O que é fotossíntese?

Fotossíntese é o processo usado por 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 observada em plantas, algas e cianobactérias. 

Durante a fotossíntese oxigenada, a energia da luz transfere elétrons da água (H₂O) para dióxido de carbono (CO₂), para produzir carboidratos. Nesta transferência, o CO₂ é "reduzida", ou recebe elétrons, e a água torna-se "oxidada" ou perde elétrons. Em última análise, o oxigênio é produzido junto com os carboidratos.

A fotossíntese oxigenada 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 usa outros doadores de elétrons além da água. O processo normalmente ocorre em bactérias, como bactérias roxas e bactérias sulfurosas 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 sulfureto de hidrogênio com cheiro ruim, produzindo enxofre sólido como subproduto."

Embora ambos os tipos de fotossíntese sejam complexos, casos de várias etapas, o processo geral pode ser perfeitamente resumido como uma equação química.

A fotossíntese oxigenada é escrita da seguinte forma: 

6CO₂ + 12h₂O + Energia da Luz → 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 (C₆H₁₂O₆, ou glicose) junto com seis moléculas de oxigênio respirável e água.

Da mesma forma, as várias reações de fotossíntese anoxigênica podem ser representadas como uma única fórmula generalizada:

CO₂ + 2h₂A + Energia da Luz → [CH₂O] + 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 doador de elétrons (H₂S), explicou Govindjee e John Whitmarsh, biólogos de plantas da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, no livro "Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis" (Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999).

O aparato fotossintético

A seguir estão os componentes celulares essenciais para a fotossíntese. 

Pigmentos

Os pigmentos são moléculas que conferem cor às plantas, algas e bactérias, mas também são responsáveis ​​por reter a luz solar com eficácia. Pigmentos de cores diferentes absorvem comprimentos de onda de luz diferentes. Abaixo estão os três grupos principais.

• Clorofilas: Esses pigmentos de cor verde são capazes de capturar a luz azul e vermelha. As clorofilas têm três subtipos, denominados clorofila a, clorofila be clorofila c. De acordo com Eugene Rabinowitch e Govindjee em seu livro "Photosynthesis" (Wiley, 1969), a clorofila a é encontrada em todas as plantas fotossintetizantes. Há também uma variante bacteriana apropriadamente chamada de bacterioclorofila, que absorve luz infravermelha. Este pigmento é visto principalmente em bactérias roxas e verdes, que realizam a fotossíntese anoxigênica.  
• Carotenóides: Esses pigmentos de cor vermelha, laranja ou amarela 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 de luz que não são tão bem absorvidos por clorofilas e carotenóides. Eles são vistos em cianobactérias e algas vermelhas. 

Plastídios

Os organismos eucarióticos fotossintéticos contêm organelas chamadas plastídeos em seu citoplasma. Os plastídios de membrana dupla em plantas e algas são chamados de plastídios primários, enquanto a variedade de múltiplas membranas encontrada no plâncton são chamados de plastídios secundários, de acordo com um artigo na revista Nature Education de Cheong Xin Chan e Debashish Bhattacharya, pesquisadores da Rutgers University em Nova Jersey.

Os plastídios geralmente contêm pigmentos ou podem armazenar nutrientes. Leucoplastos incolores e não pigmentados armazenam gorduras e amido, enquanto cromoplastos contêm carotenóides e 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. O 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 de tilacóides. É aqui que ocorre a transferência de elétrons. Os espaços vazios entre as colunas de grana constituem o estroma.   

Os cloroplastos são semelhantes às mitocôndrias, os centros de energia das células, no sentido de que têm seu próprio genoma, ou coleção de genes, contido no DNA circular. Esses genes codificam proteínas essenciais para a organela e para a fotossíntese. Como as mitocôndrias, acredita-se que os cloroplastos também tenham se originado de células bacterianas primitivas por meio do processo de endossimbiose.. 

