Descobertas sobre a fotossíntese

A pesquisa revela por que os primeiros movimentos de elétrons, que são cruciais para a transferência de energia, ocorrem apenas de um lado de uma estrutura proteico-pigmento chave. Os achados foram publicados na Proceedings of the National Academy of Sciences.

Processo de fotossíntese

A fotossíntese é uma sequência de reações nas quais os elétrons passam entre várias moléculas de pigmento. Embora tenha sido examinada por décadas, o processo ainda é difícil de explicar completamente, pois envolve numerosos componentes intricados, opera em escalas de tempo extremamente rápidas e varia um pouco entre diferentes espécies. Compreender mais profundamente esses passos pode ajudar os cientistas a desenvolver sistemas artificiais eficientes, como folhas sintéticas e tecnologias de combustível solar, que replicam o design da natureza.

Início da fotossíntese

Na maioria das formas de vida que utilizam a fotossíntese, o processo começa com um complexo proteico-pigmento conhecido como Fotosystem II (PSII). Este complexo captura a luz solar e divide moléculas de água, liberando oxigênio e enviando elétrons para outras moléculas na cadeia de transferência de energia.

Estrutura do PSII

O PSII contém duas ramificações quase idênticas, conhecidas como D1 e D2, cercadas por quatro moléculas de clorofila e dois pigmentos relacionados chamados feofitinas. Estes estão dispostos simetricamente e conectados a transportadores de elétrons conhecidos como plastoquinonas. Em teoria, os elétrons deveriam se mover da clorofila para a feofitina e, em seguida, para a plastoquinona ao longo de ambas as ramificações.

Resultados das pesquisas

No entanto, experimentos mostraram consistentemente que os elétrons se movem apenas através da ramificação D1 — uma descoberta que intrigou os cientistas durante anos. “Apesar da simetria estrutural entre as ramificações proteicas D1 e D2 no PSII, apenas a ramificação D1 é funcionalmente ativa,” explica Aditya Kumar Mandal, primeiro autor do estudo e aluno de doutorado no Departamento de Física do IISc.

Para investigar esse desequilíbrio, a equipe combinou simulações de dinâmica molecular, análises quânticas e a teoria de Marcus (um modelo ganhador do Prêmio Nobel que descreve como os elétrons são transferidos) para mapear os padrões de energia em ambos os caminhos. “Avalíamos a eficiência da transferência de elétrons passo a passo através das ramificações D1 e D2,” diz Shubham Basera, aluno de doutorado no Departamento de Física e um dos autores.

Barreiras energéticas

A equipe descobriu que a ramificação D2 tem uma barreira de energia muito maior, o que torna o transporte de elétrons energeticamente desfavorável. Especificamente, a transferência de elétrons da feofitina para a plastoquinona em D2 requer o dobro da energia de ativação do que em D1 — uma barreira que os elétrons parecem incapazes de superar, impedindo que a energia flua para frente.

Os pesquisadores também simularam as características corrente-tensão de ambas as ramificações e descobriram que a resistência ao movimento dos elétrons em D2 era duas ordens de magnitude maior do que em D1.

Influências ambientais

A assimetria no fluxo de elétrons pode ser influenciada também por sutis diferenças no ambiente proteico ao redor do PSII e como os pigmentos estão incorporados nele, sugerem os pesquisadores. Por exemplo, o pigmento de clorofila em D1 tem um estado de excitação em uma energia mais baixa do que seu equivalente em D2, sugerindo que o pigmento D1 tem uma chance melhor de atrair e transferir elétrons.

Potenciais modificações

Os pesquisadores também sugerem que ajustes em alguns desses componentes podem aumentar ou reestruturar o fluxo de elétrons através do PSII. Por exemplo, trocar clorofila e feofitina em D2 poderia superar o bloqueio de elétrons, uma vez que a clorofila precisa de uma energia de ativação mais baixa do que a feofitina.

Contribuições para a ciência

“Nossa pesquisa representa um avanço significativo na compreensão da fotossíntese natural,” diz Prabal K Maiti, professor do Departamento de Física e um dos autores correspondentes do estudo. “Essas descobertas podem ajudar a projetar sistemas artificiais de fotossíntese eficientes capazes de converter energia solar em combustíveis químicos, contribuindo para soluções inovadoras e sustentáveis em energia renovável.”

Este é uma bela combinação de teoria em vários níveis para abordar um problema de longa data, culminando em um novo nível de compreensão, mas ainda deixando mistérios a serem desafiados, diz Bill Goddard, professor do Caltech e um dos autores correspondentes.