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18.7: Fotossíntese - Biologia

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Os fotoautótrofos usam a luz solar como fonte de energia e, por meio do processo de fotossíntese, reduzem o dióxido de carbono para formar carboidratos como a glicose. A energia radiante é convertida em energia de ligação química dentro da glicose e outras moléculas orgânicas. Plantas, algas e cianobactérias são conhecidas como fotoautótrofos oxigenados porque sintetizam moléculas orgânicas de materiais inorgânicos, convertem energia luminosa em energia química, usam água como fonte de elétrons e geram oxigênio como produto final da fotossíntese. A reação geral para a fotossíntese é a seguinte:

[6 CO_2 + 12 H_2O xrightarrow [ text {luz}] { text {clorofila}} C_6H_ {12} O_6 + 6 O_2 + 6 H_2O ]

Observe que a fotossintese é uma reação redox com dióxido de carbono ( (CO_2 )) reduzido para produzir glicose ( (C_6H_ {12} O_6 )) e água ( (H_2O )) oxidada para produzir oxigênio ( (O_2 )). A fotossíntese é composta por dois estágios: as reações dependentes da luz e as reações independentes da luz.


Fotossíntese

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fotossíntese, o processo pelo qual as plantas verdes e certos outros organismos transformam a energia da luz em energia química. Durante a fotossíntese em plantas verdes, a energia da luz é capturada e usada para converter água, dióxido de carbono e minerais em oxigênio e compostos orgânicos ricos em energia.

Por que a fotossíntese é importante?

A fotossíntese é crítica para a existência da grande maioria da vida na Terra. É a maneira pela qual virtualmente toda a energia da biosfera se torna disponível para os seres vivos. Como produtores primários, os organismos fotossintéticos formam a base das teias alimentares da Terra e são consumidos direta ou indiretamente por todas as formas de vida superiores. Além disso, quase todo o oxigênio da atmosfera é devido ao processo de fotossíntese. Se a fotossíntese cessasse, logo haveria pouca comida ou outra matéria orgânica na Terra, a maioria dos organismos desapareceria e a atmosfera da Terra eventualmente se tornaria quase desprovida de oxigênio gasoso.

Qual é a fórmula básica para a fotossíntese?

O processo de fotossíntese é comumente escrito como: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2. Isso significa que os reagentes, seis moléculas de dióxido de carbono e seis moléculas de água, são convertidos pela energia luminosa capturada pela clorofila (indicada pela seta) em uma molécula de açúcar e seis moléculas de oxigênio, os produtos. O açúcar é utilizado pelo organismo e o oxigênio é liberado como subproduto.

Quais organismos podem fotossintetizar?

A capacidade de fotossintetizar é encontrada em organismos eucarióticos e procarióticos. Os exemplos mais conhecidos são as plantas, já que todas, exceto algumas poucas espécies parasitas ou micoheterotróficas, contêm clorofila e produzem seu próprio alimento. As algas são o outro grupo dominante de organismos fotossintéticos eucarióticos. Todas as algas, que incluem kelps maciças e diatomáceas microscópicas, são importantes produtores primários. As cianobactérias e certas bactérias sulfurosas são procariontes fotossintéticos, nos quais a fotossíntese evoluiu. Nenhum animal é considerado capaz de fotossíntese, embora a lesma do mar verde-esmeralda possa temporariamente incorporar cloroplastos de algas em seu corpo para a produção de alimentos.

Seria impossível superestimar a importância da fotossíntese na manutenção da vida na Terra. Se a fotossíntese cessasse, logo haveria pouca comida ou outra matéria orgânica na Terra. A maioria dos organismos desapareceria e, com o tempo, a atmosfera da Terra ficaria quase desprovida de oxigênio gasoso. Os únicos organismos capazes de existir nessas condições seriam as bactérias quimiossintéticas, que podem utilizar a energia química de certos compostos inorgânicos e, portanto, não dependem da conversão de energia luminosa.

