Fotossíntese e quimiossíntese

A fotossíntese só faz sentido quando encarada como um processo redox completo, não como uma simples troca de gases. Na fase clara, a clorofila excitada perde elétrons para a cadeia transportadora, gerando NADPH e ATP; para repor esses elétrons, o fotossistema II promove a fotólise da água, quebrando 2 H₂O em 4 H⁺, 4 elétrons e 1 O₂.

Os cloroplastos são organelas semiautônomas cuja origem remonta à endossimbiose de uma cianobactéria ancestral fagocitada por uma célula eucariótica heterotrófica, o que explica seu DNA circular (o DNA plastidial) e ribossomos 70S, semelhantes aos bacterianos — evidência de hereditariedade extranuclear, já que o cloroplasto se divide independentemente e é transmitido quase sempre por via materna. Cada cloroplasto é delimitado por um envelope de dupla membrana e preenchido pelo estroma, onde mergulham um sistema de membranas internas que formam os tilacoides; estes podem organizar-se em pilhas chamadas granum, interligadas por lamelas do estroma.

Além dos tilacoides, o estroma contém grãos de amido (produto da fotossíntese), plastoglóbulos — gotículas que armazenam lipídios para a manutenção das membranas tilacoidais — e enzimas do ciclo de Calvin, como a RuBisCO.

Vale lembrar ainda os clássicos experimentos de Engelmann e de Calvin: o primeiro revelou que as algas fotossintetizam preferencialmente na luz vermelha e azul, e o segundo mapeou, com carbono-14, a fixação do CO₂ no estroma, provando que a etapa química ocorre fora dos tilacoides.

Os pigmentos fotossintéticos são moléculas capazes de absorver energia luminosa e transferi-la para os centros de reação, onde ela é convertida em energia química — por isso, a cor que enxergamos em uma folha corresponde justamente à luz que ela não absorve, e sim reflete. Cada pigmento tem um espectro de absorção próprio, com picos em comprimentos de onda específicos: a clorofila a, por exemplo, absorve intensamente na faixa do azul-violeta (cerca de 430 nm) e na do vermelho (cerca de 660 nm), o que explica por que a luz verde, situada entre esses picos, é pouco aproveitada e acaba refletida — daí o verde característico das plantas. Além disso, a clorofila a é a única que participa diretamente da conversão de energia no centro de reação, enquanto os demais pigmentos atuam como antenas acessórias que ampliam a eficiência da captação.

Por trás desse padrão espectral há uma explicação quântica e molecular: cada pigmento possui um sistema de duplas ligações conjugadas em sua estrutura, e a extensão desse sistema determina exatamente quais comprimentos de onda ele consegue captar. A clorofila a, pigmento central, tem picos de absorção próximos de 430 nm (região do azul-violeta, na forma de clorofila a in vivo) e 662 nm (vermelho), enquanto a clorofila b desloca esses picos para cerca de 453 nm e 642 nm, ampliando a janela de captação do complexo antena. Já os carotenoides, como o betacaroteno e as xantofilas, absorvem sobretudo na faixa do azul-violeta, cobrindo a lacuna deixada entre os dois picos da clorofila; além disso, exercem papel fotoprotetor, dissipando o excesso de energia e evitando a formação de espécies reativas de oxigênio quando a luz é intensa demais.

A etapa fotoquímica ocorre nas membranas dos tilacoides, onde se organizam os fotossistemas II e I, complexos proteicos com pigmentos capazes de captar fótons. Quando a luz incide sobre o fotossistema II (P680), a clorofila perde elétrons excitados, que seguem por uma cadeia transportadora até o fotossistema I (P700), transferidos pelo complexo citocromo b6f; esse percurso libera energia usada para bombear prótons para o interior do tilacoide, criando um gradiente de prótons que a ATP sintase converte em ATP, processo chamado fotofosforilação. Como o P680 ficou sem elétrons, a enzima complexo de quebra da água realiza a fotólise, dividindo $\mathrm{H_2O}$ em prótons, elétrons e $\mathrm{O_2}$ — este último difunde-se para fora da célula.

No fotossistema I, os elétrons reenergizados são transferidos à ferredoxina e depois ao NADP⁺, formando NADPH pela ação da NADP⁺ redutase.

