O processo com a taxa mais alta será o mais provável para desativar a clorofila excitada; processos mais lentos ganham somente ocasionalmente a corrida para dispor da energia do estado excitado. Este conceito é expresso quantitativamente por via do rendimento de quantum (Clayton 1971, 1980). O rendimento de quantum (Ø) de um processo no qual moléculas deixam a energia de excitação delas (ou “declinam“) é a fração de moléculas excitadas que se declinam por aquele caminho.
Matematicamente, o rendimento de quantum de um processo, como fotoquímico, está definido como segue (equação 4):
O rendimento de quantum dos outros processos é analogicamente definido. O valor de Ø para um processo particular varia de 0 (se aquele processo nunca é envolvido na decadência do estado excitado) para 1,0 (se aquele processo sempre desativa o estado excitado). A soma do rendimento do quantum de todos possíveis processos é 1.0.
Em cloroplastos funcionais mantidos sob luz fraca, o rendimento de quantum de fotoquímica é aproximadamente 0.95, o rendimento de quantum de fluorescência é 0.05 ou abaixo, e o rendimento de quantum de outros processos é desprezível. A vasta maioria das moléculas de clorofila excitadas conduz então o processo fotoquímico.
O rendimento de quantum de formação dos produtos de fotossíntese, como 02, pode ser medido com bastante precisão. Neste caso o rendimento de quantum está substancialmente abaixo do valor para fotoquímica, porque vários eventos de fotoquímica têm que acontecer antes de qualquer formação de moléculas de 02. Para produção de 02 o rendimento de quantum máximo medido é aproximadamente 0,1, significando que 10 quanta são absorvidos para cada molécula de 02 liberada. O recíproco do rendimento de quantum é chamado “exigência de quantum”. A exigência de quantum mínima para evolução 02 é então aproximadamente 10. Medidas quantitativas da absorção de luz e o destino da energia contidas na luz são essenciais para a compreensão da fotossíntese.
A energia de luz solar é primeiramente absorvida pelos pigmentos da planta. Todos os pigmentos ativos em fotossíntese são encontrados no cloroplasto.
Estruturas e espectros de absorção de vários pigmentos fotossintéticos são mostrados nas Figuras 5 respectivamente. As clorofilas e bacterioclorofilas (pigmentos achados em certas bactérias) são os pigmentos típicos de organismos fotossintéticos, mas todos os organismos contêm uma mistura de mais de um tipo de pigmentos, cada qual com uma função específica. Todas as clorofilas têm uma estrutura de anel complexa a qual é relacionado quimicamente o grupo de Fe encontrado em hemoglobinas e citocromos (Figura 6). Além disso, um longo rabo de hidrocarboneto quase sempre é preso à estrutura de anel. O rabo ancora a clorofila à porção hidrofóbica de seu ambiente. A estrutura de anel contém alguns elétrons fracamente ligados e é a parte da molécula envolvida em transições de elétron e reações de redução.
Os sistemas de antena de diferentes classes de organismos fotossintéticos são notavelmente variados, em contraste com os centros de reação que parecem ser semelhantes em diversos organismos. A variedade de complexos de antena reflete a adaptação evolutiva aos ambientes diversos nos quais organismos diferentes vivem, como também a necessidade em alguns organismos para equilibrar o fornecimento de energia ao dois fotossistemas (Grossman et al. 1995).
A função dos sistemas de antena é entregar energia eficazmente aos centros de reação aos quais eles são associados (van Grondelle et al. 1994; Pullerits e Sundström 1996).
O tamanho do sistema de antena varia consideravelmente em organismos diferentes: Menos de 20 a 30 bacterioclorofilas por centro de reação em algumas bactérias fotossintéticas, geralmente 200 a 300 clorofilas por centro de reação em plantas superiores, e alguns milhares de pigmentos por centro de reação em alguns tipos de algas e bactérias. As estruturas moleculares que servem como antenas também são bastante diversas, embora todos eles são associados de algum modo com a membrana fotossintética.