A energia produzida pela fotossíntese realizada por plantas há milhões de anos é responsável pelos combustíveis fósseis (ou seja, carvão, petróleo e gás) que abastecem a sociedade industrial. Em épocas anteriores, as plantas verdes e pequenos organismos que se alimentavam de plantas aumentavam mais rápido do que eram consumidos, e seus restos eram depositados na crosta terrestre por sedimentação e outros processos geológicos. Lá, protegidos da oxidação, esses restos orgânicos foram lentamente convertidos em combustíveis fósseis. Esses combustíveis não apenas fornecem grande parte da energia usada em fábricas, residências e transporte, mas também servem como matéria-prima para plásticos e outros produtos sintéticos. Infelizmente, a civilização moderna está usando em alguns séculos o excesso da produção fotossintética acumulada ao longo de milhões de anos. Conseqüentemente, o dióxido de carbono que foi removido do ar para produzir carboidratos na fotossíntese ao longo de milhões de anos está sendo devolvido a uma taxa incrivelmente rápida. A concentração de dióxido de carbono na atmosfera da Terra está aumentando mais rápido do que nunca na história da Terra, e esse fenômeno deve ter grandes implicações no clima da Terra.

As necessidades de alimentos, materiais e energia em um mundo onde a população humana está crescendo rapidamente criaram a necessidade de aumentar a quantidade de fotossíntese e a eficiência da conversão da produção fotossintética em produtos úteis para as pessoas. Uma resposta a essas necessidades - a chamada Revolução Verde, iniciada em meados do século 20 - alcançou enormes melhorias na produção agrícola por meio do uso de fertilizantes químicos, controle de pragas e doenças de plantas, melhoramento de plantas e cultivo mecanizado, colheita, e processamento da colheita. Este esforço limitou a fome severa a algumas áreas do mundo, apesar do rápido crescimento populacional, mas não eliminou a desnutrição generalizada. Além disso, a partir do início da década de 1990, a taxa de aumento da produtividade das principais safras começou a diminuir. Isso era especialmente verdadeiro para o arroz na Ásia. Os custos crescentes associados à sustentação de altas taxas de produção agrícola, que exigiam insumos cada vez maiores de fertilizantes e pesticidas e o desenvolvimento constante de novas variedades de plantas, também se tornaram problemáticos para os agricultores em muitos países.

Previa-se que uma segunda revolução agrícola, baseada na engenharia genética de plantas, levaria a aumentos na produtividade das plantas e, assim, aliviaria parcialmente a desnutrição. Desde a década de 1970, os biólogos moleculares têm possuído os meios para alterar o material genético de uma planta (ácido desoxirribonucléico ou DNA) com o objetivo de alcançar melhorias na resistência a doenças e secas, rendimento e qualidade do produto, resistência à geada e outras propriedades desejáveis. No entanto, essas características são inerentemente complexas, e o processo de fazer mudanças nas plantas de cultivo por meio da engenharia genética acabou sendo mais complicado do que o previsto. No futuro, essa engenharia genética pode resultar em melhorias no processo de fotossíntese, mas nas primeiras décadas do século 21, ela ainda não tinha demonstrado que poderia aumentar drasticamente o rendimento das colheitas.

Outra área intrigante no estudo da fotossíntese foi a descoberta de que certos animais são capazes de converter a energia da luz em energia química. A lesma do mar verde esmeralda ( Elysia chlorotica), por exemplo, adquire genes e cloroplastos de Vaucheria litorea, uma alga que consome, o que lhe dá uma capacidade limitada de produzir clorofila. Quando cloroplastos suficientes são assimilados, a lesma pode desistir da ingestão de alimentos. O pulgão (Acyrthosiphon pisum) pode aproveitar a luz para fabricar o composto trifosfato de adenosina (ATP) rico em energia. Essa capacidade foi associada à fabricação de pigmentos carotenóides pelo pulgão.


Tipos de fotofosforilação: 2 tipos | Fotossíntese

É um processo de fotofosforilação no qual um elétron expelido pelo fotocentro excitado retorna a ele após passar por uma série de portadores de elétrons. Ocorre sob condições de baixa intensidade de luz, comprimento de onda e shylength maior que 680 nm e quando CO2 a fixação é inibida.

