A fotossíntese é um dos processos biológicos mais importantes para a manutenção da vida na Terra. Por meio dela, plantas, algas e determinados microrganismos conseguem captar energia luminosa e transformá-la em energia química armazenada em compostos orgânicos.
Nas plantas, a clorofila exerce influência nesse mecanismo por absorver luz. Durante o processo da fotossíntese, água e dióxido de carbono participam de uma série de reações que permitem a formação de moléculas orgânicas e a liberação de oxigênio.
Esse fenômeno também está diretamente relacionado à respiração celular, ao ciclo do carbono, às cadeias alimentares e à composição da atmosfera. Mais recentemente, os mecanismos naturais da fotossíntese também passaram a inspirar pesquisas sobre fotossíntese artificial, que procuram utilizar luz solar para gerar combustíveis e outros produtos químicos.
E, claro, se quiser saber mais sobre o que é e como funciona a fotossíntese, vem conosco!
O que é fotossíntese?
A fotossíntese é o processo pelo qual plantas, algas e alguns microrganismos convertem energia da luz em energia química.
Nas plantas, a fotossíntese ocorre principalmente nos cloroplastos. A energia captada pela clorofila é utilizada em reações que envolvem água e dióxido de carbono e levam à produção de compostos orgânicos.
O processo pode ser dividido, de maneira simplificada, em duas grandes etapas: as reações dependentes de luz e o ciclo de Calvin.
Nas reações dependentes de luz, a energia solar é captada e convertida em energia química na forma de ATP e NADPH, enquanto a água participa do processo e ocorre liberação de oxigênio. Depois, ATP e NADPH fornecem energia e poder redutor para a fixação do carbono no ciclo de Calvin.
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Onde ocorre a fotossíntese?
Nas plantas, grande parte da fotossíntese acontece nas folhas, principalmente nas células do mesófilo foliar.
Dentro dessas células existem estruturas especializadas chamadas cloroplastos.
A Embrapa explica que os cloroplastos contêm os pigmentos responsáveis pela captação da radiação solar. Entre eles está a clorofila, responsável também pela característica coloração verde de muitas plantas, além de pigmentos acessórios, como os carotenoides.
Dentro do cloroplasto existem compartimentos diferentes, e essa organização é fundamental para compreender o processo da fotossíntese.
As reações dependentes de luz acontecem nas membranas dos tilacoides. Já o ciclo de Calvin ocorre no estroma, a matriz fluida do cloroplasto.
Essa divisão permite que diferentes reações químicas aconteçam em condições adequadas dentro da mesma organela.
Como funciona o processo da fotossíntese?
O processo da fotossíntese é frequentemente dividido em duas grandes etapas: reações dependentes de luz e ciclo de Calvin.
Essa divisão facilita a compreensão, mas as duas partes estão diretamente conectadas.
Reações dependentes de luz
A primeira etapa ocorre nas membranas dos tilacoides.
Nesse momento, pigmentos fotossintéticos absorvem energia luminosa. A clorofila desempenha papel central nesse processo.
Quando um fóton atinge uma molécula de pigmento do fotossistema, sua energia é transferida até o centro de reação. Um elétron da clorofila é então levado para um estado de maior energia e transferido para um aceptor.
A água participa dessa etapa. Sua oxidação fornece elétrons para substituir aqueles perdidos pela clorofila e está associada à liberação de oxigênio.
Os elétrons percorrem uma cadeia transportadora, e esse processo contribui para estabelecer um gradiente de prótons através da membrana do tilacoide.
O retorno dos prótons pela ATP sintase permite a formação de ATP. Outro fotossistema participa da produção de NADPH.
Dessa maneira, as reações dependentes de luz produzem principalmente ATP e NADPH, moléculas necessárias para as etapas posteriores.
Ciclo de Calvin
Depois da transformação da energia luminosa em energia química temporariamente armazenada em ATP e NADPH, começa outra parte essencial da fotossíntese: a fixação do carbono.
O ciclo de Calvin ocorre no estroma do cloroplasto.
O dióxido de carbono entra nas folhas pelos estômatos e chega às células fotossintéticas. No estroma, participa de uma série de reações enzimáticas.
Uma das enzimas mais importantes desse processo é a RuBisCO, responsável por catalisar a incorporação do CO₂ à ribulose-1,5-bisfosfato, ou RuBP.
O ciclo pode ser dividido em três etapas principais: fixação, redução e regeneração.
Na fixação, o carbono do CO₂ é incorporado a moléculas orgânicas. Na redução, ATP e NADPH produzidos anteriormente são utilizados. Por fim, ocorre a regeneração da RuBP, permitindo que o ciclo continue.
Um dos produtos que deixa o ciclo é o G3P, uma molécula de três carbonos que pode contribuir para a formação de carboidratos.
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Qual é a equação da fotossíntese?
Uma representação simplificada bastante conhecida da fotossíntese é:
6 CO₂ + 6 H₂O + energia luminosa → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
Essa equação resume a utilização de dióxido de carbono e água, com fornecimento de energia, para a formação de carboidratos e liberação de oxigênio.
