A fotossíntese é o processo usado pelas plantas, algas e certas bactérias para aproveitar a energia da luz solar e transformá-la em energia química. Aqui, descrevemos os princípios gerais da fotossíntese e destacamos como os cientistas estão estudando esse processo natural para ajudar a desenvolver combustíveis limpos e fontes de energia renovável.
Tipos de fotossíntese
Existem dois tipos de processos fotossintéticos: fotossíntese oxigenada e fotossíntese anoxigênica. Os princípios gerais da fotossíntese anoxigênica e oxigenada são muito semelhantes, mas a fotossíntese oxigenada é a mais comum e é vista em plantas, algas e cianobactérias.
Durante a fotossíntese oxigênio, a energia luminosa transfere elétrons da água (H2O) em dióxido de carbono (CO2), para produzir carboidratos. Nesta transferência, o CO2 é "reduzido" ou recebe elétrons e a água fica "oxidada" ou perde elétrons. Por fim, o oxigênio é produzido junto com os carboidratos.
A fotossíntese oxigênio funciona como um contrapeso à respiração, absorvendo o dióxido de carbono produzido por todos os organismos respiratórios e reintroduzindo o oxigênio na atmosfera.
Por outro lado, a fotossíntese anoxigênica utiliza doadores de elétrons que não a água. O processo geralmente ocorre em bactérias como as roxas e as verdes, que são encontradas principalmente em vários habitats aquáticos.
"A fotossíntese anoxigênica não produz oxigênio - daí o nome", disse David Baum, professor de botânica da Universidade de Wisconsin-Madison. "O que é produzido depende do doador de elétrons. Por exemplo, muitas bactérias usam o gás sulfeto de hidrogênio com mau cheiro de ovo, produzindo enxofre sólido como subproduto".
Embora os dois tipos de fotossíntese sejam complexos, com várias etapas, o processo geral pode ser claramente resumido como uma equação química.
A fotossíntese oxigênio é escrita da seguinte forma:
6CO2 + 12H2O + energia luminosa → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
Aqui, seis moléculas de dióxido de carbono (CO2) combinam com 12 moléculas de água (H2O) usando energia luminosa. O resultado final é a formação de uma única molécula de carboidrato (C6H12O6ou glicose), juntamente com seis moléculas de oxigênio e água respiráveis.
Da mesma forma, as várias reações de fotossíntese anoxigênica podem ser representadas como uma única fórmula generalizada:
CO2 + 2H2A + energia luminosa → + 2A + H2O
A letra A na equação é uma variável e H2A representa o potencial doador de elétrons. Por exemplo, A pode representar enxofre no sulfeto de hidrogênio do doador de elétrons (H2S), explicou Govindjee e John Whitmarsh, biólogo de plantas da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, no livro "Conceitos em Fotobiologia: Fotossíntese e Fotomorfogênese" (Narosa Publishers e Kluwer Academic, 1999).
O aparelho fotossintético
A seguir, são apresentados componentes celulares essenciais à fotossíntese.
Pigmentos
Os pigmentos são moléculas que conferem cor às plantas, algas e bactérias, mas também são responsáveis pela captura eficaz da luz solar. Pigmentos de cores diferentes absorvem diferentes comprimentos de onda da luz. Abaixo estão os três grupos principais.
- Clorofilas: Estes pigmentos de cor verde são capazes de capturar a luz azul e vermelha. As clorofilas têm três subtipos, denominadas clorofila a, clorofila be clorofila c. Segundo Eugene Rabinowitch e Govindjee em seu livro "Fotossíntese" (Wiley, 1969), a clorofila a é encontrada em todas as plantas fotossintetizadoras. Há também uma variante bacteriana apropriadamente denominada bacterioclorofila, que absorve a luz infravermelha. Este pigmento é visto principalmente em bactérias roxas e verdes, que realizam fotossíntese anoxigênica.
- Carotenóides: esses pigmentos vermelhos, laranja ou amarelos absorvem a luz verde-azulada. Exemplos de carotenóides são xantofila (amarelo) e caroteno (laranja), dos quais as cenouras obtêm sua cor.
- Ficobilinas: esses pigmentos vermelhos ou azuis absorvem comprimentos de onda da luz que não são tão bem absorvidos por clorofilas e carotenóides. Eles são vistos em cianobactérias e algas vermelhas.
Plastids
Organismos eucarióticos fotossintéticos contêm organelas chamadas plastídeos em seu citoplasma. Os plastídeos de membrana dupla nas plantas e nas algas são chamados de plastídeos primários, enquanto a variedade de membranas múltiplas encontrada no plâncton é chamada de plastídeo secundário, de acordo com um artigo da revista Nature Education de Cheong Xin Chan e Debashish Bhattacharya, pesquisadores da Universidade Rutgers. em Nova Jersey.
Os plastídeos geralmente contêm pigmentos ou podem armazenar nutrientes. Os leucoplastos incolores e não pigmentados armazenam gorduras e amido, enquanto os cromoplastos contêm carotenóides e os cloroplastos contêm clorofila, conforme explicado no livro de Geoffrey Cooper, "The Cell: A Molecular Approach" (Sinauer Associates, 2000).
A fotossíntese ocorre nos cloroplastos; especificamente, nas regiões de grana e estroma. A grana é a porção mais interna da organela; uma coleção de membranas em forma de disco, empilhadas em colunas como placas. Os discos individuais são chamados tilacóides. É aqui que a transferência de elétrons ocorre. Os espaços vazios entre as colunas da grana constituem o estroma.
