Fotossíntese

RKA11E Fotossíntese não é apenas um tipo de coisa científica abstrata. Você estaria morto sem as plantas e sua habilidade científica mágica de transformar luz solar, dióxido de carbono e água em glicose, e no puro e delicioso oxigênio. Isso ocorre exclusivamente através da fotossíntese, um processo que foi desenvolvido há 450 milhões de anos. Na verdade, é um saco. É complicado, ineficiente e confuso. Mas você está comprometido a ter o melhor e mais profundo entendimento do nosso mundo. Ou, mais provavelmente, você apenas gostaria de se dar bem nas provas. Então, vamos nessa! Há dois tipos de reação da fotossíntese: as reações luz dependente e as reações luz independente. Provavelmente, você já descobriu a diferença entre as duas, não é? As reações luz independentes são chamadas Ciclo de Calvin. Não. E não, não, não. Sim, esse círculo de Calvin. Fotossíntese é basicamente respiração ao contrário, e nós já vimos respiração aqui. Talvez você deveria ver aquele vídeo ou só continuar assistindo esse aqui. Ok, já disse sobre o que a fotossíntese precisa para trabalhar: água, dióxido de carbono e luz solar. Então, como ela consegue fazer isso? Primeiro água. Vamos considerar que falamos sobre uma planta vascular, do tipo que possui tecidos em formas de tubo que conduzem água, minerais e outros materiais para diferentes partes da planta. Elas são as árvores, gramas e plantas floridas. Assim, as raízes das plantas absorvem água e trazem para as folhas através de tecido chamado xilema. O dióxido de carbono entra e oxigênio sai, através de pequenos poros nas folhas chamados estômatos. É realmente importante que as plantas mantenham os níveis de oxigênio baixas em suas folhas, por razões que veremos depois. E finalmente, fotos individuais vindos do sol, que são absorvidos na planta por um pigmento chamado clorofila. Se lembra das células das plantas? Se não você poderia ir ver esse vídeo, onde só falamos sobre essas células. Uma coisa que elas têm, e as células animais não têm, são os plastídeos. E qual é o plastídeo mais importante? O cloroplasto, que não é só um saco grande de clorofila, como às vezes é descrito. Ele tem uma estrutura interna complicada. Já a clorofila está acumulada em sacos membranosos chamados tilacoides, que são empilhados formando a grana. Dentro deles há o lúmen e fora dele, porém, ainda dentro do citoplasma, está o estroma. As membranas do tilacoides são bicamadas fosfolipídicas, o que significa que elas são muito boas em manter o gradiente de concentração de íons, proteínas, além de outras coisas. Elas mantêm a concentração de um lado da membrana maior que a do outro. Você vai precisar saber todas essas coisas, perdão. Já que fizemos nosso pequeno tour pelo cloroplasto. É hora de nos aprofundarmos na Química. A primeira coisa que acontece, um fóton criado pela fusão de reações do nosso sol, está para terminar sua jornada de 150 milhões de quilômetros se atirando em uma molécula de clorofila. Isso elimina o passo 1. As reações luz dependentes mostram que quase toda a vida em nosso planeta é alimentada por fusão. Quando a clorofila é atingida por esse fóton, um elétron absorve a energia e fica excitado. Esse é o termo técnico para um elétron que ganha energia e quer ir para algum lugar. E quando isso é feito por um fóton é chamado fotoexcitação. Mas vamos imaginar por agora que o próton é um garoto jovem e sonhador pelo qual garotas adolescentes estão obcecadas, e os elétrons são essas garotas adolescentes. O legal agora, e todo o truque da fotossíntese, é converter a energia dessas adolescentes, quero dizer, elétrons, em algo que a planta possa usar. Vamos literalmente gastar o resto desse vídeo falando sobre isso. Espero que esteja tudo bem para você. Agora, a clorofila não está sozinha aqui. Ela é parte de um complexo louco e complicado de proteínas e lipídios, e de outras moléculas chamadas fotossistema II que contém, pelo menos, 99 diferentes substâncias químicas, incluindo mais de 30 moléculas individuais de clorofila. Essa é a primeira de quatro complexos proteicos que as plantas precisam, para as reações luz dependentes. Se você está achando complicado chamar o primeiro complexo de fotossistema II, em vez de foto sistema I, então fica à vontade para chamá-lo pelo seu nome completo: plastoquinona oxirredutase. Ah, não. Você não quer chamar assim. Ok, então. Fotossistema 2, ou