A etapa química da fotossíntese, também chamada de ciclo de Calvin-Benson ou ciclo das pentoses, ocorre no estroma do cloroplasto e é responsável pela conversão do CO₂ em carboidratos, utilizando o ATP e o NADPH gerados na fase fotoquímica; seu caráter "escuro" é apenas didático, pois a luz não age diretamente sobre as reações, mas indiretamente ao alimentar a fase clara, de modo que o ciclo cessa na ausência de luz. O processo se divide em três momentos: fixação, redução e regeneração. Na fixação, a enzima rubisco (ribulose-1,5-bifosfato carboxilase-oxigenase) catalisa a união do CO₂ à ribulose-1,5-bifosfato (RuBP), uma pentose de cinco carbonos, formando um composto instável de seis carbonos que se rompe imediatamente em duas moléculas de 3-fosfoglicerato (3-PGA), cada uma com três carbonos; por isso o ciclo também é chamado de via C₃.

Na redução, cada 3-PGA recebe um grupo fosfato do ATP (formando 1,3-bifosfoglicerato) e é reduzido pelo NADPH a gliceraldeído-3-fosfato (G3P), com liberação de fosfato inorgânico; essa é a etapa em que a energia luminosa, convertida em poder redutor e ATP, efetivamente entra na matéria orgânica. Na regeneração, a maior parte do G3P (5 de cada 6 moléculas) consome mais ATP para reconstituir a RuBP, fechando o ciclo; apenas uma molécula de G3P sobra a cada três voltas, e são necessárias seis voltas para produzir um açúcar de seis carbonos (glicose), o que exige 18 ATP e 12 NADPH.

Em síntese, entender a etapa química exige articular três ideias centrais — a fixação do CO₂ pela rubisco, o gasto energético vindo da fase clara e a regeneração da RuBP —, e as provas costumam testar justamente essa articulação, mais do que a memorização de nomes isolados.

A resposta da fotossíntese à luz não é linear nem idêntica em todos os organismos, pois depende de como a energia luminosa captada pelos fotossistemas se converte em ATP e NADPH e de como esses produtos são consumidos no ciclo de Calvin; quando a luz cresce, mais elétrons fluem pela cadeia transportadora nos tilacoides, o que eleva a produção de ATP e NADPH e, por consequência, a fixação de CO₂ pela Rubisco, mas esse ganho encontra limites impostos pela própria capacidade enzimática e pela disponibilidade de CO₂, e a partir daí a saturação luminosa se estabelece — em plantas de sol, ela costuma ocorrer em intensidades bem mais altas do que em plantas de sombra, que já saturam com pouca luz e por isso não toleram exposição direta prolongada.

Para entender por que o $\mathrm{CO_2}$ limita a fotossíntese, é preciso lembrar que ele é a matéria-prima do ciclo de Calvin, no qual a enzima RuBisCO catalisa a fixação do $\mathrm{CO_2}$ à ribulose-1,5-bisfosfato (RuBP), gerando ácido 3-fosfoglicérico (3-PGA). Quando a concentração de $\mathrm{CO_2}$ cai, a RuBisCO fica ociosa e o ciclo desacelera, mesmo que luz e água estejam sobrando: o $\mathrm{CO_2}$ se torna o reagente limitante da via, segundo a Lei do Mínimo de Liebig, que diz que o crescimento é limitado pelo recurso mais escasso.

Antes de tudo, é preciso entender que a temperatura afeta a fotossíntese por dois mecanismos independentes: o efeito sobre as enzimas do estroma (etapa química) e o efeito sobre a difusão de gases pela folha. Como a etapa química é enzimática, a taxa cresce com a temperatura até um ótimo e cai bruscamente acima dele, por desnaturação. Temperaturas muito altas provocam ainda o fechamento dos estômatos, o que reduz a entrada de $\mathrm{CO_2}$. A partir daí, o raciocínio que as bancas cobram é a leitura da curva em sino: abaixo do ótimo, o fator limitante é a cinética enzimática, que aumenta com o calor; acima do ótimo, o fator limitante passa a ser a própria desnaturação das enzimas, com queda abrupta e irreversível (não confundir com a queda reversível por falta de $\mathrm{CO_2}$).