O documento descreve os processos de nutrição autotrófica em seres vivos, especificamente a fotossíntese e a quimiossíntese. Discorre sobre a captação de energia, os pigmentos fotossintéticos, a produção e uso do ATP, e os ciclos envolvidos na incorporação do dióxido de carbono na síntese de compostos orgânicos. Experimentos históricos são citados para elucidar os mecanismos envolvidos.

1. Margarida Barbosa Teixeira OBTENÇÃO DE MATÉRIA PELOS SERES AUTOTRÓFICOS

2. Nutrição autotrófica Os seres autotróficos utilizam uma fonte de energia externa para produzirem compostos orgânicos a partir de substâncias minerais. Energia luminosa Energia química Plantas, alguns protistas (algas) e algumas bactérias Algumas bactérias

3. ATP – fonte de energia nas células Na fotossíntese e na quimiossíntese, a produção de ATP é fundamental para a produção de compostos orgânicos. As células não conseguem utilizar directamente a energia luminosa nem a energia química dos compostos inorgânicos. A fonte de energia directamente utilizável pelas células é o composto ATP – Adenosina trifosfato.

4. ATP – fonte de energia nas células AMP + P  ADP ADP + P  ATP AMP - Adenosina monofosfato ADP - Adenosina difosfato ATP - Adenosina trifosfato

5. ATP – fonte de energia nas células As moléculas de ATP são a forma mais comum de circulação de energia numa célula, pois podem ser facilmente hidrolisadas.

6. ATP – fonte de energia nas células

7. ATP – fonte de energia nas células As moléculas de ATP são compostos intermediários que transferem energia de um tipo de reacção para outro.

8. Fotossíntese Processo utilizado pelos seres fotoautotróficos para a produção de matéria orgânica, a partir de água, dióxido de carbono e energia solar.

9. Fotossíntese

10. Fotossíntese

11. Estruturas envolvidas na fotossíntese Nas plantas, as folhas são os órgãos fotossintéticos mais importantes. A fotossíntese ocorre nos cloroplastos das folhas, onde existe uma grande quantidade de pigmentos fotossintéticos.

12. Estruturas envolvidas na fotossíntese

13. Estruturas envolvidas na fotossíntese Corte transversal de uma folha

14. Estruturas envolvidas na fotossíntese Ultra estrutura do cloroplasto É na membrana dos tilacóides que se localizam os pigmentos fotossintéticos

15. Extracção e separação dos pigmentos fotossintéticos Das folhas de espinafre sujeitas à extracção de pigmentos por trituração com solvente orgânico e areia fina, foi obtido um extracto de clorofila bruta.

16. Cromatografia Técnica de separação dos constituintes de uma mistura atendendo a propriedades como a solubilidade, tamanho e massa. Os pigmentos são separados em função da solubilidade das moléculas e da aderência destes ao papel cromatográfico. As moléculas com maior solubilidade e/ou menor peso molecular percorrem uma maior distância no papel do que as moléculas com menor solubilidade e/ou maior peso molecular. Verte-se a clorofila bruta sobre a placa de Petri onde é colocado, na vertical, o papel de filtro dobrado em ângulo. Observa-se a ascensão do solvente (acetona) e dos pigmentos fotossintéticos. Extracção e separação dos pigmentos fotossintéticos

17. As folhas possuem diferentes tipos de pigmentos: Carotenos - laranja Xantófilas - amarela Clorofila a – verde intensa Clorofila b – verde-amarelada Extracção e separação dos pigmentos fotossintéticos As clorofilas são responsáveis pela cor verde, característica de muitas plantas, pois existem em maior número do que os carotenóides. No Outono, muitas folhas perdem a sua cor verde, devido a alterações das clorofilas, apresentando os tons laranja e amarelo dos carotenóides.

18. Captação da energia luminosa A energia radiante do sol é formada por radiações de diferentes comprimentos de onda, constituindo o espectro solar.

19. Captação da energia luminosa Os pigmentos existentes nas membranas dos tilacóides, no interior dos cloroplastos, absorvem as radiações do espectro de luz visível.

20. Captação da energia luminosa Espectro de absorção dos pigmentos fotossintéticos Capacidade de absorção de uma radiação, por um pigmento, em função do respectivo comprimento de onda.

21. Captação da energia luminosa Experiência de Engelmann (1883) Quais os comprimentos de onda eficazes no processo de fotossíntese? Engelmann fez uma preparação com espirogira (alga verde filamentosa) e bactérias aeróbias (gastam O 2 na respiração). A preparação foi colocada num microscópio apetrechado com um prisma óptico no sistema de iluminação. Inicialmente as bactérias estavam dispersas uniformemente na preparação.