PSII. PSII e todos os complexos proteicos nas reações luz dependentes, se assentam na membrana dos tilacoides e dos cloroplastos. Esse elétron excitado irá fazer uma jornada projetada para extrair toda essa nova energia, e converte-la em algo útil. Isso é chamado de cadeia transportadora de elétrons. Em que elétrons energizados perdem sua energia em uma série de reações, que capturam a energia necessária para manter a vida. Então, a clorofila do PSII, agora tem esse elétron que está tão excitado que, quando uma proteína é projetada especialmente para roubar elétrons aparece, o elétron sai de uma molécula de clorofila para a proteína, que chamamos de transportador móvel de elétrons. Porque é um transportador e é móvel. A clorofila surta como uma mãe que acabou de ter sua filhinha adolescente raptada por um ídolo adolescente, e diz: "O que eu faço para consertar esse problema?" Aí, então, com a cooperação do resto do fotossistema II, faz algo tão incrível e importante que eu mal acredito que acontece todos os dias. Ele quebra a molécula ultra estável de H₂O, roubando os seus elétrons para substituir o que foi perdido. Os bioprodutos dessa quebra de H₂O são: íons hidrogênio, que são os prótons sozinhos, e o oxigênio. O tão doce oxigênio. Essa reação, meus amigos, é a razão pela qual respiramos. Só pequeno comentário: da próxima vez que alguém falar que não gosta quando tem química em sua comida, por favor, lembre-os de que toda a vida é feita de química. Também peça que eles parem de fingir a palavra químico é algum sinônimo de carcinógeno. Pense em como a clorofila se sente quando falamos isso. Ela perde todo o seu tempo e energia criando o ar que respiramos e falamos: "Eca, a química é tão nojenta." Agora lembre-se: todos os elétrons energizados do PSII, foram pegos pelos carregadores de elétrons. Estão sendo transportados para o segundo complexo de proteínas, o complexo de citocromos. Ele faz duas coisas: 1 - Serve como intermediário entre PSII e PSI. E 2 - Usa um pouco de energia do elétron para bombear outro próton para dentro tilacoide. E agora o tilacoide está começando a se encher de prótons. Mostramos um através da quebra de água, e movemos um usando complexo de citocromos. Mas porque estamos fazendo isso? Basicamente o que estamos fazendo é carregar o tilacoide como se fosse uma bateria. Bombeando o tilacoide cheio de prótons, criamos um gradiente de concentração. Os prótons naturalmente querem muito se afastar um dos outros, então eles se empurram para uma enzima, assentando a membrana tilacoide chamada ATP sintase. Essa enzima usa aquela energia para ligar o fosfato inorgânico e um ADP, para formar um ATP, que é o paizão da energia celular. Tudo isso se movendo pela cadeia transportadora, requer energia. Como você pode supor, os elétrons entram cada vez menos em estado de energia mais baixos, à medida que se movem. Isso faz sentido. Já faz um tempo desde que o fóton o eletrocutou. Estivemos bombeando íons de hidrogênio para criar ATP, quebrando água e pulando para diferentes moléculas. Estou cansado só de falar nisso. Felizmente, como 450 milhões de anos de evolução fariam, nossos elétrons estão agora disponíveis para serem reenergizados através do fotossistema I, ou PSI, é uma mistura parecida de proteínas e moléculas de clorofila, que vimos no PSII, mas com algumas diferenças nos produtos. Após alguns fótons recitarem alguns elétrons, os elétrons saem e pegam uma carona em outro transportador de elétrons. Agora, toda aquela energia será usada para fazer LADPH que, como ATP, existe somente para carregar elétrons por aí. Aqui outra enzima ajuda a combinar dois elétrons e um íon de hidrogênio com uma coisinha chamada NADP+. Como pode lembrar do nosso papo sobre a respiração, eles são como primos distantes da vitamina B, que são cruciais para a conversão de energia. Na fotossíntese, é o NADP+. E quando ele pega aqueles dois elétrons e o íon de hidrogênio, ele se torna NADPH. Então, o que sobrou agora, após as reações luz dependentes, é a energia química na forma de ATPs e NADPHs. E claro, não deveríamos esquecer do mais útil e inútil dos bioprodutos na história dos bioprodutos inúteis. O oxigênio. Se alguém precisa de um intervalo, agora seria uma boa hora. Ou se você quiser e assistir a longa e complicada parte sobre as reações luz dependentes, faça. Não é simples e não ficará nem um pouco mais fácil a