Fisiologia Vegetal. Bibliografia: Lehninger Principles of Biochemistry Taiz Plant Physiology

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Fisiologia

Vegetal

Objetivos da aula:

Fotossíntese:

• absorção de luz

pigmentos fotossintéticos

• pigmentos fotossintéticos

• fotossistemas

• fluxo de elétrons acíclico

• fotofosforilação

• fluxo de elétrons cíclico

Bibliografia:

Lehninger – Principles of Biochemistry Taiz – Plant Physiology

(2)

Fotossíntese:

Processo pelo qual a energia da luz é utilizada para síntese de

moléculas orgânicas.

cianobactérias monocotiledônea outras bactérias fotossinteti-zantes fluxo de energia

fotossíntese oxigênica (2,5 billion years) dicotiledônea

principal via pela qual energia entra na biosfera

CO CO CO

CO₂₂₂₂+ H+ H+ H+ H₂₂₂₂O carboidratos + OO carboidratos + OO carboidratos + OO carboidratos + O₂₂₂₂

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Absorção de luz

en er g ia

σ

ligante

π

ligante

π∗

(antiligante)

σ∗

(antiligante) não ligante ∆ ∆ ∆ ∆E ∆∆∆∆E orbitais moleculares

a luz UV e visível possui energia suficiente para promover as

transições eletrônicas dos orbitais n para ππππ* ou ππππ para ππππ* C C H H H H ETILENO λ λ λ λ_max(nm) εεεε(M-1cm-1) 165 15000 217 21000 256 50000 290 85000 334 125000 λ λλ λ (comprimento de onda)

indica a quantidade de energia necessária para ocorrer a

transição eletrônica.

ε ε ε

ε (coeficiente de extinção)

indica a probabilidade da transição eletrônica ocorrer.

c c π π π π σ σ σ σ estado fundamental c c π π π π σ σ σ σ π∗ π∗ π∗ π∗ estado excitado RECORDANDO

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Mg Mg Mg Mg

Pigmentos Fotossintéticos

anel porfirínico

principais fotoreceptores da fotossíntese nas plantas

coeficinete de extinção molar = 105 _M-1 _cm-1

a

b

comprimento de onda (nm) comprimento de onda (nm) comprimento de onda (nm) comprimento de onda (nm)

Espectro de absorção das Espectro de absorção das Espectro de absorção das Espectro de absorção das

clorofilas a e b clorofilas a e b clorofilas a e b clorofilas a e b ab ab ab ab so so so so rb rb rb rb ân ân ân ân cia cia cia cia 400

430

660

700 600 500

fitol

Protoporfirina IX

b

A mudança estrutural leva

a diferentes espectros de

absorção

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acessórios

Pigmentos Fotossintéticos

CCCC HHHH ₃₃₃₃ _CCCC _{HHHH 3333} CCCC HHHH 3333 CCCC HHHH 3333 CCCC _{HHHH 3333} CCCC _{HHHH 3333} CCCC _{HHHH 3333} CCCC _{HHHH 3333}

β

β ---- caroteno

caroteno

C H C HCH C H 3333 C H C H C H C H 3333 C H C H C H C H 3333 C O O H C O O H C O O H C O O H H O O C H O O C H O O C H O O C CCCC HHHH 3333 CCCC _{HHHH 3333} CCCC _{HHHH 3333} HHHH HHHH HHHH HHHH OOOO 3333 OOOO NNNN NNNN NNNN NNNN

ficocianina

RECORDANDO

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Absorção de Luz

Formas de uma molécula dissipar

a energia (quenching) do estado excitado:

1) conversão interna (conversão para energia cinética, <10-11 _s)

2) fluorescência, (+ 10-8 _s)

3) transferência do estado excitado para uma molécula vizinha (ressonância)

4) fotoxidação

estados eletrônicos

da clorofila a

conversão conversão conversão conversão interna interna interna interna fotoxidação fotoxidação fotoxidação fotoxidação

2222oooo_{. estado}_{. estado}_{. estado}_{. estado}

excitado excitadoexcitado excitado

1111oooo_{. estado}_{. estado}_{. estado}_{. estado}

excitado excitadoexcitado excitado calor calor calor calor

1) e 2)

luz luz luz luz 430 nm fluorescência fluorescência fluorescência fluorescência estado estado estado estado fundamental fundamental fundamental fundamental 660 nm aceptor de aceptor deaceptor de aceptor de elétrons elétrons elétrons elétrons excitado excitadoexcitado excitado

• Moléculas têm vários estados de energia. • Cada um dos estados eletrônicos tem

sub-estados rotacionais e vibracionais.

absorção de energia dissipação de energia

+

----3)

3)

4)

elétron pigmento_{aceptor de elétrons} radical livre

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Onde ocorre a fotossíntese?