Ausência de CO2 a fixação resulta na não necessidade de elétrons para a inibição de NADPH. A fotofosforila cíclica e a timidez são realizadas apenas pelo fotossistema I. Seu fotocentro P700 extrude um elétron com um ganho de 23 kcal / mol de energia após absorver e afastar um fóton de luz (hv). Depois de perder o elétron, o fotocentro se oxida.

O elétron expulso passa por uma série de portadores, incluindo X ou A0 (um P especial700 molécula de clorofila), A, (uma quinona), complexos de FeS (FeSX, FeSUMA, FeSB), ferredoxina, (Fd), plastoquinona (PQ), complexo citocromo b & # 8211 f e plastocianina antes de retornar ao centro de fotos. Enquanto sobre o citocromo com e shyplex, o elétron energiza a passagem de pró-shytons para criar um gradiente de prótons para a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico.

As bactérias halófilas ou halófilas também realizam a fotofosforilação, mas o ATP assim produzido não é usado na síntese de alimentos. Essas bactérias possuem bacteriorodopsina de pigmento púrpura aderida à membrana plasmática. Conforme a luz incide sobre o pigmento, ele cria uma bomba de prótons que é usada na síntese de ATP.

Tipo 2. Fotofosforilação não cíclica:

É o processo normal de fotofosforilação em que o elétron expelido pelo fotocentro excitado não retorna para ele. A fotofosforilação não cíclica é realizada em colaboração de ambos os fotossistemas I e II. O elétron liberado durante a fotólise da água é captado pelo fotocentro do PS II chamado P680. O mesmo é expulso quando o fotocentro absorve a energia da luz (hv).

O elétron extrudado tem uma energia equivalente a 23 kcal / mol. Ele passa por uma série de portadores de elétrons - feofitina, PQ, complexo do citocromo b & # 8211 f e plastocianina. Ao passar pelo complexo do citocromo, o elétron perde energia suficiente para a sincronização do ATP. O elétron é entregue ao centro da foto P700 de PS I por plastocianina. P700 expulsa o elétron após absorver a energia da luz. O elétron expulso passa através da clorofila X especial, Fe-S, ferredoxina, para finalmente alcançar o NADP +. Este último então se combina com o H + (liberado durante a fotólise) com a ajuda da NADP-redutase para formar o NADPH. Isso é chamado de esquema Z devido à sua forma característica em zigue-zague com base no potencial redox de diferentes portadores de elétrons (Fig. 13.18).


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Uma nova visão sobre a fotossíntese pode ajudar a cultivar plantas mais resistentes

Crédito CC0: domínio público

Uma equipe de pesquisa liderada pela Washington State University criou um modelo de computador para entender como as plantas armazenam energia na membrana do tilacóide, uma estrutura fundamental para a fotossíntese nas folhas das plantas.

A equipe confirmou a precisão do modelo matemático com experimentos de laboratório. Seu trabalho foi publicado recentemente na revista Plantas Naturais.

"Fornecemos uma peça importante para o quebra-cabeça geral do metabolismo das plantas", disse Helmut Kirchhoff, professor do Instituto de Química Biológica da WSU e líder da equipe que fez essa descoberta. "Se integrarmos nosso modelo em um cenário mais amplo, isso pode fornecer um bom caminho para melhorar as plantas em certos ambientes."

As plantas convertem a luz solar em energia utilizável por meio da fotossíntese, mas ajustam constantemente onde e como armazenam a energia produzida por elas mesmas com base no nível de luz, temperatura, umidade e outros fatores.

Descobrir como as plantas fazem esses ajustes pode melhorar nossa compreensão de como elas atuam no campo e ajudar a desenvolver novas plantas que podem suportar o aumento das temperaturas devido às mudanças climáticas.

As descobertas de Kirchhoff e seus colaboradores podem ter amplas implicações e benefícios nos próximos anos, já que seu modelo é integrado a outros para aprender mais sobre como funciona exatamente a fotossíntese.

