Bioquímica

A importância da luz para o seres vivos

A importância da luz para o seres vivos
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Como a luz pode ser usada para fazer comida? É fácil pensar na luz como algo que existe e permite que organismos vivos, como seres humanos, vejam, mas a luz é uma forma de energia. Como toda energia, a luz pode viajar, mudar de forma e ser aproveitada para fazer o trabalho. No caso da fotossíntese, a energia da luz é transformada em energia química, que os autotróficos usam para construir moléculas de carboidratos. No entanto, os autotróficos usam apenas um componente específico da luz solar ( Figura ).

Uma foto mostra a silhueta de uma planta gramínea contra o sol ao pôr do sol.
Os autótrofos captam a energia da luz do sol, convertendo-a em energia química usada para construir moléculas de alimento. (crédito: modificação do trabalho por Gerry Atwell, Serviço de Pesca e Vida Selvagem dos EUA)

O que é energia luminosa?

O sol emite uma enorme quantidade de radiação eletromagnética (energia solar). Os seres humanos podem ver apenas uma fração dessa energia, que é chamada de “luz visível”. A maneira pela qual a energia solar viaja pode ser descrita e medida como ondas.

Os cientistas podem determinar a quantidade de energia de uma onda medindo seu comprimento de onda , a distância entre dois pontos consecutivos semelhantes em uma série de ondas, como de crista a crista ou vale a vale ( Figura ).

Esta ilustração mostra duas ondas. A distância entre as cristas (mostrada como a parte mais alta, em contraste com a calha na parte inferior) é o comprimento de onda.
O comprimento de onda de uma única onda é a distância entre dois pontos consecutivos ao longo da onda.

A luz visível constitui apenas um dos muitos tipos de radiação eletromagnética emitida pelo sol. O espectro eletromagnético é o alcance de todos os possíveis comprimentos de onda de radiação ( Figura ). Cada comprimento de onda corresponde a uma quantidade diferente de energia transportada.

Esta ilustração lista os tipos de radiação eletromagnética em ordem decrescente de comprimento de onda. Estes são raios gama, raios-X, ultravioleta, visível, infravermelho e rádio
O sol emite energia na forma de radiação eletromagnética. Essa radiação existe em diferentes comprimentos de onda, cada qual com sua própria energia característica. A luz visível é um tipo de energia emitida pelo sol.

Cada tipo de radiação eletromagnética tem uma gama característica de comprimentos de onda. Quanto mais longo for o comprimento de onda (ou quanto mais alongado ele aparecer), menos energia será transportada.

Ondas curtas e apertadas carregam mais energia. Isso pode parecer ilógico, mas pense nisso em termos de um pedaço de corda em movimento. É preciso pouco esforço de uma pessoa para mover uma corda em ondas longas e largas. Para fazer uma corda se mover em ondas curtas e apertadas, uma pessoa precisaria aplicar significativamente mais energia.

O sol emite ( Figura ) uma ampla faixa de radiação eletromagnética, incluindo raios X e raios ultravioleta (UV). As ondas de alta energia são perigosas para as coisas vivas; por exemplo, os raios X e os raios UV podem ser prejudiciais aos seres humanos.

Veja também:

Absorção de Luz

A energia da luz entra no processo de fotossíntese quando os pigmentos absorvem a luz. Nas plantas, as moléculas de pigmento absorvem apenas a luz visível para a fotossíntese. A luz visível vista pelos humanos como luz branca realmente existe em um arco-íris de cores.

Certos objetos, como um prisma ou uma gota de água, dispersam a luz branca para revelar essas cores ao olho humano. A porção de luz visível do espectro eletromagnético é percebida pelo olho humano como um arco-íris de cores, com violeta e azul tendo comprimentos de onda mais curtos e, portanto, maior energia. No outro extremo do espectro em direção ao vermelho, os comprimentos de onda são mais longos e têm menor energia.

Noções básicas sobre pigmentos

Diferentes tipos de pigmentos existem, e cada um absorve apenas certos comprimentos de onda (cores) da luz visível. Os pigmentos refletem a cor dos comprimentos de onda que eles não conseguem absorver.

Todos os organismos fotossintéticos contêm um pigmento chamado clorofila a , que os humanos vêem como a cor verde comum associada às plantas. A clorofila a absorve os comprimentos de onda de qualquer das extremidades do espectro visível (azul e vermelho), mas não do verde. Porque o verde é refletido, a clorofila parece verde.

