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Conteúdo principal

Introdução à fotossíntese

Conversão de energia luminosa em energia química. Reações da fotossíntese, onde elas acontecem e a sua importância ecológica.

Introdução

Abraçaste uma árvore recentemente? Se não o fizeste, devias pensar nisso. Tu, juntamente com o resto da população humana, deves a tua existência às plantas e outros organismos que capturam a luz. De facto, a maioria da vida na Terra é possível devido ao abastecimento contínuo de energia aos ecossistemas pelo sol.
Todos os organismos, incluindo os humanos, precisam de energia para alimentar as reações metabólicas de crescimento, desenvolvimento e reprodução. Mas os organismos não conseguem usar a energia luminosa diretamente para as suas necessidades metabólicas. Em vez disso, ela precisa primeiro ser convertida em energia química através do processo da fotossíntese.

O que é a fotossíntese?

Fotossíntese é o processo em que a energia luminosa é convertida em energia química na forma de açúcares. Num processo impulsionado pela energia luminosa, moléculas de glicose (ou outros açucares) são construídos a partir de água e dióxido de carbono e oxigénio é libertado como subproduto. As moléculas de glicose fornecem aos organismos dois recursos cruciais: energia e carbono orgânico fixado.
  • Energia. As moléculas de glicose servem como combustível para as células: a sua energia química pode ser capturada através de processos como respiração celular e fermentação, que geram adenosina trifosfato—start text, A, T, P, end text, uma pequena, molécula carregada de energia-para os requisitos imediatos de energia da célula.
  • Carbono fixado. O carbono proveniente de dióxido de carbono, carbono inorgânico, pode ser incorporado em molecular orgânicas. Esse processo é chamado de fixação de carbono e o carbono em moléculas orgânicas é também conhecido como carbono fixado. O carbono que é fixado e incorporado em açucares durante a fotossíntese pode ser usado para construir outro tipo de moléculas orgânicas necessárias às células.
Na fotossíntese, energia solar é capturada e convertida em energia química na forma de glicose usando água e dióxido de carbono. O oxigénio é libertado como subproduto.

A importância ecológica da fotossíntese

Os organismos fotossintéticos, incluindo plantas, algas e algumas bactérias, desempenham um papel ecológico fundamental. Eles introduzem energia química e fixam carbono nos ecossistemas usando luz para sintetizar açúcares. Uma vez que estes organismos produzem o seu próprio alimento, isto é, fixam o seu próprio carbono usando energia luminosa, são chamados fotoautotróficos (literalmente, seres que se auto-alimentam que usam luz).
Os humanos e outros organismos que não conseguem eles próprios converter dióxido de carbono em compostos orgânicos, são chamados heterotróficos, significa alimentar de outros. Heterotróficos têm que obter carbono fixado ingerindo outros organismos ou os seus subprodutos. Animais, fungos e muitos procariotas e protistas são heterotróficos.
Para além de introduzir carbono fixado e energia nos ecossistemas, a fotossíntese afeta também a composição da atmosfera terrestre. A maioria dos organismos fotossintéticos gera oxigénio na sua forma gasosa como subproduto e o aparecimento da fotossíntese, há mais de 3 mil milhões de anos, em bactérias semelhantes às cianobactérias modernas, mudou para sempre a vida na Terrastart superscript, 1, end superscript. Estas bactérias libertaram oxigénio gradualmente para a atmosfera pobre em oxigénio da Terra e pensasse que o aumento da concentração de oxigénio influenciou a evolução de formas de vida aeróbicas-organismos que usam oxigénio para a respiração celular. Se não tivesse sido por esses fotossintetizadores ancestrais, nós, como muitas outras espécies, não estaríamos aqui hoje!
Os organismos fotossintéticos removem também grandes quantidades de dióxido de carbono da atmosfera e usam os átomos de carbono para construir moléculas orgânicas. Sem a abundância de plantas e algas na Terra a sugarem o dióxido de carbono, este gás acumularia na atmosfera. Apesar dos organismos fotossintéticos removerem parte do dióxido de carbono produzido pelas atividades humanas, o aumento dos níveis na atmosfera estão a prender o calor e a causar modificações no clima. Muitos cientistas acreditam que preservar as florestas e outras extensões vegetais é cada vez mais importante no combate do aumento dos níveis de dióxido de carbono.

As folhas são os locais de fotossíntese

As plantas são os autotróficos mais comuns nos ecossistemas terrestres. Todas os tecidos verdes das plantas podem fotossintetizar, mas a maioria da fotossíntese ocorre nas folhas. As células numa camada intermédia do tecido foliar chamado de mesófilo são os principais locais de fotossíntese.
Pequenos poros chamados estômatos, ou estomas, são encontrados na superfície das folhas na maioria das plantas e eles permitem a difusão do dióxido de carbono para a camada de mesófilo e a difusão para o exterior de oxigénio.
Diagrama que mostra uma folha em diferentes ampliações. Ampliação 1: Toda a folha Ampliação 2: Mesófilo dentro da folha Ampliação 3: Uma única célula de mesófilo Ampliação 4: Um cloroplasto dentro de uma célula de mesófilo Ampliação 5:Pilhas de tilacóides-granum-e o estroma dentro do cloroplasto
Crédito da imagem: modificado de "Overview of photosynthesis: Figure 6" por OpenStax College, Concepts of Biology, CC BY 3,0
Cada célula de mesófilo contem organelos chamados cloroplastos, que são especializados para realizar as reações da fotossíntese. Dentro de cada cloroplasto, estruturas como discos chamados tilacóides estão organizados em pilhas como pilhas de panquecas que são conhecidos por grana, ou no singular, granum. A membrana de cada tilacóide contém pigmentos de cor verde chamados clorofilas que absorvem luz. O espaço repleto de fluido em volta das grana é chamado de estroma e o espaço dentro dos discos de tilacóides é chamado de espaço tilacóide. Diferentes reações químicas ocorrem em diferentes partes do cloroplasto.

