Exercícios: A fotossíntese e a quimiossíntese

Escreva a equação global da fotossíntese oxigênica e indique qual molécula se oxida e qual se reduz no processo.

Qual pigmento principal capta a luz nas plantas verdes e em que estrutura da célula ele se localiza? Quais cores (comprimentos de onda) da luz ele absorve preferencialmente e qual ele reflete?

Cite as duas grandes etapas da fotossíntese, indique em que parte do cloroplasto ocorre cada uma e o que se produz em cada fase.

O que é um fotossistema e o que ele contém em seu centro de reação? Explique o que acontece com a clorofila quando ela absorve a energia da luz.

Indique quais dois produtos da fase fotoquímica (luminosa) o ciclo de Calvin utiliza e para que fins os emprega na síntese de carboidratos.

O que são os tilacoides e o que são os grana? Explique por que as membranas dos tilacoides são o local adequado para a fase fotoquímica da fotossíntese.

Cite três fatores ambientais que influenciem a taxa fotossintética e explique sucintamente como um deles atua.

Quase todo o oxigênio da atmosfera provém da fotossíntese. Explique de qual molécula é liberado esse $\text{O}_2$ e justifique por que o surgimento da fotossíntese oxigênica constituiu um marco na história da Terra.

No esquema de um cloroplasto, duas estruturas estão assinaladas com os números 1 e 2. Identifique-as e explique que processos fotossintéticos ocorrem em cada uma, relacionando-os com as setas de entrada e de saída que aparecem no esquema.

Explique o que é a fotólise da água, em que etapa e local do cloroplasto ocorre, e qual é o destino dos elétrons, dos prótons e do oxigênio gerados.

No ciclo de Calvin ocorre a «fixação» do $\text{CO}_2$ no estroma. Explique o que significa fixar o $\text{CO}_2$, qual enzima catalisa essa fixação e de onde provêm o ATP e o NADPH consumidos pelo ciclo.

Descreva o trajeto de um elétron desde uma molécula de água até o $\text{NADP}^+$ durante a fase fotoquímica (fotossistemas II e I e cadeia de transporte de elétrons), e indique em que momento é liberado o $\text{O}_2$ e onde se acumulam os prótons.

Explique em que consiste a fotofosforilação e compare-a com a fosforilação oxidativa da mitocôndria: fonte inicial de elétrons, aceptor final de elétrons e formação e utilização do gradiente de prótons.

O ciclo de Calvin compreende três fases: fixação do $\text{CO}_2$, redução e regeneração da ribulose-1,5-bisfosfato. Descreva-as sucintamente e indique quantas moléculas de $\text{CO}_2$ precisam ser fixadas para formar uma molécula de glicose.

Em um laboratório, isolam-se duas culturas de microrganismos autótrofos desconhecidos (A e B) capazes de fixar $^{14}\text{CO}_2$ em meio mineral. Ao submetê-los a diferentes condições experimentais, obtêm-se os seguintes dados:

• Em escuridão absoluta e na presença de $\text{NH}_4^+$ e $\text{O}_2$, apenas a cultura A prolifera e incorpora $^{14}\text{C}$ na sua biomassa orgânica.

• Na presença de luz e na ausência de doadores inorgânicos reduzidos (exceto $\text{H}_2\text{O}$), prolifera a cultura B, mas a cultura A não apresenta crescimento.

• Se o $\text{O}_2$ for eliminado do meio na escuridão, a cultura A interrompe totalmente a fixação de $^{14}\text{CO}_2$, apesar de dispor de $\text{NH}_4^+$ abundante.

1. a) Deduza o tipo de metabolismo autótrofo de cada cultura (quimiossíntese ou fotossíntese), identificando em cada caso a fonte primária de energia, a fonte de carbono e o doador de elétrons.
2. b) Justifique por que a cultura A é estritamente dependente de $\text{O}_2$ para sintetizar matéria orgânica a partir de $\text{CO}_2$, explicando o papel da cadeia de transporte de elétrons nesse processo.
3. c) Compare a fotossíntese oxigênica e a quimiossíntese nitrificante quanto ao tipo de células e aos táxons biológicos que as realizam.

O espectro de absorção da clorofila $a$ apresenta máximos nas regiões azul ($\sim 430\text{ nm}$) e vermelha ($\sim 660\text{ nm}$), enquanto quase não absorve na faixa verde-amarela (500–550 nm). Considerando que a água do mar absorve rapidamente a luz vermelha e que a 25 metros de profundidade a radiação disponível é quase exclusivamente azul-esverdeada:

1. a) Preveja, de forma fundamentada, como variará a taxa de liberação de $\text{O}_2$ se duas amostras de biomassa equivalente forem iluminadas com luz monocromática de 530 nm: uma da alga verde Ulva (com clorofilas $a$ e $b$) e outra da alga marrom Laminaria (com clorofila $a$ e fucoxantina).
2. b) Dado que a fucoxantina se localiza nos complexos antena e não nos centros de reação, explique como a energia luminosa que ela absorve é transferida até tornar possível a fotólise da água no fotossistema II.
3. c) Um estudante afirma que, para se adaptarem à vida em águas profundas, bastaria às algas marrons substituir toda a sua clorofila $a$ por fucoxantina. Refute essa afirmação com base na função físico-química imprescindível desempenhada pela clorofila $a$ nos centros de reação fotoquímicos.

Um pesquisador ilumina cloroplastos isolados e adiciona um herbicida que bloqueia o fluxo de elétrons à saída do fotossistema II. Preveja, fundamentando, o que acontecerá com a produção de $\text{O}_2$, de ATP e de NADPH, e explique por que a planta tratada com esse herbicida acaba morrendo mesmo que receba luz e $\text{CO}_2$.

Nas estufas, enriquece-se o ar com $\text{CO}_2$ e complementa-se a iluminação com luz artificial. a) Justifique, a partir do conceito de fator limitante, por que essas medidas só aumentam a produção até determinado limite. b) Indique que fator poderá passar a ser limitante após a aplicação delas. c) Explique por que um aumento excessivo da temperatura pode reduzir a produtividade, ainda que haja luz e $\text{CO}_2$ em abundância.

Analisa-se no laboratório uma espécie de ameba fotossintética que possui organelas fotossintéticas denominadas cromatóforos. Os ensaios experimentais revelam o seguinte:

1. O cloranfenicol (um antibiótico que bloqueia a tradução em ribossomos 70S bacterianos) interrompe a síntese proteica dentro do cromatóforo, enquanto a ciclo-heximida (que bloqueia ribossomos 80S eucariontes) apenas inibe a tradução no citoplasma da ameba.

2. O sequenciamento do DNA do cromatóforo demonstra que ele é circular e filogeneticamente muito mais próximo das cianobactérias atuais do que do núcleo da própria ameba.

1. a) Interprete esses resultados à luz da teoria endossimbiótica e deduza que vantagens seletivas mútuas permitiram consolidar essa associação na evolução dos primeiros eucariontes fotossintéticos.
2. b) Um estudante afirma que o aparecimento das primeiras cianobactérias com fotossíntese oxigênica provocou a oxigenação imediata e massiva da atmosfera primitiva. Refute a afirmação dele explicando que processo geoquímico ocorreu na hidrosfera antes de o $\text{O}_2$ poder se acumular livre na atmosfera e que consequência biológica essa crise do oxigênio teve para os organismos anaeróbios preexistentes.