúmem do tilacóide. Os elétrons do citocromo b6f são então transferidos para uma proteína móvel contendo cobre, a plastocianina. Esta proteína movimenta-se até o P700, provocando a redução do mesmo. O fluxo de elétrons não cíclico continua no fotossistema I. O P700, após ser reduzido pela plastocianina, fica apto ao processo de excitação pela luz. 

O centro de reação do PS I é formado por duas proteínas com massas moleculares de 66 a 70 kDa. Associadas a estas proteínas encontram-se além da clorofila a700 (P700), outras moléculas de clorofila e carreadores de elétrons, como as ferredoxinas. A P700 na forma excitada pela luz transfere elétrons, via carreadores específicos, para o NADP+ , reduzindo-o para NADPH. 

Adicionalmente, pode ocorrer um fluxo cíclico de elétrons, neste caso, entre o PS I e o complexo citocromo b6f. Os elétrons da ferredoxina, ao invés de serem utilizados para redução do NADP+ , são transferidos para o citocromo b6f. Para cada dois elétrons transferidos neste fluxo, uma quinona reduzida (QH2) é formada. Esta QH2 é posteriormente oxidada, transferido seus elétrons para o PS I, sendo os H+ liberados no lúmem do tilacóide. Como se vê, a função deste fluxo cíclico é aumentar o gradiente de H+ entre o lúmem do tilacóide e o estroma e, consequentemente, aumentar a produção de ATP. 

e) A Oxidação da Água A água é oxidada pela seguinte equação química: 

2H2O → O2 + 4H+ + 4e

O sistema de formação de oxigênio ou de foto-oxidação da água inclui três proteínas periféricas com massas moleculares de 16, 23 e 33 kDa, que parecem estar associadas ao PS II, no lado do lúmem do tilacóide. Este sistema inclui ainda os íons Mn2+, Ca2+ e Cl- , como cofatores. O modelo de foto-oxidação da água consiste de uma série de cinco estados de oxidação do sistema, conhecidos como S0, S1, S2, S3 e S4. O aumento no grau de oxidação do sistema parece representar o aumento no grau de oxidação da enzima contendo 4 átomos de Mn. Estes átomos estão ligados a aminoácidos na proteína D1 (PS II) e a átomos de O, Cl e Ca.

Cada excitação de P680 é seguida pela retirada de um elétron do cacho de Mn, o qual armazena a carga positiva residual. Quando quatro cargas positivas são acumuladas, o complexo oxida duas moléculas de água e libera uma molécula de O2. Os prótons (H+ ) produzidos pela oxidação da água são liberados no lúmem, contribuindo para a produção de ATP, via gradiente de H+ . Estes resultados indicam que QUATRO FÓTONS DE LUZ são necessários para oxidar uma molécula de água (Lembre-se que cada fóton pode excitar apenas um elétron - Lei de Einstein- Stark).

Os elétrons da água são transferidos, via átomos de Mn, para um carreador identificado como Yz, o qual transfere os elétrons para o P680. Este carreador Yz tem sido identificado como um resíduo de tirosina da proteína D1, no PS II. Assim, a água é o doador inicial de elétrons para a fotossíntese e o Yz seria o intermediário para transferir os elétrons da molécula de H2O para o P680. 

f) A Síntese de ATP 

Em adição à energia estocada na forma de poder redutor (NADPH), uma porção da energia dos fótons é capturada para formação de ATP. Esta fotofosforilação é explicada pelo mecanismo quimiosmótico. O princípio básico da quimiosmose é que “diferenças na concentração de íons (representadas aqui pela diferença na concentração de H+ ou de pH) e de potencial elétrico (∆E) entre os dois lados das membranas biológicas são fontes de energia livre que podem ser utilizadas pela célula”. ∆p = ∆E + 59 ∆pH ∆p: força motriz de prótons. O fluxo de elétrons na fotossíntese gera, paralelamente, um gradiente de H+. Os prótons são transportados para o lúmem dos tilacóides, ocorrendo um aumento do pH no estroma e uma queda do pH no lúmem. Os H+ ao retornarem para o estroma, a favor do seu gradiente, liberam energia que é utilizada para a síntese de ATP. 

O processo de síntese de ATP é catalisado pelo complexo enzimático transmembranar, conhecido como CFo-CF1 ATP Sintase. A porção hidrofóbica do complexo, CFo, parece formar o canal através da membrana, o qual favorece a passagem dos H+ . O sítio catalítico, por sua vez, se localiza na porção CF1, que fica no lado estromal, onde ocorre a síntese de ATP a partir de ADP e Pi. A estequiometria de H+ transportados por ATP sintetizado foi calculado recentemente como sendo: 4 H+ / 1 ATP.

4. CICLO DE REDUÇÃO DO CARBONO

Recentes estimativas indicam que cerca de 200 bilhões de toneladas de CO2 são convertidas para a biomassa a cada ano. 

