A fotossíntese pode ser expressa globalmente pela seguinte equação:

6 CO₂ +12 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O

A produção de oxigénio pelos organismos fotossintéticos é extremamente importante como fonte de oxigénio atmosférico utilizado pela maioria dos organismos – incluindo os fotossintéticos – para completarem as suas cadeias respiratórias e obterem daí energia.

A fotossíntese poderá ser compartimentada em duas fases: uma que depende diretamente da luz – fase fotoquímica e outra que não depende – fase química. A primeira produz ATP e um transportador de eletrões reduzido (NADPH + H⁺), a segunda usa o ATP, NADPH + H⁺ e CO₂ para produzir açúcar.

Na fase fotoquímica, a energia luminosa é utilizada para produzir ATP a partir de ADP + Pi, através de um conjunto de reações mediada por grupos de moléculas – os fotossistemas – num ciclo chamado fotofosforilação. Existem dois tipos de fotofosforilação: uma não cíclica que produz NADPH e ATP e uma cíclica que produz apenas ATP.

Na fase química, que não depende diretamente da luz, os produtos da fotofosforilação não cíclica – NADPH e ATP – e o CO₂ são usados para produzir glicose, no denominado ciclo de Calvin-Benson. Apesar de se denominar também fase escura, não é totalmente independente da luz, uma vez que para a enzima responsável pela fixação do CO₂ , a RuBisCo, requer luz para ser reduzida e estar no seu estado ativo.

Fase dependente da luz

1. fotofosforilação não-cíclica

Em termos evolutivos o aparecimento da fotofosforilação não cíclica foi extremamente importante, dado que durante o processo os seres fotossintéticos usam energia luminosa para produzir ATP, NADPH + H⁺ e libertar O₂ o que foi fundamental para o aparecimento/desenvolvimento de seres aeróbios e para a conquista do ambiente terrestre. Durante esta fase ocorrem reações de oxirredução: as moléculas de água são oxidadas e os eletrões libertados vão repor o défice de eletrões das moléculas de clorofila excitadas pela luz. Os eletrões libertados pelas clorofilas pela ação da luz são transferidos em reações em cascata através de agentes oxidantes até ao NADP⁺ que é reduzido para NADPH + H⁺. Estas reações de oxirredução espontâneas libertam energia – exergónicas – que é utilizada na fosforilação do ADP formando ATP.

São necessários dois tipos de moléculas de clorofila distintos associados a dois fotossistemas diferentes, que consistem em agrupamentos de moléculas de clorofila e pigmentos acessórios.

• fotossistema I – contém clorofila a P700 (este valor corresponde ao comprimento de onda – em nanómetros – da luz absorvida pela molécula de clorofila a e é responsável pela redução do NADPH + H⁺.
• fotossistema II – o centro reativo do fotossistema II contém clorofila a do tipo P680 – significando que para excitar as suas moélculas de clorofila são necessários fotões mais energéticos do que para o fotossistema I, e utiliza a luz para oxidar as moléculas de água, produzindo eletrões, protões (H⁺) e oxigénio (O₂). Os eletrões da água passam por uma cascata de transportadores redox localizados na membrana dos tilacóides do cloroplasto. Parte da energia libertada ao longo desta cascata vai ser aproveitada para a fosforilação de ADP + P_i em ATP. O funcionamento destes dois fotossistemas requer um absorção contínua de luz, que excita as moléculas da clorofila a que libertam eletrões formando um redutor e um oxidante necessários para que as reações ocorram.

O fotossistema II (P680) absorve fotões, que excitam as moléculas de clorofila libertando eletrões para um agente oxidante (feofitina I), e a clorofila P680 fica oxidada (P680⁺). Os eletrões resultantes da oxidação da água passam para a P680⁺, reduzindo-a à sua forma de P680 novamente e permitindo a continuação da absorção de fotões. Os eletrões resultantes da oxidação de P680 são transportados através de uma cascata de reações de oxirredução que produzem energia que será utilizada para formar ATP.

No fotossistema I (P700) a absorção de fotões causa a libertação de eletrões que reduzem a ferredoxina ficando na sua forma oxidada de P700⁺. A clorofila P700 é reduzida pelos eletrões libertados nas reações de oxirredução do fotossistema II. Os eletrões do fotossistema I serão necessários no final da fotofosforilação não cíclica em conjunto com protões para a redução da molécula de NADP⁺ a NADPH + H⁺.