"Os plastídeos se originaram de bactérias fotossintéticas engolfadas que foram adquiridas por uma célula eucariótica unicelular há mais de um bilhão de anos", disse Baum. Baum explicou que a análise dos genes do cloroplasto mostra que ele já foi membro do grupo das cianobactérias, "o único grupo de bactérias que pode realizar a fotossíntese oxigenada". 

Em seu artigo de 2010, Chan e Bhattacharya afirmam que a formação de plastídios secundários não pode ser bem explicada pela endossimbiose de cianobactérias, e que as origens dessa classe de plastídios ainda são motivo de debate.

Antenas

As moléculas de pigmento estão associadas às proteínas, o que lhes permite flexibilidade para se moverem em direção à luz e umas às outras. Uma grande coleção de 100 a 5.000 moléculas de pigmento constitui "antenas", de acordo com um artigo de Wim Vermaas, professor da Arizona State University. Essas estruturas capturam efetivamente a energia da luz do sol, na forma de fótons.

Em última análise, a energia da luz deve ser transferida para um complexo pigmento-proteína que pode convertê-la em energia química, na forma de elétrons. Nas plantas, por exemplo, a energia da luz 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 se mover para um recipiente apropriado. 

Centros de reação

Os pigmentos e proteínas, que convertem a energia da luz 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 em aquelas que requerem a presença de luz solar e aquelas que não requerem. Ambos os tipos de reações ocorrem nos cloroplastos: reações dependentes da luz no tilacóide e reações independentes da luz no estroma. 

Reações dependentes de luz (também chamadas de reações de luz): Quando um fóton de luz atinge o centro da reação, uma molécula de pigmento, como a clorofila, libera um elétron.

"O truque para fazer um trabalho útil é evitar que o elétron encontre o caminho de volta à sua casa original", disse Baum. "Isso não é facilmente evitado, porque a clorofila agora tem um 'buraco de elétron' que tende a puxar os 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, uma fonte de energia química para as células) e NADPH. O "buraco do elétron" no pigmento de clorofila original é preenchido retirando um elétron da água. Como resultado, o oxigênio é liberado na atmosfera.

Reações independentes de luz (também chamadas de reações escuras e conhecidas como ciclo de Calvin): As reações de luz produzem ATP e NADPH, que são as ricas fontes de energia que impulsionam as reações de escuridão. Três etapas de reação química constituem 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 “fixo,” quando eles são construídos em moléculas orgânicas que, em última análise, formam açúcares de três carbonos. Esses açúcares são então usados ​​para fazer 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, explorou a capacidade das algas verdes de produzir hidrogênio. As algas verdes podem produzir hidrogênio por alguns segundos se forem primeiro expostas a condições escuras e anaeróbicas (sem oxigênio) e depois expostas à luz. A equipe criou uma maneira de estender a produção de hidrogênio das algas verdes por até três dias, conforme relatado em seu Estudo de 2018 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 que têm alguns bilionésimos de metro de diâmetro. Os fios alimentam um sistema de micróbios que reduzem o dióxido de carbono em combustíveis ou polímeros usando a energia da luz solar. A equipe publicou seu projeto 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 só conseguem aproveitar cerca de um por cento da energia solar e usá-la para produzir compostos orgânicos durante a fotossíntese. Em contraste, o sistema artificial dos pesquisadores foi capaz de aproveitar 10 por cento da energia solar para produzir compostos orgânicos.

A pesquisa contínua de processos naturais, como a fotossíntese, auxilia os cientistas no desenvolvimento de novas maneiras de utilizar várias fontes de energia renovável. Vendo como a luz do sol, plantas e bactérias são onipresentes, explorar o poder da fotossíntese é um passo lógico para a criação de combustíveis de queima limpa e neutros em carbono.

Recursos adicionais:

• University of California, Berkeley: Photosynthetic Pigments
• Arizona State University: uma introdução à fotossíntese e suas aplicações
• Universidade de Illinois em Urbana-Champaign: o que é fotossíntese?