Propriedades da luz. Como clorofilas e outros pigmentos absorvem a luz.

Introdução

Se você já ficou muito tempo no sol e teve queimaduras, então você provavelmente está ciente da imensa energia do sol. Infelizmente, o corpo humano não pode fazer muito uso da energia solar, considerando que é capaz de produzir apenas um pouco de vitamina D (uma vitamina sintetizada na pele na presença da luz solar).
As plantas, por outro lado, são especialistas em capturar energia luminosa e em utilizá-la para produzir açúcares através de um processo chamado fotossíntese. Este processo começa com a absorção da luz por moléculas orgânicas especializadas, chamadas pigmentos, que são encontradas nos cloroplastos de células vegetais. Aqui, consideraremos a luz como uma forma de energia, e veremos como os pigmentos – como as clorofilas que tornam as plantas verdes – absorvem essa energia.

O que é energia luminosa?

A luz é uma forma de radiação eletromagnética, um tipo de energia que viaja em ondas. Outros tipos de radiação eletromagnética que encontramos no nosso dia-a-dia incluem ondas de radio, microondas e raios-X. Juntos, todos os tipos de radiação eletromagnética formam o espectro eletromagnético.
Cada onda eletromagnética tem um comprimento de onda específico, ou a distância de uma crista até a outra, e diferentes tipos de radiação têm diferentes faixas características de comprimentos de onda (como mostrado no diagrama abaixo). As radiações que têm comprimento de onda longo, como as ondas de rádio, carregam menos energia do que as radiações com um comprimento de onda curto, como os raio-X.
O espectro visível é a única parte do espectro eletromagnético que pode ser vista pelo olho humano. Isso inclui a radiação eletromagnética cujo comprimento de onda está entre 400 nm e 700 nm. A luz visível do sol aparenta ser branca, mas na verdade é composta por múltiplos comprimentos de onda (cores) de luz. Você pode ver essas diferentes cores quando uma luz branca atravessa um prisma: devido aos diferentes comprimentos de onda da luz se desviarem em ângulos distintos à medida que passam pelo prisma, eles se espalham e formam o que nós conhecemos como arco-íris. A luz vermelha tem o comprimento de onda mais longo e é o mais energético.
Apesar da luz e outras formas de radiação eletromagnética agirem como ondas sob muitas condições, elas podem agir como partícula sob outras. Cada partícula de radiação eletromagnética, chamada de fóton, tem uma certa quantidade de energia. Radiações com comprimentos de onda curtos tem fótons de alta energia, enquanto tipos de radiações com comprimentos de onda longos tem fótons de baixa energia.

Os pigmentos absorvem a luz usada na fotossíntese

Na fotossíntese, a energia do sol é convertida em energia química por organismos fotossintéticos. Contudo, os vários comprimentos de onda da luz do sol não são usados igualmente na fotossíntese. Ao invés disto, os organismos fotossintéticos contêm moléculas que absorvem luz chamadas de pigmentos, que absorvem apenas comprimentos de onda específicos de luz visível, enquanto refletem os demais comprimentos de onda.
O conjunto de comprimentos de onda absorvido por um pigmento é seu espectro de absorção. No diagrama abaixo, você pode ver os espectros de absorção de três pigmentos chaves na fotossíntese: clorofila a, clorofila b, e β-caroteno. O conjunto de comprimentos de onda que um pigmento não absorve é refletido, e a luz refletida é o que nós vemos como cores. Por exemplo, as plantas parecem verdes para nós porque elas contêm muitas moléculas de clorofila a e b, que refletem a luz verde.
A maioria dos organismos fotossintéticos tem uma variedade de pigmentos diferentes, então eles podem absorver energia de uma faixa ampla de comprimentos de luz. Aqui, examinaremos dois grupos de pigmentos que são importantes nas plantas: clorofilas e carotenoides.

Clorofilas

Há cinco tipos principais de clorofilas: clorofilas a, b, c e d, mais uma molécula relacionada encontrada nos procariontes chamada de bacterioclorofila. Nas plantas, a clorofila a e a clorofila b são os principais pigmentos fotossintéticos. As moléculas de clorofila absorvem comprimentos de onda azul e vermelho, como mostrado pelos picos nos espectros de absorção acima.
Estruturalmente, as moléculas de clorofila incluem uma cauda hidrofóbica ("repele a água") que se insere na membrana do tilacoide e uma cabeça formada por um anel de porfirina (um grupo circular de átomos circundando um íon de magnésio) que absorve luz1^1.
Embora tanto a clorofila a quanto a clorofila b absorvam luz, a clorofila a têm um papel único e crucial em converter a energia da luz em energia química (como você pode explorar no artigo das reações dependentes de luz). Todas as plantas, algas, e cianobactérias fotossintéticas contêm a clorofila a, enquanto apenas as plantas e algas verdes contêm a clorofila b, junto com uns poucos tipos de cianobactérias2,3^{2,3}.
Por causa do papel central da clorofila a na fotossíntese, todos os outros pigmentos, que não a clorofila a, são conhecidos como pigmentos acessórios—incluindo os outros tipos de clorofilas, bem como outras classes de pigmentos como os carotenoides. O uso dos pigmentos acessórios permite que uma faixa maior de comprimentos de onda seja absorvida, e assim, mais energia seja capturada da luz do sol.

Carotenoides

Os carotenoides são outro grupo chave de pigmentos que absorvem a luz violeta e azul-esverdeada (veja o gráfico de espectro acima). A viva coloração dos carotenoides encontrados em frutas - tais como o vermelho do tomate (licopeno), o amarelo das sementes de milho (zeaxantina), ou o laranja da casca da laranja (β-caroteno) - são frequentemente usados como recursos para atrair animais, que podem ajudar a dispersar as sementes da planta.
Na fotossíntese, os carotenoides ajudam a capturar luz, mas ele também têm um papel importante em se livrar do excesso de energia luminosa. Quando uma folha está exposta a pleno sol, ela recebe uma quantidade enorme de energia; se essa energia não é manipulada adequadamente, ela pode danificar a maquinaria fotossintética. Os carotenoides nos cloroplastos ajudam a absorver o excesso de energia e dissipá-la como calor.

O que significa um pigmento absorver luz?

Quando um pigmento absorve um fóton de luz, ele se torna excitado, ou seja, ele possui energia extra e não está mais no seu estado normal, ou padrão. Em um nível subatômico, a excitação é quando um elétron é levado a um orbital de maior energia que se encontra mais distante do núcleo.
Apenas um fóton com a quantidade exata de energia para levar um elétron para outro orbital pode excitar um pigmento. Na verdade, é por esse motivo que diferentes pigmentos absorvem diferentes comprimentos de onda da luz: as "lacunas de energia" entre os orbitais são diferentes para cada pigmento, o que significa que fótons de diferentes comprimentos de onda são necessários em cada caso para fornecer a energia que corresponda à lacuna de energia4^4.
Um pigmento excitado é instável, e ele tem várias "opções" disponíveis para se tornar mais estável. Por exemplo, ele pode transferir sua energia extra ou seu elétron excitado para uma molécula vizinha. Veremos como esses dois processos funcionam na próxima seção: reações dependentes de luz.
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