ÓRGÃO:FOLHA ÓRGÃO:FOLHA ÓRGÃO:FOLHA ÓRGÃO:FOLHA

epiderme superior epiderme superiorepiderme superior epiderme superior ORGANELA: ORGANELA: ORGANELA: ORGANELA: CLOROPLASTO CLOROPLASTO CLOROPLASTO CLOROPLASTO parênquima parênquima parênquima parênquima palissádico palissádico palissádico palissádico parênquima parênquima parênquima parênquima

estroma (DNA, RNA, estroma (DNA, RNA, estroma (DNA, RNA,

estroma (DNA, RNA, ribossomos, enzimas)ribossomos, enzimas)ribossomos, enzimas)ribossomos, enzimas) grana*

grana* grana* grana*

lamela dos grana* lamela dos grana*lamela dos grana* lamela dos grana*

T E C I D O epiderme inferior epiderme inferior epiderme inferior epiderme inferior parênquima parênquima parênquima parênquima lacunoso lacunoso lacunoso lacunoso lamela do estroma* lamela do estroma* lamela do estroma* lamela do estroma* membrana membranamembrana membrana externa externa externa externa (permeável) (permeável)(permeável) (permeável) espaço espaço espaço espaço inter interinter

inter----membranamembranamembranamembrana

membrana membrana membrana membrana interna interna interna interna (semi (semi (semi

(semi----permeável)permeável)permeável)permeável)

* fazem parte da membrana do tilacóide (alta fluidez).

No tilacóide ocorrem as reações de captação de luz.

No estroma ocorrem as reações de fixação de carbono.

CO₂ D

O S

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As Reações da Fotossíntese

reações luminosas

(tilacóides)

luz

abundantes na

natureza

reações de fixação

de carbono (CO

₂₂₂₂

))))

(estroma)

açúcares

ciclo de

transformação de compostos transformação de compostos transformação de compostos transformação de compostos simples em complexos

simples em complexos simples em complexos

simples em complexos utilizando a energia utilizando a energia utilizando a energia utilizando a energia luminosa luminosa luminosa luminosa

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Fotossistemas

PI 700 nm

PII 680 nm

ressonância ressonância ressonância ressonância foto foto foto

foto----oxidaçãooxidaçãooxidaçãooxidação

pigmentos centro de reação (2 moléculas de clorofila a)

ACEPTOR PRIMÁRIO

fóton

pigmentos carotenóides, clorofila a e b complexo antena (em volta do centro de reação) As moléculas de pigmentos têm espaçamento e orientações

relativas apropriadas que

permitem a transmissão de energia entre elas por ressonância.

(20-2000 moléculas/ fotossistema) complexo antena: pigmentos associados a proteínas estados fundamentais estados excitados pigmentos do complexo antena clorofila a do centro de reação energia calor

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Esquema Z

O acoplamento dos dois fotossistemas se dá

através de uma cadeia transportadora de elétrons. reações endergônicas reações exergônicas 3 ps* 200 ps* 6 µµµµs*

adaptado de Lehninger, 5ª. Ed., 2008

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Origem dos componentes da membrana dos tilacóides

vermelho: codificado no genoma do cloroplasto

cinza: codificado no genoma nuclear

Prof. Dr. Thomas Boller, Botanical Institute, Section Plant Physiology, Suiça file:///C:/WINDOWS/Temporary%20Internet%20Files/Content.IE5/S1YJ0PM3/424,15,Differenzierung von Plastiden

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Fluxo de Elétrons Acíclico e Foto-fosforilação

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Thylakoid_membrane.png (modificado) fluxo de prótons fluxo de elétrons micromolécula proteína

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Fluxo de Elétrons Acíclico e Foto-fosforilação

PSI - fotossistema I PSII - fotossistema II Q - plastoquinona Cyt – citocromo fluxo de e -fluxo de H+ (pH 5)

cadeia de transporte

de elétrons

• Oito a dez fótons são necessários para gerar cada O₂.

• 8-12 H+ são translocados através da membrana para cada O₂ formado.