As reações que catalisam a redução de CO2 para carboidratos são acopladas ao consumo de ATP e NADPH gerados no fluxo de elétrons fotossintético. Esta redução de CO2 ocorre no estroma, a fase solúvel do cloroplasto, onde estão localizadas as enzimas que catalisam tais reações, e elas foram denominadas de “reações do escuro”. 

Nas últimas três décadas, no entanto, tornou-se claro que estas reações são controladas pela luz. Assim, denominações como Fase Bioquímica da Fotossíntese, Reações de Fixação do Carbono, Ciclo de Redução do Carbono ou Ciclo de Redução da Pentose-fosfato são preferidas hoje. 

a) Ciclo de Calvin

Todos os eucariotos fotossintéticos, desde a mais primitiva alga até a mais avançada Angiosperma, reduzem CO2 para carboidratos, via o ciclo de Calvin, descrito originalmente para espécies C3. 

O ciclo da Calvin consiste de três fases: carboxilação, redução e regeneração 

• Carboxilação: CO2 + ribulose-1,5-bisFosfato → intermediário instável + H2O → 2 (3 – fosfoglicerato) (5C) (6C) 2 (3C) obs: O intermediário instável é o 2-carboxi-3-cetoarabinitol-1,5-bifosfato. O 3-Fosfoglicerato é o primeiro intermediário estável do ciclo de Calvin. A reação descrita acima é catalisada pela enzima ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase/oxigenase, conhecida como rubisco. Esta proteína enzimática, com massa molecular de aproximadamente 560kDa, é constituída de 16 subunidades (L8S8), sendo oito subunidades menores (S8), originadas do DNA nuclear, e oito subunidades maiores (L8) originadas do DNA do cloroplasto. Esta enzima é a principal proteína encontrada em folhas verdes, correspondendo a até 40% da proteína total deste órgão. A rubisco, como o próprio nome indica, tem atividade carboxilásica e oxigenásica, embora a afinidade pela carboxilação assegure a ocorrência da fotossíntese mesmo que a concentração de CO2 seja muito menor que a de O2, como ocorre normalmente na natureza.

• Redução: A fase de redução consiste na utilização do ATP e do NADPH formados durante a fase fotoquímica da fotossíntese para reduzir o ácido 3-fosfoglicérico para produzir o primeiro açúcar, o gliceraldeído 3-fosfato (triose-fosfato). 3 – fosfoglicerato + ATP + NADPH → triose-fosfato + ADP + Pi + NADP+ Parte do gliceraldeído-3-fosfato formado é utilizado na regeneração da ribulose-1,5- bisfosfato e outra parte é utilizada para síntese de amido, sacarose e todos os demais constituintes do vegetal (paredes celulares, membranas, proteínas, organelas, etc.).

• Regeneração: Nesta fase, as trioses-fosfato (gliceraldeído 3-fosfato) regeneram o aceptor inicial de CO2 (ribulose-1,5- bisfosfato), com gasto de ATP. Este estágio envolve várias interconversões através da ação de isomerases, epimerases, transcetolases, fosfatase e uma quinase. 

b) Síntese de Sacarose e Amido

A sacarose é a principal forma de carboidrato que é translocada na planta, via floema. Já o amido é um carboidrato insolúvel, de reserva, presente em quase todas as plantas. O interessante é que tanto a sacarose como o amido são gerados a partir da triose-fosfato gerada no ciclo de Calvin.

A síntese de amido ocorre no cloroplasto e se dá pela formação de ADP-glucose. A partir da adição de ADP-glucose forma-se um polímero de glicose unido por ligação glicosídica α-1,4. A síntese de sacarose, por sua vez, ocorre no citosol e se dá pela formação de UDP-glucose que se combina com frutose-6-fosfato e produz a sacarose-6-fosfato. Esta última é convertida para sacarose por ação de uma fosfatase. As sínteses de amido e de sacarose apresentam praticamente os mesmos intermediários (frutose-1,6-bisfosfato, frutose-6-fosfato, glicose-1-fosfato, etc.). No entanto, estas vias biossintéticas possuem izoenzimas, que são únicas para cloroplasto e citosol. 

O que determina o destino do gliceraldeído-3-fosfato produzido na fotossíntese? Produz amido ou sacarose? 

As concentrações relativas de ortofosfato e triose-fosfato (gliceraldeído- 3-fosfato) são os principais fatores que controlam se o carbono fixado fotossinteticamente é alocado como amido nos cloroplastos ou como sacarose no citosol. Estes dois compartimentos se comunicam pelo translocador de fosfato/triose-fosfato. O ortofosfato em direção ao cloroplasto e triose-fosfato para o citosol. 

Situação 1: ↓[ortofosfato no citosol] ⇒ ↓ exportação de triose-fosfato ⇒ ↑ síntese de amido para o citosol no cloroplasto 

Situação 2: ↑[ortofosfato no citosol] ⇒ ↑ exportação de triose-fosfato ⇒ ↑ síntese de sacarose para o citosol no citosol.

Três formas de apresentação do Ciclo de Calvin

Referências

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