As reações dependentes da luz e o ciclo de Calvin

A fotossíntese nas folhas das plantas envolve muitos passos, mas pode ser dividida em duas partes: as reações dependentes de luz e o ciclo de Calvin.
  • As reações dependentes de luz ocorrem na membrana dos tilacóides e requerem uma alimentação contínua de energia luminosa. A clorofila absorve essa energia luminosa, que é convertida em energia química através da formação de dois compostos start text, A, T, P, end text, uma molécula de armazenamento de energia e start text, N, A, D, P, H, end text, um transportador de eletrões reduzido (contendo eletrões). Neste processo, moléculas de água também são convertidas em oxigénio na forma gasosa, o oxigénio que nós respiramos!
  • O ciclo de Calvin, também chamado de reações independentes de luz, ocorrem no estroma e não necessitam diretamente de luz. Emvez disso, o ciclo de Calvin usa start text, A, T, P, end text e start text, N, A, D, P, H, end text proveniente das reações dependentes de luz para fixar dióxido de carbono e produzir açucares de três carbono, moléculas degliceraldeído-3-fosfato, ou G3P, que se juntam para formar glicose.
Representação esquemática das reações dependentes de luz e ciclo de Calvin e como estão conectados.
As reações dependentes de luz ocorrem na membrana dos tilacóides. Elas necessitam de luz e o seu efeito líquido é converter moléculas de água em oxigénio, enquanto produzem moléculas de ATP-a partir de ADP e Pi, e moléculas de NADPH, via a redução de NADP+.
ATP e NDAPH são produzidos no lado do estoma da membrana dos tilacóides, onde podem ser usados pelo ciclo de Calvin.
O ciclo de Calvin ocorre no estroma e usa o ATP e NADPH proveniente das reações dependentes de luz para fixar dióxido de carbono, produzindo açucares de três carbonos, moléculas de gliceraldeído-3.fosfato, ou G3P.
O ciclo de Calvin converte ATP em ADP e Pi e converte NADPH em NADP+. O ADP, Pi e NADP+ podem ser reutilizados como substratos nas reações luminosas.
Crédito da imagem: modificado de "Overview of photosynthesis: Figure 6" por OpenStax College, Concepts of Biology, CC BY 3,0
No geral, as reações dependentes de luz capturam a energia luminosa e guardam-na temporariamente na forma química de start text, A, T, P, end text e start text, N, A, D, P, H, end text. Ali, o start text, A, T, P, end text é quebrado para libertar energia e o start text, N, A, D, P, H, end text doa os seus eletrões para a conversão das moléculas de dióxido de carbono em açucares. No fim, a energia que começou como luz acaba aprisionada nas ligações dos açúcares.

Fotossíntese vs respiração celular

Ao nível global das reações, a fotossíntese e a respiração celular são processos praticamente opostos. Diferem apenas na forma de energia absorvida ou libertada, como demonstrado no diagrama abaixo.
A um nível simplificado, a fotossíntese e a respiração celular são reações opostas uma da outra. Na fotossíntese, energia solar é colhida como energia química num processo que converte água e dióxido de carbono em glicose. Oxigénio é libertado como subproduto. Na respiração celular, oxigénio é usado para quebrar a glicose, libertando energia química e calor durante o processo. Dióxido de carbono e água são produtos desta reação.
Ao nível dos passos individuais, a fotossíntese não é apenas respiração celular ao contrário. Em vez disso, como veremos no restante desta secção, a fotossíntese ocorre numa série de passos únicos. Contudo, existe algumas notáveis semelhanças entre a fotossíntese e a respiração celular.
Por exemplo, tanto a fotossíntese como a respiração celular envolvem uma série de reações redox (reações envolvendo a transferência de eletrões). Na respiração celular, eletrões fluem da glicose para oxigénio, formando água e libertando energia. Na fotossíntese, eles vão na direção oposta, começando na água e acabando em glicose-um processo que necessita de energia alimentado pela luz. Como na respiração celular, a fotossíntese também usa uma cadeia transportadora de eletrões para obter um gradiente de concentração de start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript, que move a síntese de start text, A, T, P, end text por quimiosmose.
Se essas coisas não te soam familiares, então, não te preocupes! Tu não precisas de saber a respiração celular para compreenderes a fotossíntese. Apenas continua a ler e a observar e vais aprender todas as partes deste processo que sustém a vida.