2. Fotofosforilação cíclica

A fotofosforilação responsável por apenas formar ATP é cíclica porque o eletrão libertado pela molécula de clorofila fotoexcitada regressará à mesma molécula de clorofila no final das reações. A água que fornece eletrões às clorofilas oxidadas no sistema não cíclico, não participa nestas reações, logo não há produção de oxigénio. Antes do início da fotofosforilação, a clorofila P700, o centro de reação da clorofila do fotossistema I , está no seu estado fundamental (não excitado). Quando absorve um fotão e oxida, a sua forma oxidada reage com a ferrodoxina reduzindo-a. Esta reação é espontânea e exergónica (liberta energia). A ferredoxina reduzida por sua vez reduz a plastoquinona (molécula pertencente à cadeia de oxirredução que liga o fotossistema I e II), e o eletrão libertado passa para o complexo citocrómico e é transportado ao longo da cadeia de eletrões até se completar o ciclo e regressar à clorofila P700 inicial. A energia libertada durante estas reações será utilizada na fosforilação do ADP em ATP.

Formação de ATP

Nos cloroplastos, assim como nas mitocôndrias, os eletrões são transportados ao longo de cascatas de transportadores através de reações de oxirredução libertando energia que é utilizada no transporte de protões através da membrana. No cloroplasto os transportadores de eletrões encontram-se na membrana dos tilacóides, promovendo o transporte de protões para o interior do tilacóide, cujo pH é mais ácido do que no exterior.

A diferença de pH entre o exterior e o lúmen do tilacóide é resultado do gradiente de protões. Os protões presentes no lúmen têm três origens: a fotólise da água que ocorre no fotossistema II e liberta oxigénio, protões e eletrões; protões provenientes da transferência de eletrões do fotossistema II para a a plastoquinona na fotofosforilação não cíclica consome dois protões do estroma que são depois libertados no lúmen quando a plastoquinona é oxidada; e por último, a redução das plastoquinona pela ferredoxina durante a fotofosforilação cíclica promove a transferência de protões do estroma para o lúmen. Também responsável pelo gradiente protónico é a redução do NADP⁺ para NADPH pela NADP redutase.

A diferença de pH entre interior e exterior do tilacóide promove o transporte passivo por difusão simples dos protões de volta ao exterior do tilacóide, através de canais de proteínas membranares, as sintetases de ATP. Assim, o movimento dos protões através das sintetases de ATP permite usar a energia da cadeia transportadora de eletrões para formar ATP a partir de ADP + P_i.

Fase independente da luz

A esta segunda fase da fotossíntese corresponde o Ciclo de Calvin-Benson onde ocorre fixação de CO₂ com formação de um primeiro composto orgânico com 3 carbonos – denominando-se as plantas com este metabolismo plantas C3 – e como composto final a glicose. Estas reações ocorrem no estroma do cloroplasto onde se encontram a maior parte das enzimas.

O CO₂ captado do meio combina-se com uma pentose, a ribulose difosfato ou RuDP (a RuDP é uma molécula orgânica com cinco carbonos - 5C), originando um composto intermédio instável de seis carbonos, que rapidamente forma duas moléculas com três carbonos – ácido fosfoglicérico ou PGA (o PGA possui 3 carbono, 3C e 2 fosfato, 2P). Estas reações de fixação de CO₂ são catalisadas pela enzima ribulose difosfato carboxilase-oxidase (RuBisCo). As moléculas de PGA são fosforiladas pelo ATP e posteriormente reduzidas pelo NADPH proveniente da fase fotodependente, formando o aldeído fosfoglicérico (PGAL, com 3C e 1P). As reações seguintes do ciclo têm como objetivo produzir mais RuDP e moléculas orgânicas mais complexas, como a glicose. Por cada 12 moléculas de PGAL formadas, 10 serão utilizadas para regenerar RuDP e as duas restantes para sintetizar compostos orgânicos mais complexos (glicose e outros glícidos). O PGAL pode também ser convertido noutros compostos orgânicos como lípidos (glicerol e ácidos gordos) ou prótidos (aminoácidos).

Equação global da reação da fase independente da luz:

6 CO₂ + 12 NADPH₂ + 18 ATP → 12 NADP + 18 ADP + 18 P + 6 H₂O + C₆H₁₂O₆

Os produtos resultantes do ciclo de Calvin-Benson são fundamentais para a dinâmica da biosfera. Muita da energia armazenada nos compostos orgânicos produzidos é utilizada pelas próprias plantas através de processos metabólicos como a glicólise e a respiração celular. E pelos animais e outros consumidores através da ingestão dos organismos fotossintéticos.

