Wie wird während der Photosynthese Sauerstoffgas produziert?

Photosynthese ist der Prozess, bei dem Pflanzen und einige Bakterien und Protisten Zuckermoleküle aus Kohlendioxid, Wasser und Sonnenlicht synthetisieren. Die Photosynthese kann in zwei Phasen unterteilt werden – die lichtabhängige Reaktion und die lichtunabhängigen (oder dunklen) Reaktionen. Bei den Lichtreaktionen wird einem Wassermolekül ein Elektron entzogen, wodurch die Sauerstoff- und Wasserstoffatome freigesetzt werden. Das freie Sauerstoffatom verbindet sich mit einem anderen freien Sauerstoffatom, um Sauerstoffgas zu erzeugen, das dann freigesetzt wird.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Während des Lichtprozesses der Photosynthese entstehen Sauerstoffatome, und zwei Sauerstoffatome verbinden sich dann zu Sauerstoffgas.

Der Hauptzweck der Lichtreaktionen bei der Photosynthese besteht darin, Energie zur Verwendung in den Dunkelreaktionen zu erzeugen. Die Energie wird aus Sonnenlicht gewonnen, das auf Elektronen übertragen wird. Wenn die Elektronen eine Reihe von Molekülen passieren, bildet sich ein Protonengradientenmembranen. Die Protonen fließen durch ein Enzym namens ATP-Synthase durch die Membran zurück, das ATP erzeugt, ein Energiemolekül, das in den dunklen Reaktionen verwendet wird, bei denen Kohlendioxid zur Zuckerherstellung verwendet wird. Dieser Vorgang wird als Photophosphorylierung bezeichnet.

Zyklische und nichtzyklische Photophosphorylierung beziehen sich auf die Quelle und das Ziel des Elektrons, das verwendet wird, um den Protonengradienten und damit das ATP zu erzeugen. Bei der zyklischen Photophosphorierung wird das Elektron in ein Photosystem zurückgeführt, wo es wieder mit Energie versorgt wird und seine Reise durch die Lichtreaktionen wiederholt. Bei der nichtzyklischen Photophosphorylierung besteht der letzte Schritt des Elektrons jedoch in der Bildung eines NADPH-Moleküls, das auch in den Dunkelreaktionen verwendet wird. Dies erfordert die Eingabe eines neuen Elektrons, um die Lichtreaktionen zu wiederholen. Der Bedarf an diesem Elektron führt zur Bildung von Sauerstoff aus Wassermolekülen.

Bei photosynthetischen Eukaryoten wie Algen und Pflanzen findet die Photosynthese in einer spezialisierten Zellorganelle, einem Chloroplasten, statt. Innerhalb der Chloroplasten befinden sich Thylakoidmembranen, die eine innere und äußere Umgebung für die Photosynthese bieten. Die Thylakoidmembranen sind in allen photosynthetischen Organismen vorhanden, einschließlich Bakterien, aber nur Eukaryoten beherbergen diese Membranen in Chloroplasten. Die Photosynthese beginnt in Photosystemen, die sich innerhalb der Thylakoidmembranen befinden. Während die Lichtreaktionen der Photosynthese fortschreiten, werden Protonen in die Membranräume gepackt und erzeugen einen Protonengradienten über die Membran.

Photosysteme sind komplexe Strukturen mit Pigmenten, die sich innerhalb der Thylakoidmembran befinden und die Elektronen mit Lichtenergie energetisieren. Jedes Pigment ist auf einen bestimmten Teil des Lichtspektrums abgestimmt. Das zentrale Pigment ist Chlorophyll? die eine zusätzliche Rolle beim Sammeln des Elektrons spielt, das in nachfolgenden Lichtreaktionen verwendet wird. Im Zentrum des Chlorophylls? sind Ionen, die an Wassermoleküle binden. Da Chlorophyll ein Elektron energetisiert und das Elektron außerhalb des Photosystems an wartende Rezeptormoleküle sendet, wird das Elektron von den Wassermolekülen ersetzt.

Wenn Elektronen von Wassermolekülen abgezogen werden, wird das Wasser in Atomkomponenten zerlegt. Die Sauerstoffatome zweier Wassermoleküle verbinden sich zu zweiatomigem Sauerstoff (O₂). Die Wasserstoffatome, bei denen es sich um einzelne Protonen handelt, denen ihre Elektronen fehlen, tragen zur Bildung des Protonengradienten innerhalb des von der Thylakoidmembran eingeschlossenen Raums bei. Der zweiatomige Sauerstoff wird freigesetzt und das Chlorophyllzentrum bindet an neue Wassermoleküle, um den Vorgang zu wiederholen. Aufgrund der beteiligten Reaktionen müssen vier Elektronen durch das Chlorophyll energetisiert werden, um ein einzelnes Sauerstoffmolekül zu erzeugen.