A conversão de energia da luz solar e o armazenamento de energia acontecem em membranas tilacóides especializadas em cloroplastos nas folhas.

"Funciona como uma bateria", disse Kirchhoff. "Nas folhas, as plantas bombeiam prótons de um lado da membrana tilacóide para o outro, gerando um gradiente de cargas positivas e negativas."

Para regular esse armazenamento de energia, os canais de íons controlam a flutuação na quantidade de energia disponível, disse ele.

Compreender esse processo complexo pode ser a chave para alimentar as pessoas ao redor do mundo em um planeta em aquecimento.

"A fotossíntese é muito poderosa", disse Kirchhoff. "Se não for controlado, pode produzir muita energia, o que cria moléculas perigosas que podem matar uma planta. A engenharia de plantas com melhor controle fotossintético significaria que essas plantas poderiam sobreviver em condições mais ensolaradas e quentes."

Os cientistas iluminaram as folhas com várias luzes e mediram as mudanças na absorção e fluorescência.

"Nós iluminamos as folhas com diferentes intensidades de luz para criar estados de excitação nos pigmentos", disse Kirchhoff. "A folha então muda suas propriedades de absorção e fluorescência que medimos, nos dizendo o que está acontecendo na folha."


Vídeo / Áudio / Animações

  • Observe o mecanismo de fotossíntese na planta
  • Saiba mais sobre as principais reações químicas que ocorrem durante a fotossíntese
  • Aprenda como a energia solar é convertida em energia química

O tópico da fotossíntese é um conceito fundamental em biologia, química e ciências da terra. Estudos educacionais descobriram que, apesar das apresentações em sala de aula, a maioria dos alunos mantém sua ideia ingênua de que a massa de uma planta deriva principalmente do solo, e não do ar. Para chamar a atenção dos alunos para este equívoco, no início desta lição iremos fornecer um resultado experimental surpreendente para que os alunos enfrentem seus erros mentais. A seguir, ajudaremos os alunos a visualizar melhor a fotossíntese, modelando de onde vêm os átomos neste importante processo que produz alimentos para o planeta. Esta lição pode ser concluída em 50-60 minutos, com os alunos trabalhando em atividades em sala de aula durante 20-25 minutos de aula. Como pré-requisito, os alunos precisam de uma aula introdutória sobre fotossíntese, algo que inclui a equação química geral. Se os alunos já estudaram o processo fotossintético intracelular em detalhes, este vídeo ainda pode ser muito útil porque os alunos muitas vezes perdem o panorama geral sobre a fotossíntese. Os materiais necessários incluem tijolos LEGO vermelhos, brancos e pretos (descritos no folheto para download) ou tiras de papel vermelho, branco e preto mais clipes de papel (instruções fornecidas no folheto para download). Além das discussões em sala de aula, a principal atividade em sala de aula deste vídeo envolve a modelagem dos alunos com tijolos LEGO® ou papel colorido de onde os átomos vêm na fotossíntese.

Essas animações mostram a respiração celular como um quadro geral e, em seguida, passam pelas etapas da respiração celular: glicólise, ciclo de Krebs e transporte de elétrons. Cada animação é curta e direta.

Este vídeo fornece uma visão geral da fotossíntese.

Este site tem fantásticas animações em Flash curtas de processos celulares complexos, incluindo fotossíntese e a cadeia de transporte de elétrons.

Este vídeo fornece mais detalhes sobre a reação da luz e fotofosforilação que ocorrem na fotossíntese.


18.7: Fotossíntese - Biologia

Fotossíntese é o processo pelo qual as plantas, algumas bactérias e alguns protistans convertem a energia da luz (sol) em energia química (comida). Esses organismos são chamados de Produtores e são de vital importância para toda a vida na Terra. Eles produzem alimentos para si próprios e para alimentar os Consumidores que não podem fazer sua própria comida. O oxigênio, também essencial para a vida, é um subproduto da fotossíntese.