Outros tipos de pigmentos incluem clorofila b (que absorve a luz azul e vermelho-laranja) e os carotenóides. Cada tipo de pigmento pode ser identificado pelo padrão específico de comprimentos de onda que ele absorve da luz visível, que é seu espectro de absorção .

Muitos organismos fotossintéticos possuem uma mistura de pigmentos; entre eles, o organismo pode absorver energia de uma faixa mais ampla de comprimentos de onda da luz visível. Nem todos os organismos fotossintéticos têm acesso total à luz solar.

Alguns organismos crescem debaixo d’água, onde a intensidade da luz diminui com a profundidade, e certos comprimentos de onda são absorvidos pela água. Outros organismos crescem em competição pela luz. Plantas no chão da floresta tropical devem ser capazes de absorver qualquer pedacinho de luz, porque as árvores mais altas bloqueiam a maior parte da luz do sol ( Figura ).

Esta foto mostra o mato em uma floresta.
As plantas que comumente crescem na sombra se beneficiam de ter uma variedade de pigmentos que absorvem luz. Cada pigmento pode absorver diferentes comprimentos de onda de luz, o que permite que a planta absorva qualquer luz que passe através das árvores mais altas. (crédito: Jason Hollinger)

Como funcionam as reações dependentes da luz

O objetivo geral das reações dependentes da luz é converter a energia da luz em energia química. Essa energia química será usada pelo ciclo de Calvin para abastecer a montagem de moléculas de açúcar.

As reações dependentes de luz começam em um agrupamento de moléculas de pigmento e proteínas chamado de fotossistema . Existem fotossistemas nas membranas dos tilacóides. Uma molécula de pigmento no fotossistema absorve um fóton , uma quantidade ou “pacote” de energia luminosa, de cada vez.

Um fóton de energia luminosa viaja até atingir uma molécula de clorofila. O fóton faz com que um elétron na clorofila se torne “excitado”. A energia dada ao elétron permite que ele se liberte de um átomo da molécula de clorofila. Portanto, diz-se que a clorofila “doa” um elétron ( Figura ).

Para substituir o elétron na clorofila, uma molécula de água é dividida. Essa divisão libera um elétron e resulta na formação de oxigênio (O 2 ) e íons hidrogênio (H + ) no espaço tilacoide. Tecnicamente, cada quebra de uma molécula de água libera um par de elétrons e, portanto, pode substituir dois elétrons doados.

Esta ilustração mostra o fotossistema II, que possui um complexo de coleta de luz ao redor do centro de reação. Moléculas de clorofila são encontradas no complexo de coleta de luz. No centro de reação, um elétron excitado é passado para o aceptor primário de elétrons. Uma molécula de água é dividida, liberando um oxigênio, dois prótons e um elétron. O elétron substitui o doado ao principal aceptor de elétrons.
A energia luminosa é absorvida por uma molécula de clorofila e é passada por um caminho para outras moléculas de clorofila. A energia culmina em uma molécula de clorofila encontrada no centro de reação. A energia “excita” um de seus elétrons o suficiente para deixar a molécula e ser transferida para um aceptor de elétrons primários próximo. Uma molécula de água se divide para liberar um elétron, que é necessário para substituir o doado. O oxigênio e os íons de hidrogênio também são formados pela divisão da água.

A substituição do elétron permite que a clorofila responda a outro fóton. As moléculas de oxigênio produzidas como subprodutos encontram seu caminho para o ambiente circundante. Os íons de hidrogênio desempenham papéis críticos no restante das reações dependentes de luz.

Tenha em mente que o propósito das reações dependentes de luz é converter energia solar em transportadores químicos que serão usados ​​no ciclo de Calvin. Em eucariotos e alguns procariotos, existem dois fotossistemas. O primeiro é chamado de fotossistema II, que foi nomeado para a ordem de sua descoberta e não para a ordem da função.

Depois que o fóton é atingido, o fotossistema II transfere o elétron livre para o primeiro de uma série de proteínas dentro da membrana dos tilacoides chamada de cadeia de transporte de elétrons. À medida que o elétron passa ao longo dessas proteínas, a energia do elétron abastece as bombas de membrana que movem ativamente os íons de hidrogênio contra seu gradiente de concentração do estroma para o espaço dos tilacoides.

Isso é bastante análogo ao processo que ocorre na mitocôndria no qual uma cadeia de transporte de elétrons bombeia íons de hidrogênio do estroma mitocondrial através da membrana interna e no espaço intermembranar, criando um gradiente eletroquímico. Depois que a energia é usada, o elétron é aceito por uma molécula de pigmento no próximo fotossistema, que é chamado de fotossistema I ( Figura ).