22. Captação da energia luminosa As bactérias passaram a estar mais concentradas nas zonas onde incidiam as radiações de comprimento de onda correspondente ao azul-violeta e laranja-vermelho. Experiência de Engelmann

23. Captação da energia luminosa Conclusão: As radiações mais eficazes para a fotossíntese são as radiações correspondentes às faixas azul -violeta e vermelho-laranja. As bactérias deslocaram-se para as zonas onde há maior libertação de oxigénio. Nestas zonas a intensidade fotossintética é maior. Experiência de Engelmann

24. Captação da energia luminosa Espectro de acção da fotossíntese Eficiência fotossintética em função do comprimento de onda das radiações absorvidas

25. Captação da energia luminosa Os picos de absorção correspondem às radiações das zonas violeta-azul e vermelho-laranja. É nas zonas de comprimento de onda correspondentes ao violeta-azul e vermelho-laranja que se verificam taxas mais elevadas de fotossíntese.

26. Captação da energia luminosa Nas plantas os pigmentos mais importantes na realização da fotossíntese são a clorofila a e a clorofila b , pigmentos verdes que absorvem radiações correspondentes às faixas violeta-azul e vermelho-laranja, reflectindo principalmente radiações correspondentes à faixa verde; por isso, são verdes. As radiações correspondentes às faixas violeta-azul e vermelho-laranja são as mais eficazes na fotossíntese das plantas porque são as mais absorvidas.

27. Relação entre os materiais utilizados na fotossíntese e os produtos resultantes As bactérias sulfurosas são anaeróbias. Na fotossíntese utilizam sulfureto de hidrogénio (H 2 S). Na presença de CO 2 sintetizam compostos orgânicos e libertam enxofre. Experiência de Van Niel (1930) Comparou as equações gerais da fotossíntese em bactérias sulfurosas e em plantas: CO 2 + 2H 2 S  (CH 2 O) + 2S + H 2 O CO 2 + 2H 2 O  (CH 2 O) + O 2 + H 2 O O oxigénio libertado pelas plantas e algas na fotossíntese provem da água.

28. Relação entre os materiais utilizados na fotossíntese e os produtos resultantes Experiência de Rubem e Hamen (1940…) O oxigénio libertado na fotossíntese provem da água. Confirma a experiência de Van Niel. O oxigénio da água não é utilizado na síntese dos compostos orgânicos. Colocaram uma suspensão de algas do género Chlorella em água marcada com o isótopo de oxigénio 18 O 2 e expuseram-nas à luz. Recolheram o oxigénio que se libertava e verificaram que se tratava de 18 O 2 . Este isótopo não aparecia nos compostos orgânicos sintetizados.

29. Relação entre os materiais utilizados na fotossíntese e os produtos resultantes Experiência de Gaffron (1951) Introduziram numa suspensão de algas, fortemente iluminada, CO 2 radioactivo ( 14 CO 2 ) . Após 10 minutos à luz, colocaram a suspensão de algas na obscuridade. Verificaram que o CO 2 continuava a ser incorporado durante 15 a 20 segundos. Se a iluminação inicial não ocorrer ou se for reduzida a menos de 10 minutos cessa a fixação de CO 2 , após as algas serem transferidas para a obscuridade.

30. Relação entre os materiais utilizados na fotossíntese e os produtos resultantes Experiência de Gaffron (1951) A fixação de CO 2 decorre na obscuridade, desde que previamente a alga tenha estado à luz. A energia luminosa não intervém directamente na fixação de CO 2 . O CO 2 intervém na formação dos compostos orgânicos produzidos no decurso da fotossíntese.

31. Relação entre os materiais utilizados na fotossíntese e os produtos resultantes Experiência de Calvin (1950…) Colocaram uma suspensão de algas do género Chlorella num reservatório iluminado onde borbulhava ar enriquecido em CO 2 . Daí as algas passavam para uma tubagem transparente por acção de uma bomba, até um banho de álcool em ebulição. Injectaram CO 2 radioactivo ( 14 CO 2 ) em pontos variáveis da tubagem, de modo a fazer variar a exposição das algas ao carbono radioactivo.

32. Relação entre os materiais utilizados na fotossíntese e os produtos resultantes Experiência de Calvin (1950…) Extraíram e identificaram produtos formados em diferentes momentos. Comparando os resultados, reconstituíram a ordem de aparecimento das diferentes substâncias orgânicas após a fixação de 14 CO 2 . O CO 2 intervém na formação das moléculas orgânicas produzidas no decurso da fotossíntese. No processo fotossintético o CO 2 é incorporado em sucessivas e diferentes moléculas orgânicas.