O mecanismo pelo qual a energia de excitação da clorofila que absorve a luz é carregada ao centro de reação é imaginado como sendo de transferência de ressonância (também conhecido como transferência de Förster, cientista que primeiro descreveu o fenômeno). Neste processo, fótons não são simplesmente emitidos através de uma molécula e reabsorvidos por outra; a maioria da energia de excitação é transferida de uma molécula a outra por um processo de não radioativo. Uma analogia útil para transferência de ressonância é a transferência de energia entre dois garfos de afinação. Se um garfo afinando é golpeado e corretamente colocado perto de outro, o segundo garfo de afinação recebe um pouco de energia do primeiro e começa a vibrar. A eficiência de transferência de energia entre os dois garfos de afinação depende da distância entre eles e a orientação relativa deles, como também as freqüências vibracionais, da mesma maneira que em transferência de energia por ressonância no complexo de antena.
O resultado final deste processo é que aproximadamente 95 a 99% dos fótons absorvidos pelos pigmentos de antena têm sua energia transferida ao centro de reação onde pode ser usado por fotoquímica. É importante distinguir entre a transferência de energia entre pigmentos na antena da transferência de elétrons que ocorre no centro de reação. Enquanto que a transferência de energia é um fenômeno puramente físico, a transferência de elétrons envolve mudanças químicas nas moléculas.
A energia absorvida em pigmentos de antena (figura 7) é afunilada para o centro de reação por uma sucessão de pigmentos com absorção máxima de que é trocada progressivamente para comprimentos de onda vermelhos mais longos. Esta troca em meios de máxima absorção significa que a energia do estado excitado é um pouco menor mais próximo ao centro de reação que nas porções mais periféricas do sistema de antena. Por exemplo, quando excitação é transferida de uma molécula de clorofila b que absorve no máximo a 650 nm para uma molécula de clorofila a que absorve no máximo a 670 nm, a diferença em energia entre estas duas clorofilas excitadas é perdida ao ambiente como calor.
Para a excitação ser transferido de volta à clorofila b, a energia perdida teria que ser reposta. A probabilidade de transferência inversa é então simplesmente menor porque a energia térmica não é suficiente para compor o déficit entre pigmentos de baixa-energia e de alta-energia. Este efeito dá para o processo de coleta de energia um grau de direcionalidade ou irreversibilidade e faz a entrega de excitação ao centro de reação mais eficientemente. Em essência, o sistema sacrifica um pouco de energia de cada quantum de forma que quase tudo do quanta pode ser apanhado pelo centro de reação.
Sistemas fotossintéticos enfrentam uma modificação especial. Eles são adaptados para absorver grandes quantidades de energia luminosa e processar esta em energia química ao nível molecular, a energia em um fóton é uma perturbação enorme que os sistemas fotossintéticos processam elegantemente e eficazmente sob condições normais. Sob algumas condições, porém, eles podem não poder lidar com toda a energia que recebem. A energia em excesso pode conduzir à produção de espécies tóxicas e danos ao sistema se não for dissipada seguramente (Horton et al. 1996). Organismos fotossintéticos contêm então um complexo jogo de mecanismos reguladores e de conserto.
Alguns destes mecanismos regulam fluxo de energia no sistema de antena, para evitar excesso de excitação dos centros de reação e assegura que os dois fotossistemas sejam dirigidos igualmente. Embora muito efetivos estes processos não são completamente à prova de falhas, e às vezes são produzidas espécies tóxicas. São necessários mecanismos adicionais para dissipar estes componentes - em particular, espécies de oxigênio tóxicas. Até mesmo com tudo este mecanismo protetor e limpador, o aparato fotossintético às vezes ainda é danificado, e mecanismos adicionais estão presentes para reparar o sistema.
Os Carotenóides são achados em todos os organismos fotossintéticos, com exceção de mutantes incapazes de viver fora do laboratório (o Frank e Cogdell 1996). Os diferentes tipos de carotenóides encontrados em organismos fotossintéticos são todos moléculas lineares com múltiplas conjugações de dupla ligação. Bandas de absorção na região de 400 a 500 nm dá aos carotenóides a cor laranja característica deles. Por exemplo, a cor de cenouras é devido ao carotenóide b –caroteno.
