Die Photosynthese ist ein wichtiger biochemischer Stoffwechselweg, bei dem aus Licht, Wasser und Kohlendioxid Zucker (Glukose) hergestellt und Sauerstoff freigesetzt wird. Es ist eine Reihe komplexer biochemischer Reaktionen und kommt in höheren Pflanzen, Algen, einigen Bakterien und einigen Photoautotrophen vor. Fast jedes Leben hängt von diesem Prozess ab. Die Photosyntheserate hängt von der Kohlendioxidkonzentration, der Temperatur und der Lichtintensität ab. Es erhält Energie aus absorbierten Photonen und verwendet Wasser als Reduktionsmittel.
Photosynthese in der Vergangenheit
Mit dem Aufkommen des Lebens auf der Erde begann der Prozess der Photosynthese. Da die Sauerstoffkonzentration vernachlässigbar war, fand die erste Photosynthese mit Schwefelwasserstoff und organischer Säure im Meerwasser statt. Die Menge dieser Materialien reichte jedoch nicht aus, um die Photosynthese lange fortzusetzen, und daher entwickelte sich die Photosynthese mit Wasser. Diese Art der Photosynthese mit Wasser führte zur Freisetzung von Sauerstoff. Folglich begann die Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre zu steigen. Dieser endlose Kreislauf machte die Erde reich an Sauerstoff, der das gegenwärtige sauerstoffabhängige Ökosystem unterstützen könnte.
Rolle des Wassers in der Photosynthese
Auf grundlegender Ebene liefert Wasser Elektronen, um die aus dem Chlorophyll im Photosystem II entfernten zu ersetzen. Außerdem produziert Wasser Sauerstoff und reduziert NADP zu NADPH (benötigt im Calvin-Zyklus), indem es H+-Ionen freisetzt.
Wasser als Sauerstofflieferant
Bei der Photosynthese reagieren sechs Kohlendioxid- und sechs Wassermoleküle in Gegenwart von Sonnenlicht zu einem Glucosemolekül und sechs Sauerstoffmolekülen. Die Aufgabe von Wasser besteht darin, Sauerstoff (O) aus dem Wassermolekül in Form von Sauerstoffgas (O2) an die Atmosphäre abzugeben.
Wasser als Elektronenzufuhr
Wasser hat auch eine weitere wichtige Rolle als Elektronenzufuhr. Bei der Photosynthese liefert Wasser das Elektron, das das Wasserstoffatom (eines Wassermoleküls) an den Kohlenstoff (von Kohlendioxid) bindet, um Zucker (Glukose) zu ergeben.
Wasserphotolyse
Wasser wirkt als Reduktionsmittel, indem es H+-Ionen bereitstellt, die NADP in NADPH umwandeln. Da NADPH ein wichtiges Reduktionsmittel in Chloroplasten ist, führt seine Produktion zu einem Elektronendefizit, das aus der Oxidation von Chlorophyll resultiert. Dieser Elektronenverlust muss durch Elektronen eines anderen Reduktionsmittels ausgeglichen werden. Photosystem II beinhaltet die ersten Schritte des Z-Schemas (das Diagramm der Elektronentransportkette in der Photosynthese) und daher ein Reduktionsmittel das Elektronen spenden kann, wird benötigt, um Chlorophyll zu oxidieren, das durch Wasser bereitgestellt wird (als Elektronenquelle in grünen Pflanzen fungiert und Cynobakterien). Auf diese Weise freigesetzte Wasserstoffionen erzeugen ein chemisches Potential (chemiosmotisch) über die Membran, das schließlich zur Synthese von ATP führt. Photosystem II ist das primäre bekannte Enzym, das bei dieser Oxidation von Wasser als Katalysator wirkt.