33. Mecanismo da Fotossíntese A fotossíntese compreende duas fases sucessivas: Fase fotoquímica – as reacções dependem da luz. Fase química - as reacções não dependem directamente da luz.

34. Mecanismo da Fotossíntese Reacção de redução – por ganho de iões hidrogénio e de electrões. Reacção de oxidação – por perda de iões hidrogénio e de electrões. Transportador de Hidrogénio – T T + 2H + + 2e TH 2 NADP + – Transportador de hidrogénio que intervém na fotossíntese. NADP + - transportador de hidrogénio na forma oxidada (T). NADPH - transportador de hidrogénio na forma reduzida (TH 2 ) .

35. Mecanismo da Fotossíntese Fase Fotoquímica - fase dependente directamente da luz A energia luminosa absorvida pelos pigmentos fotossintéticos permite: - Fotólise da água (oxidação) H 2 O  2H + + 2e - + ½ O 2 - Redução de transportadores de hidrogénios NADP + + 2H + + 2e -  NADPH + H + Estas reacções de oxidação-redução mobilizam energia que permite a fosforilação de ADP em ATP. ADP + Pi + energia  ATP + H 2 O

36. Mecanismo da Fotossíntese NADP + + 2H + + 2e -  NADPH + H + H 2 O  2H + + 2e - + ½ O 2 ADP + Pi + energia  ATP + H 2 O Fase Fotoquímica Síntese de NADPH e ATP Fase Química NADPH + H +  NADP + + 2H + + 2e - ATP + H 2 O  ADP + Pi + energia Oxidação de NADPH  H + e e - Hidrólise de ATP  energia Necessários à incorporação de CO 2 em glicose

37. Mecanismo da Fotossíntese Fase Química (Ciclo de Calvin) - fase não dependente directamente da luz Incorporação de CO 2 por moléculas de 5 carbonos (pentoses), formando-se moléculas de 3 carbonos (trioses). A oxidação de transportadores de hidrogénio (NADPH) permite a redução de moléculas intermediárias do ciclo . A hidrólise do ATP fornece energia para a síntese das moléculas orgânicas.

38. Mecanismo da Fotossíntese Fase Química (Ciclo de Calvin) - fase não dependente directamente da luz Parte das trioses são utilizadas na regeneração de moléculas aceptoras de CO 2 (pentoses). A partir das moléculas intermediárias do ciclo forma-se glicose (na fotossíntese) e outras moléculas orgânicas (noutras biossínteses), tais como aminoácidos e ácidos gordos.

39. Mecanismo da Fotossíntese

40. Quimiossíntese A quimiossíntese compreende duas fases sucessivas: Fase das reacções de oxirredução. Ciclo das Pentoses ou Ciclo do Carbono.

41. Quimiossíntese A oxidação de substratos minerais permite: - Redução de transportadores de hidrogénios, - Mobilização de energia que permite a fosforilação de ADP em ATP. Fase das reacções de oxirredução É usada a energia proveniente da oxidação de compostos minerais . Os compostos minerais são os dadores primários de electrões.

42. Quimiossíntese Incorporação de CO 2 por moléculas orgânicas que intervêm nas reacções cíclicas. A hidrólise do ATP fornece energia para a síntese das moléculas orgânicas. A oxidação de transportadores de hidrogénio (NADPH) permite a redução de moléculas intermediárias do ciclo e consequentemente a síntese de glicose. Ciclo do Carbono ou Ciclo das pentoses

43. Quimiossíntese As fontes hidrotermais dos fundos oceânicos emitem águas ricas em sulfureto de enxofre. Nestas zonas existem bactérias sulfurosas que utilizam a energia química resultante da oxidação do sulfureto de hidrogénio para incorporar o CO2 na síntese de compostos orgânicos. Estas bactérias sulfurosas permitem a instalação de ecossistemas ricos e variados.

44. Fotossintese e Quimiossíntese Semelhanças Síntese de compostos orgânicos a partir de compostos inorgânicos. 1ª etapa - Redução de transportadores de hidrogénios . Mobilização de energia que permite a síntese de ATP. 2ª etapa Processo cíclico em que ocorre: - fixação de CO2, - oxidação dos transportadores e redução de moléculas intermediárias das reacções cíclicas, - hidrólise do ATP, - síntese de compostos orgânicos.

45. Fotossintese e Quimiossíntese Diferenças Fonte de energia que desencadeia o processo : Fotossíntese - energia luminosa absorvida pelos pigmentos fotossintéticos. Quimiossíntese - energia química resultante da oxidação de substratos minerais . Fonte de hidrogeniões e de electrões . Fotossíntese - protões e electrões provêm da água. Quimiossíntese - protões e electrões provêm da oxidação dos compostos minerais (não há intervenção de água).