Carotenóides são normalmente intimamente associados tanto com a antena quanto com as proteínas pigmento do centro de reação e são componentes integrantes da membrana. A energia de luz absorvida por carotenóides é rapidamente transferida para as clorofilas, assim carotenóides são chamados pigmentos acessórios.
Carotenóides também fazem um papel essencial de fotoproteção. A membrana fotossintética pode ser danificada facilmente pelas grandes quantias de energia absorvidas pelos pigmentos se esta energia não puder ser armazenada através de fotoquímica; conseqüentemente a necessidade de um mecanismo de proteção.
O mecanismo de fotoproteção pode ser imaginado como uma válvula de segurança, afastando a energia em excesso antes que pudesse danificar o organismo. Quando a energia armazenada em clorofilas em estado excitado é rapidamente dissipada por transferência de excitação ou fotoquímica, é dito que o estado excitado é extinto. Se o estado excitado da clorofila não é rapidamente extinto por transferência de excitação ou fotoquímica, pode reagir com oxigênio molecular para formar um estado excitado de oxigênio conhecido como oxigênio simples (102 *).
As espécies extremamente reativas de oxigênio simples vão reagir e danificar muitos componentes celulares, especialmente lipídios. Carotenóides mostram sua ação fotoprotetora extinguindo o estado excitado da clorofila rapidamente. O estado excitado do carotenóide não tem energia suficiente para formar oxigênio simples, assim se degrada para seu estado inicial perdendo sua energia como calor.
Organismos de mutantes em que faltam carotenóides não podem viver na presença de luz. Para bactérias de não evoluídas, podem ser mantidos mutantes que faltam carotenóides, sob condições de laboratório, se o oxigênio for excluído do meio de crescimento.
Recentemente foram encontrados carotenóides que desempenham um papel não fotoquímico de extinção, que é um segundo mecanismo protetor e regulador.
Um processo regulador principal envolvido na liberação de energia de excitação ao centro de reação só foi descrito recentemente. O processo, conhecido como extinção não fotoquímica, parece ser uma parte essencial da regulação dos sistemas de antena na maioria das algas e plantas.
Extinção não fotoquímica é a extinção da fluorescência da clorofila por processos diferentes da fotoquímica. Isto foi descoberto primeiro em estudos de fluorescência de clorofila que revelou aquela intensa iluminação produzindo um estado no qual uma fração grande das excitações no sistema de antena era extinta através da conversão em calor (o Krause e Weiss 1991). Este processo, que parece desperdiçador no princípio, é aceito agora como envolvido na proteção do organismo contra excesso de excitação e subseqüente dano. O processo pode ser imaginado como uma “maçaneta” de volume que ajusta o fluxo de excitações ao centro de reação PS-II para um nível manejável, dependendo da intensidade luminosa e outras condições.
O mecanismo molecular de extinção não fotoquímica ainda não é entendido em detalhes.
Vários fatores parecem ser envolvidos, inclusive o pH do lúmen do tilacóide e o estado de agregação dos complexos de antena na membrana (Horton et al. 1996). Além disso, certos carotenóides conhecidos como xantofilas são envolvidos neste mecanismo regulador. A figura 8 mostra a estrutura de duas destas xantofilas, violaxantina e zeaxantina, e um intermediário, anteraxantina. Estes carotenóides podem ser interconvertidos através de enzimas epoxidase e de-epoxidase que estão presentes no cloroplasto. O mesmo regime de alta luminosidade que induz a extinção não fotoquímica tende a ativar a enzima de-epoxidase que converte a xantofila em zeaxantina; condições de baixa luminosidade ativam a epoxidase, resultando na acumulação de violaxantina. Assim a zeaxantina é associada com o estado extinto e violaxantina é encontrada quando o sistema estiver no estado não extinto. No entanto, não é claro se o próprio carotenóide é o agente extintor, embora muitos pesquisadores assim o considerem. Esta questão é uma área muito ativa de pesquisa (Demmig-Adams e Adams 1992; Pfündel e Bilger 1994; Horton et al. 1996).
