A fotossíntese é o processo no qual os seres autotróficos necessitam de energia solar para produzir compostos orgânicos a partir de compostos minerais. Pode-se assim dizer que estes seres convertem energia luminosa em energia química.

Equação da fotossíntese:

O dióxido de carbono e a água são captados a partir do meio ambiente, enquanto que as clorofilas e outras moléculas são sintetizadas pelas plantas. A luz é absorvida pelas clorofilas. O oxigénio e as substâncias orgânicas sintetizadas têm uma importância essencial na manutenção e desenvolvimento dos produtores e nos restantes componentes dos ecossistemas.

A glicose que é produzida pela fotossíntese pode ser polimerizada em glícidos mais complexos como, por exemplo, o amido.

O que são pigmentos fotossintéticos?

Os pigmentos que intervêm na fotossíntese são chamados de pigmentos fotossintéticos que, de uma forma resumida, são moléculas que absorvem radiação eletromagnética (luz) cujo comprimento de onda está contido no domínio do visível e que se encontram dispersos na bicamada fosfolipídica da membrana interna dos seus cloroplastos.

 Os mais importantes são as clorofilas e os carotenoides, sendo que os mais conhecidos são as clorofilas (clorofila a e clorofila b). A clorofila b e os carotenoides constituem os chamados pigmentos acessórios já que a clorofila a é a única que pode participar diretamente nas reações de luz e os carotenoides não intervém diretamente na fotossíntese mas aumentam o espetro de absorção.

Captação da energia luminosa pelos pigmentos fotossintéticos 

Infelizmente, o corpo humano não pode fazer muito uso da energia solar, considerando que é capaz de produzir apenas um pouco de vitamina D. As plantas, por outro lado, são especialistas em capturar energia luminosa e em utilizá-la para produzir açúcares através do processo de fotossíntese, que explicámos anteriormente.

Para compreender como os pigmentos fotossintéticos captam a energia luminosa é necessário considerar a natureza física da luz. Embora as radiações solares possam ser descritas como uma onda (devido ao seu movimento), elas não são, na realidade, uma onda contínua, mas sim um conjunto de partículas que contêm, cada uma, energia - fotões.

De toda a energia que atinge a Terra, através dos fotões, apenas 42% atravessa a atmosfera.

Nem todas as partes são filtradas da mesma forma, uma parte é filtrada na camada de ozono (comprimentos de onda curtos) e a outra parte é filtrada pela água e dióxido de carbono, existentes na atmosfera (comprimentos de onda longos), antes de chegarem à superfície terrestre. 

Será que todos os comprimentos de onda são igualmente eficazes no processo da fotossíntese? 

Theodore Engelmann foi um cientista alemão. Realizou uma experiência com o objetivo de dar resposta à seguinte questão: "Será que todos os comprimentos de onda são igualmente eficazes no processo da fotossíntese?". Para conseguir obter a solução, realizou uma experiência - Experiência de Engelmann - utilizou bactérias aeróbias (utilizam o oxigénio durante a respiração) e o filamento de uma alga verde.

Engelmann conseguiu estabelecer uma relação entre a taxa de fotossíntese e a radiação absorvida pelos pigmentos fotossintéticos - existe uma maior produção de oxigénio nas zonas iluminadas pelas partes da onda que são absorvidas por estes pigmentos. Verificou, também, que as bactérias aeróbias se concentravam mais nas zonas onde incidia o azul-violeta e o vermelho-alaranjado, ou seja, deslocaram-se à procura de oxigénio necessário à sua respiração produzido pela alga durante o processo da fotossíntese.

Espetros relacionados com a fotossíntese 

Espetro de ação da fotossíntese - eficiência fotossintética em função do comprimento de onda das radiações.

Espetro de absorção - capacidade que um pigmento tem para absorver a luz de uma determinada radiação.

Propagação da energia radiante 

Quando um fotão atinge um átomo, um dos seus eletrões "salta" para o nível de energia superior, diz-se, então, que o eletrão está num estado excitado. No entanto, os átomos tendem a ser/estar estáveis, ou seja, não é do seu interesse ter um eletrão um nível acima do suposto.

O comprimento de onda determina características da energia radiante (ex.: a cor)

Para regressar ao seu estado fundamental, o eletrão pode libertar energia sob a forma de calor ou de luz, sendo este processo designado por fluorescência no caso de a energia ser libertada sob a forma de luz.