A teia alimentar descreve como a energia produzida pelas plantas flui através de um ecossistema. Neste tutorial, você aprenderá as estruturas e processos envolvidos na fotossíntese.

Duas Fábricas

A maioria de nós está familiarizada com o conceito de fábrica, onde as matérias-primas entram e os produtos acabados saem. Imagine a fotossíntese ocorrendo em duas fábricas conectadas. Os produtos da primeira fábrica, as moléculas transportadoras de energia ATP (adenosina trifosfato) e NADPH (nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato reduzido), abastecem a segunda fábrica para fazer o açúcar, o produto final.


Fotossíntese

Fotossíntese é o processo pelo qual as plantas usam luz solar, água e dióxido de carbono para criar oxigênio e energia na forma de açúcar.

Folhas de árvores verdes

As folhas da planta são verdes porque essa cor é a parte da luz do sol refletida por um pigmento nas folhas chamado clorofila.

Fotografia cortesia do Shutterstock

A maior parte da vida na Terra depende da fotossíntese. O processo é realizado por plantas, algas e alguns tipos de bactérias, que capturam energia da luz solar para produzir oxigênio (O2) e energia química armazenada na glicose (um açúcar). Os herbívoros então obtêm essa energia comendo plantas, e os carnívoros a obtêm comendo herbívoros.

O processo

Durante a fotossíntese, as plantas absorvem dióxido de carbono (CO2) e água (H2O) do ar e do solo. Dentro da célula vegetal, a água é oxidada, o que significa que perde elétrons, enquanto o dióxido de carbono é reduzido, o que significa que ganha elétrons. Isso transforma a água em oxigênio e o dióxido de carbono em glicose. A planta então libera o oxigênio de volta no ar e armazena energia dentro das moléculas de glicose.

Dentro da célula vegetal existem pequenas organelas chamadas cloroplastos, que armazenam a energia da luz solar. Dentro das membranas tilacóides do cloroplasto existe um pigmento absorvente de luz chamado clorofila, que é responsável por dar à planta sua cor verde. Durante a fotossíntese, a clorofila absorve energia das ondas de luz azul e vermelha e reflete as ondas de luz verde, fazendo com que a planta pareça verde.

Reações dependentes de luz vs. reações independentes de luz

Embora existam muitas etapas por trás do processo de fotossíntese, ele pode ser dividido em dois estágios principais: reações dependentes de luz e reações independentes de luz. A reação dependente da luz ocorre dentro da membrana do tilacóide e requer um fluxo constante de luz solar, daí o nome luzdependente reação. A clorofila absorve energia das ondas de luz, que é convertida em energia química na forma das moléculas ATP e NADPH. O estágio independente de luz, também conhecido como Ciclo de Calvin, ocorre no estroma, o espaço entre as membranas do tilacóide e as membranas do cloroplasto, e não requer luz, daí o nome luzindependente reação. Durante esse estágio, a energia das moléculas de ATP e NADPH é usada para montar moléculas de carboidratos, como a glicose, a partir do dióxido de carbono.

No entanto, nem todas as formas de fotossíntese são criadas iguais. Existem diferentes tipos de fotossíntese, incluindo fotossíntese C3 e fotossíntese C4. A fotossíntese C3 é usada pela maioria das plantas. Envolve a produção de um composto de três carbonos chamado ácido 3-fosfoglicérico durante o Ciclo de Calvin, que passa a se tornar glicose. A fotossíntese C4, por outro lado, produz um composto intermediário de quatro carbonos, que se divide em dióxido de carbono e um composto de três carbonos durante o Ciclo de Calvin. Um benefício da fotossíntese C4 é que, ao produzir níveis mais elevados de carbono, permite que as plantas prosperem em ambientes sem muita luz ou água.

As folhas da planta são verdes porque essa cor é a parte da luz do sol refletida por um pigmento nas folhas chamado clorofila.