Como referido anteriormente, embora se denomine fase escura à fase em que decorre o ciclo de Calvin-Benson, a luz é crucial uma vez que a principal enzima responsável pelo processo, a RuBisCo, é fotodependente. As suas propriedades são muito semelhantes em todos os organismos fotossintéticos, desde as bactérias às angiospérmicas (plantas com flor), mas algumas dessas propriedades são limitativas da sua atividade. Para ultrapassar estas limitações os organismos desenvolveram formas alternativas: a fotorespiracão onde o substrato da RuBisCo é o oxigénio e não o dióxido de carbono, e mecanismos e anatomias diferentes de compensação.

1. Fotorespiração

A enzima RuBisCo, tal como o próprio nome indica – ribulose difosfato carboxilase-oxidase, tem como substratos o CO₂ e o O₂. Durante o ciclo de Calvin-Benson na fotossíntese a RuBisCo catalisa a reação entre o CO₂ e o RUDP, enquanto que na fotorespiração o substrato é o O₂ numa reação que também é dependente da luz.

O funcionamento da RuBisCo como oxigenase é favorecido a altas temperaturas (em média temperaturas superiores a 28ºC), quando os níveis de CO₂ são baixos ou os níveis de O₂ elevados. A primeira reação entre a RUDP e O₂ resulta em dois compostos: o fosfoglicolato e o fosfoglicerato, ambos com 2 carbonos. O fosfoglicerato reentra no ciclo de Calvin-Benson e é convertido em RUDP. O fosfoglicolato segue outro percurso. Primeiro é transportado para o exterior do cloroplasto para os peroxissomas, onde é oxidado pelo O₂, resultando em glicoxilato que é transportado para as mitocôndrias. Nas mitocôndrias sofre algumas transformações com libertação de CO₂, sendo convertido em serina e posteriormente em glicerato já novamente no interior dos peroxissomas. Na forma de glicerato pode reentrar no cloroplasto e concluir o ciclo de Calvin-Benson, com a formação de RUDP.

A fotorespiração é um processo metabólico de elevado custo energético (consome 2 ATP e um NADPH) e pouco eficiente quando comparado com a atividade da RuBisCo carboxilase. Outra desvantagem da fotorespiracão é que um dos produtos resultantes é a amónia, composto tóxico cuja reciclagem consome grandes quantidades de energia celular.

2. Plantas C4

As plantas C4, que vivem em ambientes secos e quentes, ao contrario das plantas C3 descritas anteriormente na fotossíntese “normal” produzem compostos orgânicos com 4 carbonos, em vez de 3, como primeiros produtos da fixação do CO₂ durante o ciclo de Calvin-Benson. As plantas C4 possuem um ciclo de Calvin-Benson em tudo semelhante ao anteriormente descrito para as plantas C3, apenas com uma reação prévia extra que fixa o CO₂ sem perder carbono para a fotorespiração, aumentando a eficiência da fotossíntese.

Sob condições extremas de elevada aridez e altas temperaturas, as plantas C4 como o milho e a cana do açúcar, mantêm elevadas taxas de fotossíntese e crescimento, mesmo quando os seus estomas têm de fechar durante o dia para reduzir a perda de água.

A grande diferença entre a s C3 e as C4 é que estas últimas possuem uma enzima PEP carboxilase (fosfoenolpiruvato carboxilase) que catalisa a reação entre o PEP e o CO₂ resultando num primeiro composto de 4 carbonos, o oxaloacetato. A PEP carboxilase tem maior afinidade para o CO₂ do que a RuBisCo, permitindo uma fixação mais eficiente do CO₂ pelas plantas C4 do que as C3. Como não possuem a função de oxigenase, estas plantas não podem efetuar fotorespiração. Todo este processo decorre em dois locais diferentes da planta – as plantas em C3 têm apenas um tipo de células capazes de efetuar fotossíntese, as células dos mesófilo – nas células do mesófilo e nas células da bainha do feixe – as plantas em C3 têm apenas um tipo de células capazes de efetuar fotossíntese, células do mesófilo. A reação que produz o composto de 4 carbonos ocorre nas células da bainha do feixe, e antes de ser capturado pela RuBisCo para o mesóflo perde um grupo carboxilo.