partir de agora, porque agora teremos o ciclo de Calvin. O ciclo de Calvin é às vezes chamado de fases escuras, que é um tipo de termos impróprio, porque ele geralmente não ocorre no escuro, ocorre dia junto com as outras reações. Mas não precisam da energia dos fótons, então é mais apropriado chamar de reações luz independente. Ou se você estiver sendo pouco descritivo, apenas diga fase 2. A fase 2 aproveita e usa a energia dos ATPs e do NADPHs que criamos na fase 1, para produzir algo que é útil para a planta. O ciclo de Calvin e começa no estroma, ou no espaço vazio dentro do cloroplasto. E essa fase é chamada de fixação do carbono, porque iremos fixar moléculas de CO₂ ao nosso ponto inicial. Ribulose bifosfato ou RuBP, que sempre está ao redor do cloroplasto. Porque não é apenas o início do ciclo de Calvin, mas também é final, por isso é chamado de ciclo. O CO₂ é fixado ao RuBP com a ajuda de uma enzima chamada ribulose 1,5 bifosfato carboxilase oxigenase. Que abreviamos para RuBisCO. Estou na cadeira de novo, excelente! Vamos falar da biolo-grafia do RuBisCO. Era uma vez um organismo de apenas uma célula que falou: "Cara, preciso de mais carbono, então eu posso fazer mini-mins e então dominar o mundo inteiro". Felizmente, para aquele pequeno organismo, havia muito CO₂ na atmosfera. Então, isso envolveu uma enzima que poderia sugar aquele CO₂ e converter carbono inorgânico em carbono orgânico. Essa enzima chamada RuBisCO. E ela não era muito boa em seu trabalho, mas era muito melhor do que ficar apenas esperando encontrar algum carbono orgânico quimicamente formado. Então o organismo fez toneladas deles para compensar o quão ruim era. Não só a pequena planta ficou com ela, mas ela tomou toda a planta e rapidamente se tornou a forma dominante de vida. Lentamente, através de reações chamadas reações luz dependentes, as plantas aumentaram a quantidade de oxigênio na atmosfera. RuBisCO, que foi projetado em um mundo com pequenas quantidades de oxigênio na atmosfera, começou a ficar confuso. Rapidamente, RuBisCO começou a quebrar ribulose bifosfato com oxigênio, em vez de CO₂, criando um bioproduto tóxico, que as plantas tinham de lidar com criatividade e formas especializadas. Esse bioproduto chamado fosfoglicolato pode estar envolvido com algumas funções enzimáticas, incluindo as envolvidas no ciclo de Calvin. As plantas podem fazer outras enzimas que quebrem aminoácidos, glicina e alguns compostos que são úteis para o ciclo de Calvin. No entanto, todas as plantas têm ido pela estratégia do RuBisCO, e até hoje, elas têm que produzir enormes quantidades dele. Os cientistas estimam que existem aproximadamente 40 bilhões de toneladas de RuBisCO no planeta, e as plantas simplesmente lidam com seus produtos tóxicos. Um outro exemplo, meu amigo, do Design não tão Inteligente assim. Voltando ao ciclo, a ribulose bifosfato pega o CO₂, o lança no ciclo e imediatamente toda a coisa fica loucamente instável. A única forma de retornar à estabilidade é essa nova cadeia de seis carbonos se quebrar, criando duas moléculas de três fosfoglicerato. E esses são os primeiros produtos estáveis do ciclo de Calvin. Por razões que não são muito claras, vamos fazer isso com três moléculas do RuBP. Agora entramos na fase da redução. Aqui precisamos de energia. Alguns ATPs lançaram o grupamento fosfato no 3 fosfoglicerato e o NADPH atira alguns elétrons e, voilà! Temos duas moléculas de gliceraldeído 3 fosfato ou G3P. Esse é um composto de três carbonos de alta energia que as plantas podem converter em qualquer carboidrato, como a glicose para obter estoque de energia temporário, celulose para estrutura, amido para estoque de longo prazo, e por isso G3P é considerado produto definitivo da fotossíntese. No entanto, infelizmente, esse não é o fim. Precisamos de 5 G3Ps para regenerar os 3 RUPBs com que começamos. Também, precisamos de nove moléculas de ATP, e 6 moléculas de NADPH. Com todas essas reações químicas, toda essa energia química, podemos converter 3 RUPBs em 6 G3Ps. Mas somente um desses de G3Ps sairá do ciclo, os outros G3Ps serão necessários para regenerar os 3 ribolosos bifosfatos originais. Essa regeneração é a última fase do ciclo de Calvin, e é assim que as plantas transformam luz solar, a água e dióxido de carbono em todas as coisas vivas que já falamos, brincamos, escalamos, amamos, odiamos e comemos. Nada mal, plantas.