Os cloroplastos são semelhantes às mitocôndrias, os centros de energia das células, pois possuem seu próprio genoma, ou coleção de genes, contidos no DNA circular. Esses genes codificam proteínas essenciais para a organela e para a fotossíntese. Como as mitocôndrias, também se pensa que os cloroplastos se originaram de células bacterianas primitivas através do processo de endossimbiose.
"Os plastídeos se originaram de bactérias fotossintéticas engolidas que foram adquiridas por uma célula eucariótica unicelular há mais de um bilhão de anos atrás", disse Baum à Live Science. Baum explicou que a análise dos genes dos cloroplastos mostra que já foi membro do grupo cianobactérias, "o único grupo de bactérias que pode realizar a fotossíntese oxigenada".
Em seu artigo de 2010, Chan e Bhattacharya argumentam que a formação de plastídios secundários não pode ser bem explicada pela endossimbiose das cianobactérias e que as origens dessa classe de plastídeos ainda são motivo de debate.
Antenas
As moléculas de pigmento estão associadas às proteínas, o que lhes permite a flexibilidade de se mover em direção à luz e entre si. Uma grande coleção de 100 a 5.000 moléculas de pigmento constitui "antenas", de acordo com um artigo de Wim Vermaas, professor da Universidade Estadual do Arizona. Essas estruturas capturam efetivamente a energia luminosa do sol, na forma de fótons.
Por fim, a energia luminosa deve ser transferida para um complexo de pigmento-proteína que possa convertê-la em energia química, na forma de elétrons. Nas plantas, por exemplo, a energia luminosa é transferida para os pigmentos de clorofila. A conversão em energia química é realizada quando um pigmento de clorofila expele um elétron, que pode então passar para um recipiente apropriado.
Centros de reação
Os pigmentos e proteínas, que convertem energia luminosa em energia química e iniciam o processo de transferência de elétrons, são conhecidos como centros de reação.
O processo fotossintético
As reações da fotossíntese das plantas são divididas naquelas que exigem a presença da luz solar e aquelas que não. Ambos os tipos de reações ocorrem nos cloroplastos: reações dependentes da luz no tilacóide e reações independentes da luz no estroma.
Reações dependentes da luz (também chamadas reações de luz): Quando um fóton de luz atinge o centro de reação, uma molécula de pigmento como a clorofila libera um elétron.
"O truque para realizar um trabalho útil é impedir que o elétron retorne à sua casa original", disse Baum à Live Science. "Isso não é facilmente evitado, porque a clorofila agora tem um 'buraco de elétrons' que tende a puxar elétrons próximos".
O elétron liberado consegue escapar viajando através de uma cadeia de transporte de elétrons, que gera a energia necessária para produzir ATP (trifosfato de adenosina, fonte de energia química para as células) e NADPH. O "buraco do elétron" no pigmento original da clorofila é preenchido retirando um elétron da água. Como resultado, o oxigênio é liberado na atmosfera.
Reações independentes da luz (também chamadas de reações escuras e conhecidas como ciclo de Calvin): As reações à luz produzem ATP e NADPH, que são as ricas fontes de energia que conduzem as reações às escuras. Três etapas da reação química compõem o ciclo de Calvin: fixação, redução e regeneração de carbono. Essas reações usam água e catalisadores. Os átomos de carbono do dióxido de carbono são "fixos", quando incorporados em moléculas orgânicas que formam, finalmente, açúcares de três carbonos. Esses açúcares são então usados para produzir glicose ou são reciclados para iniciar o ciclo de Calvin novamente.
Fotossíntese no futuro
Organismos fotossintéticos são um meio possível de gerar combustíveis de queima limpa, como hidrogênio ou mesmo metano. Recentemente, um grupo de pesquisa da Universidade de Turku, na Finlândia, aproveitou a capacidade das algas verdes para produzir hidrogênio. As algas verdes podem produzir hidrogênio por alguns segundos se forem expostas primeiro a condições escuras, anaeróbicas (livres de oxigênio) e depois expostas à luz. A equipe criou uma maneira de estender a produção de hidrogênio das algas verdes por até três dias, 2018 estudo publicado na revista Energy & Environmental Science.
Os cientistas também fizeram avanços no campo da fotossíntese artificial. Por exemplo, um grupo de pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, desenvolveu um sistema artificial para capturar dióxido de carbono usando nanofios ou fios com alguns bilionésimos de metro de diâmetro. Os fios alimentam um sistema de micróbios que reduzem o dióxido de carbono em combustíveis ou polímeros usando energia da luz solar. A equipe publicou seu design em 2015 na revista Nano Letters.
Em 2016, membros desse mesmo grupo publicaram um estudo na revista Science que descreveu outro sistema fotossintético artificial no qual bactérias especialmente projetadas foram usadas para criar combustíveis líquidos usando luz solar, água e dióxido de carbono. Em geral, as plantas são capazes de aproveitar apenas um por cento da energia solar e usá-la para produzir compostos orgânicos durante a fotossíntese. Por outro lado, o sistema artificial dos pesquisadores conseguiu aproveitar 10% da energia solar para produzir compostos orgânicos.
A pesquisa contínua de processos naturais, como a fotossíntese, ajuda os cientistas a desenvolver novas maneiras de utilizar várias fontes de energia renovável. Visto que a luz do sol, as plantas e as bactérias são onipresentes, explorar o poder da fotossíntese é um passo lógico para criar combustíveis de queima limpa e neutros em carbono.
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