Contudo, em alternativa, os eletrões podem, também, ser cedidos a moléculas vizinhas - acetores - conduzindo, desta forma, a uma reação fotoquímica onde a molécula que perde eletrões fica oxidada e a molécula acetora é reduzida daí o nome da reação: reação de oxidação-redução.

Localização dos pigmentos fotossintéticos 

Admite-se, atualmente, que as clorofilas e os outros pigmentos fotossintéticos estão dispersos na bicamada fosfolipídica da membrana interna dos seus cloroplastos.

Qual é a origem do oxigénio libertado pelas plantas? 

Van Niel foi a primeira pessoa a levantar dúvidas sobre qual/quais seriam os compostos químicos que forneciam os átomos de oxigénio que formam as moléculas de O₂ produzidas na fotossíntese. Após vários estudos, o cientista holandês admitiu que, nas plantas e nas algas, o O₂ libertado na fotossíntese tem origem na água e não no dióxido de carbono. 

Com base nos dados da Experiência "Proveniência do O₂ na fotossíntese", podemos concluir que Van Niel estava correto já que a água utilizada estava marcada com 18 O₂ comprovando, assim, que o oxigénio libertado durante a fotossíntese provém da água.

Se admitirmos a hipótese de o O₂ ter origem no CO₂ podemos realizar uma outra experiência para refutar essa hipótese: fornecer às algas CO₂ marcado com o isótopo 18 O e proceder como na experiência inicial. 

Etapas da fotossíntese - Experiência

Realizaram-se, entretanto, várias experiências que contribuíram para o conhecimento das fases da fotossíntese.

Através da Experiência A podemos concluir que o CO₂ é necessário para formar as substâncias sintetizadas no decorrer da fotossíntese.

A Experiência B mostra-nos que se a iluminação inicial não se fizer pelo menos durante uma hora, a incorporação de CO₂ acaba assim que as algas passam para a obscuridade. A incorporação de CO₂ não depende diretamente da ação da luz pois as algas iluminadas durante uma hora continuaram a incorporar CO₂ durante mais alguns segundos, após serem colocadas na obscuridade.

Estas experiências permitiram verificar que o CO₂ é necessário para formar compostos orgânicos. Por outro lado, embora seja necessário luz para dar início ao processo fotossintético, a incorporação de CO₂ não depende diretamente da luz, pois pode prolongar-se na obscuridade.

Concluímos, então, que a fotossíntese pode ser dividida 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.

Fase fotoquímica ou fase clara (A e B) 

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 acíclica que produz NADPH e ATP e uma cíclica que produz apenas ATP. Este processo acontece na membrana dos tilacoides do cloroplasto.

A - 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.

B - Fotofosforilação acíclica 

Durante este processo os seres fotossintéticos usam energia luminosa para produzir ATP, NADPH + H+ e libertar O2.

Este mecanismo emprega dois sistemas fotossintetizantes, cada um com cerca de 300 moléculas de clorofila: o fotossistema I (contém um centro de reação P700 e absorve preferencialmente a luz de comprimento de onda de 700 nm) e o fotossistema II (contém um centro de reação P680 e absorve a luz preferencialmente de comprimento de onda de 680 nm). No fotossistema I, predomina a clorofila a, enquanto que no fotossistema II, predomina a clorofila b.

A clorofila a, iluminada, perde um par de eletrões ativados, recolhidos por um acetor especial, a ferredoxina. Ao mesmo tempo, a clorofila b, excitada pela luz, perde um par de eletrões que, depois de atravessarem uma cadeia de citocromos, ocupa o "vazio" deixado na molécula de clorofila a. Durante a passagem desses eletrões pela cadeia de citocromos, há libertação de energia e produção de ATP (fosforilação). Como o "vazio de eletrões" da clorofila a não é preenchido pelos mesmos eletrões que saíram dessa molécula, o mecanismo é chamado fotofosforilação acíclica.

Resumindo... 

...durante a fase dependente da luz (reações fotoquímicas), verifica-se:

• A conversão de energia luminosa em energia química 
• O desdobramento da molécula de água em hidrogénio e oxigénio - fotólise da água

H2O → 2H+ + 2e- + O2

• A fosforilação de ADP, formando-se ATP (molécula responsável pelo armazenamento de energia química diretamente utilizável pela célula)

ADP + Pi + Energia → ATP + H2O

• A redução de NADP+ a NADPH, por ação do hidrogénio libertado durante a fotólise da água

NADP+ + 2e- + 2H+ → NADPH + H+