Qual é a função da clorofila na fotossíntese?
A clorofila é um pigmento fotossintético necessário para a absorção da luz.
Existem diferentes tipos de pigmentos envolvidos no aproveitamento da radiação. Nas plantas, as clorofilas a e b absorvem especialmente determinadas regiões do espectro visível, enquanto refletem mais luz verde, característica relacionada à coloração observada nas folhas.
Os pigmentos trabalham organizados em complexos associados aos fotossistemas.
Quando absorvem fótons, a energia é transferida até centros de reação contendo clorofila. A partir daí, ocorre a transferência de elétrons que inicia uma sequência de processos responsáveis pela transformação da energia solar em energia química.
Assim, a clorofila não "alimenta" diretamente a planta. Sua função está relacionada à captura da energia necessária para iniciar as reações fotoquímicas.
Quais fatores influenciam a fotossíntese?
A taxa fotossintética não permanece constante. Diversos fatores ambientais e fisiológicos influenciam o processo.
A disponibilidade de luz é um deles. Como as primeiras reações dependem da absorção de fótons, mudanças na intensidade e na qualidade da luz podem afetar a atividade fotossintética.
A disponibilidade de dióxido de carbono também importa, já que o CO₂ fornece o carbono incorporado aos compostos orgânicos durante o ciclo de Calvin.
A água exerce diferentes funções. Além de participar diretamente das reações fotossintéticas, sua disponibilidade influencia a abertura dos estômatos e, consequentemente, as trocas gasosas.
A temperatura também pode interferir porque diferentes etapas da fotossíntese dependem da atividade de enzimas.
Portanto, alguns dos principais fatores relacionados à fotossíntese são:
- intensidade e qualidade da luz;
- concentração de dióxido de carbono;
- disponibilidade de água;
- temperatura;
- disponibilidade adequada de nutrientes;
- características fisiológicas e genéticas da planta.
Esses fatores não atuam necessariamente de forma independente. Uma planta pode receber muita luz, por exemplo, mas ter sua atividade fotossintética limitada pela falta de água ou por outra condição desfavorável.
Como luz, CO₂ e água podem limitar a fotossíntese?
A disponibilidade dos recursos necessários ajuda a entender por que aumentar apenas um fator nem sempre eleva continuamente a taxa fotossintética. Quando outro recurso se torna limitante, ele restringe o processo.
Essa interação é importante em estudos de fisiologia vegetal e produtividade agrícola, já que as plantas estão submetidas simultaneamente a variações ambientais.
Qual é a importância da fotossíntese?
A importância da fotossíntese ultrapassa a sobrevivência individual das plantas.
Organismos fotossintetizantes transformam energia solar em energia química armazenada em matéria orgânica. Essa matéria constitui a base de grande parte das cadeias alimentares.
Animais herbívoros obtêm energia consumindo plantas e outros produtores. Os consumidores seguintes obtêm energia direta ou indiretamente dessa matéria orgânica.
Assim, grande parte da energia utilizada pelos ecossistemas teve sua origem na luz solar captada por organismos fotossintetizantes.
Outro aspecto é a participação da fotossíntese nos ciclos do carbono e do oxigênio. O processo remove CO₂ do ambiente para incorporar carbono em moléculas orgânicas e, na fotossíntese oxigênica, libera oxigênio.
O Departamento de Energia dos Estados Unidos destaca que plantas, algas e determinadas bactérias utilizam a luz solar para produzir açúcares e outros compostos ricos em energia. Durante o processo, a utilização da água está associada à liberação do oxigênio que respiramos.
Fotossíntese e respiração celular: qual a diferença?
Fotossíntese e respiração celular são processos diferentes, embora estejam profundamente relacionados.
Na fotossíntese, a energia da luz é captada e utilizada na construção de moléculas orgânicas. Em plantas e algas eucarióticas, esse processo ocorre nos cloroplastos.
A respiração celular permite às células extrair energia química de moléculas orgânicas e convertê-la, entre outros produtos, em ATP utilizável nos processos celulares. Em células eucarióticas, etapas da respiração aeróbica ocorrem nas mitocôndrias.
Uma simplificação frequentemente utilizada demonstra a relação entre os dois processos. Na fotossíntese:
CO₂ + H₂O + energia → carboidratos + O₂
Na respiração aeróbica:
carboidratos + O₂ → CO₂ + H₂O + energia disponível para o metabolismo
Deste modo, não significa que um processo seja simplesmente o inverso bioquímico exato do outro. Cada um possui vias, enzimas, etapas e mecanismos próprios.
Também é errado imaginar que plantas realizam apenas fotossíntese. As plantas também fazem respiração celular. Elas possuem cloroplastos e mitocôndrias e dependem dos dois processos para seu metabolismo.
As plantas fazem fotossíntese à noite?
As reações dependentes de luz necessitam de luz, portanto não continuam normalmente no escuro da mesma maneira que durante o período iluminado.