Complexos de coleta de luz aumentam a eficiência da fotossíntese

Conforme observado anteriormente, cada centro de reação está associado a uma antena, que contém vários complexos de coleta de luz (LHCs), embalados com clorofila uma e, dependendo da espécie, clorofila b e outros pigmentos. Os LHCs promovem a fotossíntese aumentando a absorção de luz de 680 nm e estendendo a faixa de comprimentos de onda de luz que pode ser absorvida (ver Figura 16-37).

Os fótons podem ser absorvidos por qualquer uma das moléculas de pigmento em cada LHC. A energia absorvida é então rapidamente transferida (em & # x0003c10 & # x022129 segundos) para uma das duas clorofilas uma moléculas no centro de reação associado, onde promove a separação da carga fotossintética primária (ver Figura 16-38). Dentro de um LHC estão várias proteínas transmembrana cujo papel é manter as moléculas de pigmento na orientação e posição precisas que são ideais para absorção de luz e transferência de energia, maximizando assim o processo muito rápido e eficiente conhecido como transferência de ressonância de energia dos pigmentos da antena às clorofilas do centro de reação. Conforme representado na Figura 16-39a, algumas bactérias fotossintéticas contêm dois tipos de LHCs: o tipo maior (LH1) está intimamente associado a um centro de reação e o tipo menor (LH2) pode transferir a energia de luz absorvida para um LH1. A Figura 16-39b mostra a estrutura das subunidades que compõem o complexo LH2 em Rhodopseudomonas acidophila. Surpreendentemente, as estruturas moleculares dos complexos de colheita de luz das plantas são completamente diferentes daquelas das bactérias, embora ambos os tipos contenham carotenóides e clorofilas em um arranjo geométrico agrupado dentro da membrana.

Figura 16-39

Complexos de coleta de luz da bactéria fotossintética Rhodopseudomonas acidophila. (a) Representação esquemática dos LHCs cilíndricos e do centro de reação visto de cima do plano da membrana. Cada complexo LH2 consiste em nove subunidades (mais).

Embora as clorofilas da antena possam transferir a energia da luz absorvida, elas não podem liberar um elétron. Como já vimos, as clorofilas do centro de reação são capazes de liberar um elétron após absorver um quantum de luz. Para entender sua capacidade de liberação de elétrons, examinamos a estrutura e a função do centro de reação em fotossistemas bacterianos e vegetais na próxima seção.


Produtos da fotossíntese

Os produtos diretos das reações de luz e do ciclo de Calvin são o 3-fosfoglicerato e o G3P, duas formas diferentes de uma molécula de açúcar de 3 carbonos. Duas dessas moléculas combinadas equivalem a uma molécula de glicose, o produto visto na equação da fotossíntese. Embora esta seja a principal fonte de alimento para plantas e animais, esses esqueletos de 3 carbonos podem ser combinados em muitas formas diferentes. Uma forma estrutural digna de nota é celulosee um material fibroso extremamente forte feito essencialmente de fios de glicose. Além de açúcares e moléculas à base de açúcar, o oxigênio é o outro produto principal da fotossíntese. O oxigênio criado a partir da fotossíntese abastece todos os organismos que respiram no planeta.

1. Para completar o ciclo de Calvin, o dióxido de carbono é necessário. O dióxido de carbono atinge o interior da planta via estômatos, ou pequenos orifícios na superfície de uma folha. Para evitar a perda de água e a desidratação total em dias quentes, as plantas fecham seus estômatos. As plantas podem continuar a sofrer fotossíntese?
UMA. Sim, enquanto houver luz
B. Não, sem CO2 o processo não pode continuar
C. Apenas a reação da luz continuará

2. Por que os produtos da fotossíntese são importantes para os organismos não fotossintéticos?
UMA. É a base da maior parte da energia na Terra
B. Eles precisam de nutrientes menores reunidos pelas plantas
C. Eles não são importantes para carnívoros obrigatórios

3. Por que as plantas precisam de água?
UMA. Para fotossíntese
B. Para estrutura
C. Para transferir nutrientes
D. Tudo acima


Assista o vídeo: Fotosintesis Percobaan - Biologi Kelas 12 (Fevereiro 2023).