• A ATP sintase do cloroplasto produz um ATP a cada 3 - 4 H+ translocados.

Cyt – citocromo PC – plastocianina Fd - ferredoxina CF - ATP sintase estroma (pH 8) complexos proteicos carreadores móveis de e -atenção: a escala de pH é logarítmica adaptado de Lehninger, 2008 estequiometria aproximada:

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Experimento realizado por Jagendorf, 1966

grana isolados de cloroplastos geração de ATP na no escuro

from Biochemistry 2nd Ed. by Garrett & Grisham, modificado Demonstração da teoria quimiosmótica apresentada por P. Michell:

diferenças de pH e potenciais elétricos através de membranas são fontes de energia que podem ser utilizadas para a síntese de ATP.

ATP na ausência de

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Fluxo cíclico de elétrons

O fluxo cíclico de elétrons gera somente ATP H+

Aumenta a formação de ATP durante a fotossíntese e permite à célula regular a proporção de ATP e NADPH de acordo com as suas necessidades.

esquema Z

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Fotoinibição

Folhas de Alocasia expostas a diferentes intensidades de luz

Regulação da captação de luz pela planta é feita ao nível do: • corpo da planta • tecidos • organelas • fisiológico • bioquímico

Arabidopsis - mutantes incapazes de induzir

movimento em seus cloroplastos são mais suscetíveis ao excesso de luz (clorose e necrose de seus tecidos).

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Fotoinibição

A fotoinibição ocorre quando a quantidade de luz absorvida

pelas plantas é maior do que pode ser utilizada na fotossíntese.

Mecanismos de contornar a fotoinibição:

• movimento das folhas.

• movimento dos cloroplastos.

• “Quenching “ com perda de E na

forma de calor. excesso de fótons produtos tóxicos (O- _{, H O , OH}._,1_{O *)} calor forma de calor. • agentes fotoprotetores (carotenóides, superoxide dismutase, ác. ascórbico).

• reparo e “de novo síntese” do

fotossistema. (O -2, H2O2, OH.,1O2*) fotossitemas fotossistema danificado fotoinibição reparo síntese “de novo” agentes fotoprotetores

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0,21 0,22 0,23 re la ti v e a b s o rb a n c e

Phenotypic change of Microcystis

PCC 7806 during culture

chlorotic

culture

2

green

culture

1 re la ti ve a b so rb an ce

two phenotypes

0,19 0,20 590 640 690 740 wavelength (nm) re la ti v e a b s o rb a n c e 3 days 15 days 35 days

…...

Whole cell absorption

spectra of a culture collected

at different growth stages.

culture

re la ti ve a b so rb an ce wavelength (nm) ___ _{3 days}1 _ . _ _{15 days}1 ... _{35 days}2

Dagnino, D, et al., Environmental Microbiology, 2006

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green culture chlorotic culture culture with conditioned_medium

Effect of the conditioned medium of chlorotic

Microcystis

PCC 7806 cultures on the ultra-structure

of Microcystis PCC 7806 cells cultured under

nutrient replete conditions

(20)

Próxima aula: Reações de Fixação de Carbono

Ou: Ciclo de Calvin

Ou: Ciclo de Calvin----Benson

Benson

6C

_6C

6C

3C

3 x intermediário 3 x intermediário3 x intermediário 3 x intermediário instável instávelinstável instável 6 x 3 6 x 36 x 3

6 x 3----fosfogliceratofosfogliceratofosfogliceratofosfoglicerato

6 ATP 6 NADPH 6 H 6 ATP 6 NADPH 6 H6 ATP 6 NADPH 6 H 6 ATP 6 NADPH 6 H++++

1C

3C

5C

6 x gliceraldeído 6 x gliceraldeído 6 x gliceraldeído 6 x gliceraldeído

----3333----fosfatofosfatofosfatofosfato

1C

3 ADP 3 ATP

3 ADP 3 ATP3 ADP 3 ATP

3 ADP 3 ATP

3C

3 x CO 3 x CO 3 x CO 3 x CO₂₂₂₂

1C

6 ADP 6 P 6 ADP 6 P6 ADP 6 P

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SITES INTERESSANTES:

http://photoscience.la.asu.edu/photosyn/education.html Animações:

http://vcell.ndsu.edu/animations/photosynthesis/index.htm http://vcell.ndsu.edu/animations/photosystemII/index.htm