Enquanto isso, chamar o ciclo de Calvin de "fase escura" pode causar confusão.
O ciclo não utiliza diretamente fótons como reagentes, mas depende do ATP e do NADPH produzidos pelas reações dependentes de luz, e diferentes enzimas envolvidas também são reguladas em relação à luz.
Por isso, fontes acadêmicas modernas consideram "reações independentes de luz" ou "ciclo de Calvin" denominações mais adequadas do que simplesmente "fase escura".
A respiração celular, por outro lado, ocorre nas plantas tanto durante períodos claros quanto escuros.
Quais são os tipos de fotossíntese?
Uma classificação importante diferencia fotossíntese oxigênica e anoxigênica.
A fotossíntese oxigênica é realizada por plantas, algas e cianobactérias. Nela, a água atua como doadora de elétrons e há produção de oxigênio.
A fotossíntese anoxigênica ocorre em determinados grupos de bactérias fotossintetizantes e não produz oxigênio da mesma maneira. Esses organismos utilizam outros doadores de elétrons.
Existe ainda outra classificação muito utilizada quando o assunto são plantas: os mecanismos de fixação do carbono C3, C4 e CAM.
Nas plantas C3, o primeiro produto estável da fixação do carbono possui três carbonos. Esse é o mecanismo encontrado em grande número de espécies.
As plantas C4 possuem adaptações que concentram CO₂ em determinadas células antes de sua utilização pelo ciclo de Calvin. Esse mecanismo oferece vantagens em ambientes quentes e sob determinadas condições.
As plantas CAM apresentam uma estratégia temporal: a captação inicial de CO₂ ocorre principalmente durante a noite, ajudando a diminuir perdas de água em ambientes secos.
O que é fotossíntese artificial?
A fotossíntese artificial é uma área de pesquisa que procura reproduzir alguns princípios fundamentais da fotossíntese natural utilizando sistemas desenvolvidos tecnologicamente. Um dos principais objetivos é aproveitar a luz solar para produzir combustíveis.
Segundo o Departamento de Energia dos Estados Unidos, a fotossíntese artificial busca a conversão direta da energia solar em combustíveis por meio de sistemas integrados inspirados em princípios da fotossíntese natural.
Entre as possibilidades estudadas estão a utilização de energia solar para dividir água e produzir hidrogênio e a redução de dióxido de carbono para gerar combustíveis ou compostos químicos.
O objetivo, portanto, não é simplesmente construir uma "folha artificial" idêntica a uma folha vegetal. Pesquisadores procuram compreender e reproduzir determinadas funções, como captura de energia, transferência de elétrons, oxidação da água e conversão química, em dispositivos capazes de gerar produtos úteis.
Por que entender o processo da fotossíntese é tão importante?
Compreender o processo da fotossíntese permite entender uma das principais conexões entre o Sol e a vida existente na Terra. A energia luminosa captada pelos organismos fotossintetizantes é transformada em energia química e passa a circular pelas cadeias alimentares.
Ao mesmo tempo, a fotossíntese participa da retirada de carbono inorgânico do ambiente e da produção de matéria orgânica. Na fotossíntese oxigênica, o processo também está associado à liberação de oxigênio.
Dentro das plantas, esse mecanismo não funciona isoladamente. Fotossíntese, respiração celular, absorção de água, nutrição mineral e trocas gasosas estão entre os diferentes processos necessários para o funcionamento do organismo.
Conhecer essas relações também possui aplicações práticas em áreas como agricultura, ecologia, mudanças climáticas, biotecnologia e desenvolvimento de tecnologias de fotossíntese artificial.
E então, mais alguma dúvida sobre como funciona a fotossíntese?
Referências
- EMBRAPA UVA E VINHO. Aspectos fisiológicos. Material técnico sobre fotossíntese, cloroplastos, clorofila, reações fotoquímicas, ATP, NADPH e ciclo de Calvin.
- OPENSTAX. Overview of Photosynthesis — Biology 2e. Rice University. Referência acadêmica sobre cloroplastos, etapas da fotossíntese, reações dependentes de luz e ciclo de Calvin.
- OPENSTAX. The Light-Dependent Reactions of Photosynthesis — Biology 2e. Rice University. Material sobre fotossistemas, clorofila, transporte de elétrons, ATP e NADPH.
- OPENSTAX. Using Light Energy to Make Organic Molecules — Biology 2e. Rice University. Referência sobre fixação do carbono, RuBisCO e as etapas do ciclo de Calvin.
- OPENSTAX. The Calvin Cycle — Concepts of Biology. Rice University. Material acadêmico sobre ciclo de Calvin e relação entre fotossíntese e respiração celular.
- U.S. DEPARTMENT OF ENERGY. DOE Explains… Solar Fuels. Office of Science. Referência sobre combustíveis solares e fotossíntese artificial.
- U.S. DEPARTMENT OF ENERGY. New Fuels: Artificial Photosynthesis. Material técnico sobre utilização de energia solar, água e dióxido de carbono em sistemas de fotossíntese artificial.
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