As células da bainha do feixe são caraterizadas por terem o grana pouco desenvolvido e serem ricas em amido. As células do mesófilo transferem CO₂ dos espaços intercelulares da folha onde a concentração é baixa para as células da bainha do feixe, para que a concentração seja suficientemente alta para manter ativa a fotossíntese mesmo em dias quentes e secos em que os estomas fecham e a temperatura favorece a atividade da RuBisCo oxigenase em vez da carboxilase. Porque a fotossíntese é mais eficiente nas plantas C4, estas são normalmente mais produtivas para a agricultura (por exemplo, o milho).

3. Plantas CAM

Algumas plantas estão adaptadas a ambientes áridos, com pouca água disponível. Estas plantas utilizam a enzima PEP carboxilase para fixar e acumular o CO₂ enquanto evitam a perda de água durante o dia com elevadas temperaturas e muito baixa humidade relativa do ar. Algumas plantas suculentas da família das Crassuláceas, alguns catos, e muitas angiospérmicas, utilizam como estratégia o metabolismo ácido das Crassuláceas – CAM.

Para evitarem perdas de água por evaporação mantêm os estomas fechados durante o dia. Para realizar a fotossíntese estas plantas abrem os estomas à noite e armazenam o CO₂ capturado. O mecanismo CAM é semelhante ao das plantas C4: a primeira fixação do CO₂ é num composto com 4 carbonos mas o processo de fixação inicial do CO₂; contudo o ciclo de Calvin-Benson ocorre separado no espaço (nas plantas em C4) ou no tempo (nas plantas CAM). A fixação CO₂ ocorre durante a noite nas células do mesófilo, quando os estomas estão abertos e há muito pouca perda de água. Os produtos da fixação do CO₂ são acumulados nos vacúolos das células do mesófilo. Durante o dia os compostos orgânicos de 4 carbonos são transportados para os cloroplastos onde são descarboxilados fornecendo o CO₂ necessário para o ciclo de Calvin-Benson. O ATP e o NADPH + H⁺ são provenientes das reações fotoquímicas da fotossíntese.

Tabela comparativa da fotossíntese em plantas C3 e C4

	Plantas C3	Plantas C4
Fotorespiração	Sim	Sim, mas mínima
Ciclo Calvin-Benson	Sim	Sim
Composto que reage com o CO2 no ciclo de Calvin-Benson	RUDP (ribulose difosfato)	PEP (fosfoenol piruvato)
Enzima fixadora do CO2	RuBisCo (carboxilase e oxigenase)	PEP carboxilase
Primeiro produto da fixação do CO2	Ácido fosfoglicérico (composto de 3 carbonos)	Oxaloacetato (composto de 4 carbonos)
Células fotossintéticas	Células do mesófilo	Células do mesófilo e células da bainha do feixe

Em resumo:

Fase fotoquímica:

H₂O + 4 H⁺ + NADP⁺ + ADP + P_i → NADPH + H⁺ + ATP + ½ O₂ + calor

• conversão de energia luminosa em energia química
• oxidação da água
• fosforilação de ADP formando-se ATP
• redução de NADP⁺ a NADPH, por ação do hidrogénio libertado durante a fotólise da água

Fase química:

6 CO₂ + 12 NADPH₂ + 18 ATP → 12 NADP + 18 ADP + 18P + 6 H₂O + C₆H₁₂O₆

• fixação do CO₂
• regeneração da ribulose difosfato (RuDP)
• utilização da energia química do ATP e do poder redutor do NADPH na produção de compostos orgânicos

Materiais relacionados disponíveis na Casa das Ciências:

1. Catabolismo, quais as fases do catabolismo?
2. Explorando a fotossíntese com discos de folhas flutuantes, ... experimentando ... a fotossíntese
3. O atividades laboratoriais com seres e pigmentos fotossintéticos.
4. O Oxigénio na Fotossíntese, veja, passo a passo, o que acontece no tilacoide
5. Fotossíntese III, É simples a Fotossíntese (!)
6. Fotossíntese - Fotossistema II, veja as reações que se dão no Fotossistema II dos cloroplastos
7. Fotossíntese - Fase fotoquímica, veja em detalhe o que acontece nas reações de luz da fotossíntese
8. Fotossíntese-AAlexandre, veja a Fotossíntese de forma animada e simples.
9. Glicólise, como se dá a degradação da glicose na célula