Fotossíntese e Fixação de Carbono

A fotossíntese converte energia luminosa em energia química e a utiliza para fixar o dióxido de carbono atmosférico em açúcares, processo do qual dependem quase toda a vida e a atmosfera respirável.

Definition

Fotossíntese é a síntese de compostos orgânicos a partir de dióxido de carbono e água, impulsionada pela luz, e a fixação de carbono é a incorporação de dióxido de carbono inorgânico em moléculas orgânicas, principalmente através do ciclo de Calvin-Benson.

Scope

Este tópico abrange as reações luminosas da membrana tilacoide (fotossistemas, transporte de elétrons e síntese de ATP), o ciclo de Calvin-Benson de fixação de carbono pela Rubisco, a fotorrespiração e as adaptações C4 e CAM que concentram o dióxido de carbono.

Core questions

• Como as reações luminosas convertem luz em ATP e NADPH enquanto liberam oxigênio?
• Como o ciclo de Calvin-Benson fixa o dióxido de carbono em carboidratos?
• Por que os mecanismos C4 e CAM evoluíram para superar as limitações da Rubisco?

Key theories

Esquema em Z do transporte de elétrons fotossintético

A luz energiza elétrons através dos fotossistemas II e I em série, quebrando a água para liberar oxigênio e gerando o NADPH e o gradiente de prótons que impulsionam a síntese de ATP.

Mecanismos de concentração de carbono

Como a Rubisco também reage com o oxigênio, causando fotorrespiração dispendiosa, as plantas C4 e CAM concentram espacial ou temporalmente o dióxido de carbono ao redor da Rubisco para melhorar a eficiência em condições quentes ou secas.

Mechanisms

Na membrana tilacoide, o fotossistema II oxida a água a oxigênio e alimenta elétrons através do complexo citocromo b6f para o fotossistema I, que reduz o NADP+ a NADPH; o gradiente de prótons associado impulsiona a ATP sintase. No estroma, a Rubisco fixa o dióxido de carbono na ribulose-1,5-bisfosfato, e o ciclo de Calvin-Benson reduz o produto a triose fosfato usando ATP e NADPH, enquanto regenera o aceptor. As plantas C4 prefixam o dióxido de carbono em ácidos de quatro carbonos nas células do mesofilo e o liberam ao redor da Rubisco nas células da bainha do feixe, enquanto as plantas CAM fixam o dióxido de carbono à noite, ambos suprimindo a fotorrespiração. A fluorescência da clorofila fornece uma sonda não invasiva dessas reações.

Clinical relevance

A eficiência fotossintética estabelece o limite máximo para a produtividade das culturas e a biomassa, tornando-a um alvo central para melhorar a segurança alimentar; o processo também governa a quantidade de dióxido de carbono que a vegetação remove da atmosfera, ligando-o ao clima.

History

Hill demonstrou que cloroplastos isolados podiam liberar oxigênio, Calvin e Benson mapearam o ciclo de fixação de carbono com carbono-14, e Hatch e Slack descreveram a via C4 na década de 1960, completando o quadro moderno da fotossíntese.

Key figures

• Melvin Calvin
• Andrew Benson
• Robert Hill
• Marshall Hatch

Seminal works

• buchanan2015
• taiz2015

Frequently asked questions

De onde vem o oxigênio liberado pelas plantas?

O oxigênio vem da água, que o fotossistema II quebra durante as reações luminosas; o oxigênio liberado é um subproduto, enquanto o hidrogênio e os elétrons são usados para construir NADPH.

Por que as plantas C4 são mais eficientes em climas quentes?

As plantas C4 concentram o dióxido de carbono ao redor da Rubisco, suprimindo a reação de fixação de oxigênio (fotorrespiração) que se torna dispendiosa em altas temperaturas, de modo que fotossintetizam de forma mais eficiente em condições quentes e luminosas.