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Os produtos finais destas reações no são a alta-energia que compõem o ATP e o NADPH que são usados para a síntese de açúcares nas reações de fixação de carbono. Estes processos acontecem no estroma dos cloroplastos, a região aquosa que cerca o tilacóides.
No cloroplasto, energia luminosa é colhida através de duas unidades funcionais diferentes chamados fotossistemas. A energia luminosa absorvida é usada para permitir a transferência de elétrons por uma série de compostos que agem como doadores de elétron e receptores de elétron. A maioria de elétrons no final das contas reduz NADP+ em NADPH. A energia luminosa também é usada para gerar uma força motiva de próton através da membrana do tilacóide que é usada para sintetizar ATP.
Luz tem características tanto de uma partícula quanto de uma onda. Um triunfo de físicos no princípio do século foi à descoberta de que a luz tem propriedades de partículas e de ondas. Uma onda é caracterizado por um comprimento de onda, denotado lambda (l) que é a distância entre cristas de onda sucessivas. A freqüência representada pela letra grega nu (n), é o número de cristas de onda nas que passam por um observador num determinado tempo.
Uma equação simples (equação 1) relaciona o comprimento de onda, a freqüência, e a velocidade de qualquer onda:
Onde c é a velocidade da onda — no presente caso, a velocidade da luz (3.0 x 108 m s-1). A onda de luz é uma onda eletromagnética transversal (lado-a-lado) na qual campos elétricos e magnéticos oscilam perpendicularmente à direção de propagação da onda e a 90° com relação um ao outro.
Luz também é uma partícula, que nós chamamos fóton. Cada fóton contém uma quantia de energia que é chamada quantum (quanta plural). O conteúdo de energia de luz não é contínuo, mas preferencialmente é entregue nestes discretos pacotes, o quanta.
A energia (E) (equação 2) de um fóton depende da freqüência da luz de acordo com uma relação conhecida como a lei de Planck:
Onde h é a constante de Planck (6,626 x 10-34 J s). Luz solar é como uma chuva de fótons de freqüências diferentes. Nossos olhos são sensíveis a só uma gama pequena de freqüência —a região de luz visível do espectro eletromagnético (figura2).
A clorofila se parece verde a nossos olhos porque absorve luz nas partes vermelhas e azuis do espectro, então somente comprimentos de onda verdes da luz (aproximadamente 550 nm) são refletidos para nossos olhos ( Figura 2).
A absorção de luz é representada através de Equação 3 na qual clorofila (Chl) em seu estado de baixa-energia, ou basal, absorve um fóton (representado através de hv) e faz uma transição para um estado de alta-energia, ou excitado, (Chl *):
A distribuição de elétrons na molécula excitada é um pouco diferente da distribuição na molécula básica. A figura 2 descreve a absorção e emissão de luz através de moléculas de clorofila. Absorção de luz azul excita a clorofila a um estado de energia mais alto que absorção de luz vermelha, porque a energia dos fótons é mais alta quando o comprimento de onda deles for mais curto. No estado de excitação mais alto, a clorofila é extremamente instável, muito rapidamente perde alguma de sua energia para o ambiente como calor, e entra no estado mais baixo de excitação onde pode ser estável por vários nanosegundos (10-9 s). Por causa desta instabilidade inerente do estado excitado, qualquer processo que captura sua energia deve ser extremamente rápido.
No mais baixo estado de excitação, a clorofila excitada tem vários possíveis caminhos para dispor de sua energia disponível (figura 4). Pode re-emitir um fóton e assim pode voltar a seu estado básico, processo conhecido como fluorescência. Quando faz assim, o comprimento de onda de fluorescência quase sempre é ligeiramente mais longo que o comprimento de onda de absorção do mesmo elétron, porque uma porção da energia de excitação é convertida em calor antes de o fóton fluorescente fosse emitido. Conservação de energia requer então que a energia de fóton-fluorescência seja mais baixa que de fóton-excitação conseqüentemente à troca para comprimento de onda mais longo. Clorofilas florescem na região vermelha do espectro.
Alternativamente, a clorofila excitada pode voltar a seu estado basal convertendo sua energia de excitação diretamente em calor, sem emissão de um fóton. Um terceiro processo que desativa a clorofila excitada é transferência de energia, na qual uma clorofila excitada transfere sua energia a outra molécula. Um quarto processo é fotoquímico no qual a energia do estado excitado causa a ocorrência de reações químicas. A taxa dos primeiros passos do processo de armazenamento de energia fotossintética está entre as reações mais rápidas de substâncias químicas conhecidas. Esta velocidade extrema é necessária para a fotoquímica competir com as outras possíveis reações do estado excitado.