Esta ilustração mostra os componentes envolvidos nas reações de luz. O fotossistema II usa a luz para excitar um elétron, que é passado para a cadeia de transporte de elétrons do cloroplasto. O elétron é então passado para o fotossistema I e para a NADP + redutase, que faz o NADPH. Este processo forma um gradiente eletroquímico que é usado pela enzima ATP sintase para produzir ATP.
Do fotossistema II, o elétron viaja ao longo de uma série de proteínas. Este sistema de transporte de elétrons usa a energia do elétron para bombear íons de hidrogênio para o interior do tilacoide. Uma molécula de pigmento no fotossistema eu aceito o elétron.

Gerando um transportador de energia: ATP

Nas reações dependentes de luz, a energia absorvida pela luz solar é armazenada por dois tipos de moléculas transportadoras de energia: ATP e NADPH. A energia que essas moléculas carregam é armazenada em uma ligação que contém um único átomo para a molécula.

Para o ATP, é um átomo de fosfato e, para o NADPH, é um átomo de hidrogênio. Lembre-se de que o NADH era uma molécula semelhante que transportava energia na mitocôndria do ciclo do ácido cítrico para a cadeia de transporte de elétrons. Quando essas moléculas liberam energia no ciclo de Calvin, cada uma delas perde os átomos para se tornarem as moléculas ADP e NADP + de menor energia .

O acúmulo de íons de hidrogênio no espaço tilacoide forma um gradiente eletroquímico devido à diferença na concentração de prótons (H + ) e a diferença na carga através da membrana que eles criam. Esta energia potencial é colhida e armazenada como energia química em ATP através de quimiosmose, o movimento de íons de hidrogênio abaixo do seu gradiente eletroquímico através da enzima transmembrana ATP sintase, assim como na mitocôndria.

Os íons de hidrogênio podem passar através da membrana tilacóide através de um complexo proteico incorporado chamado ATP sintase. Esta mesma proteína gerou o ATP do ADP na mitocôndria. A energia gerada pela corrente de íon hidrogênio permite que a ATP sintase ligue um terceiro fosfato ao ADP, que forma uma molécula de ATP em um processo chamado fotofosforilação.

O fluxo de íons de hidrogênio através da ATP sintase é chamado quimiosmose, porque os íons se movem de uma área de alta para baixa concentração através de uma estrutura semipermeável.

Gerando outro transportador de energia: NADPH

A função remanescente da reação dependente da luz é gerar a outra molécula portadora de energia, NADPH. À medida que o elétron da cadeia de transporte de elétrons chega ao fotossistema I, ele é re-energizado com outro fóton capturado pela clorofila.

A energia deste elétron conduz a formação de NADPH de NADP + e um íon de hidrogênio (H + ). Agora que a energia solar é armazenada em portadores de energia, ela pode ser usada para fazer uma molécula de açúcar.

Resumo da seção

Na primeira parte da fotossíntese, a reação dependente de luz, as moléculas de pigmento absorvem energia da luz solar. O pigmento mais comum e abundante é a clorofila a . Um fóton atinge o fotossistema II para iniciar a fotossíntese.

A energia viaja através da cadeia de transporte de elétrons, que bombeia íons de hidrogênio no espaço tilacoide. Isso forma um gradiente eletroquímico. Os íons fluem através da ATP sintase do espaço dos tilacóides para o estroma em um processo chamado quimiosmose para formar moléculas de ATP, que são usadas para a formação de moléculas de açúcar no segundo estágio da fotossíntese.

O fotossistema I absorve um segundo fóton, que resulta na formação de uma molécula NADPH, outra portadora de energia para as reações do ciclo de Calvin.

Referências:

Glossário

espectro de absorção
o padrão específico de absorção de uma substância que absorve radiação eletromagnética
clorofila a
a forma de clorofila que absorve luz azul-violeta e vermelha
clorofila b
a forma de clorofila que absorve luz azul e vermelho-laranja
espectro eletromagnético
o alcance de todas as freqüências possíveis de radiação
fóton
uma quantidade distinta ou “pacote” de energia luminosa
fotossistema
um grupo de proteínas, clorofila e outros pigmentos que são usados ​​nas reações de fotossíntese dependentes de luz para absorver a energia da luz e convertê-la em energia química
Comprimento de onda
a distância entre pontos consecutivos de uma onda

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