Η φωτοσύνθεση είναι μια σημαντική βιοχημική οδός που περιλαμβάνει την παραγωγή σακχάρου (γλυκόζης) από το φως, το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα και την απελευθέρωση οξυγόνου. Είναι μια σειρά πολύπλοκων βιοχημικών αντιδράσεων και εμφανίζεται σε υψηλότερα φυτά, φύκια, μερικά βακτήρια και μερικά φωτοατροφικά. Σχεδόν κάθε ζωή εξαρτάται από αυτήν τη διαδικασία. Ο ρυθμός φωτοσύνθεσης σχετίζεται με τη συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα, τη θερμοκρασία και την ένταση του φωτός. Παίρνει ενέργεια από απορροφημένα φωτόνια και χρησιμοποιεί το νερό ως αναγωγικό παράγοντα.
Φωτοσύνθεση στο παρελθόν
Με την έλευση της ζωής στη Γη, ξεκίνησε η διαδικασία της φωτοσύνθεσης. Δεδομένου ότι η συγκέντρωση του οξυγόνου ήταν αμελητέα, η πρώτη φωτοσύνθεση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας υδρόθειο και οργανικό οξύ σε θαλασσινό νερό. Ωστόσο, το επίπεδο αυτών των υλικών δεν ήταν αρκετό για να συνεχιστεί η φωτοσύνθεση για μεγάλο χρονικό διάστημα και συνεπώς εξελίχθηκε η φωτοσύνθεση με χρήση νερού. Αυτός ο τύπος φωτοσύνθεσης με χρήση νερού είχε ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση οξυγόνου. Κατά συνέπεια, η συγκέντρωση οξυγόνου στην ατμόσφαιρα άρχισε να αυξάνεται. Αυτός ο ατελείωτος κύκλος έκανε τη Γη πλούσια σε οξυγόνο που θα μπορούσε να υποστηρίξει το παρόν εξαρτώμενο από οξυγόνο οικοσύστημα.
Ο ρόλος του νερού στη φωτοσύνθεση
Σε θεμελιώδες επίπεδο, το νερό παρέχει ηλεκτρόνια για την αντικατάσταση αυτών που αφαιρούνται από τη χλωροφύλλη στο φωτοσύστημα II. Επίσης, το νερό παράγει οξυγόνο και μειώνει το NADP σε NADPH (απαιτείται στον κύκλο Calvin) απελευθερώνοντας τα ιόντα Η +.
Το νερό ως πάροχος οξυγόνου
Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φωτοσύνθεσης, έξι μόρια διοξειδίου του άνθρακα και έξι μόρια νερού αντιδρούν παρουσία του ηλιακού φωτός για να σχηματίσουν ένα μόριο γλυκόζης και έξι μόρια οξυγόνου. Ο ρόλος του νερού είναι η απελευθέρωση οξυγόνου (Ο) από το μόριο του νερού στην ατμόσφαιρα με τη μορφή αερίου οξυγόνου (Ο2).
Νερό ως τροφοδότης ηλεκτρονίων
Το νερό έχει επίσης έναν άλλο σημαντικό ρόλο να είναι τροφοδότης ηλεκτρονίων. Στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, το νερό παρέχει το ηλεκτρόνιο που συνδέει το άτομο υδρογόνου (ενός μορίου νερού) με τον άνθρακα (διοξειδίου του άνθρακα) για να δώσει σάκχαρο (γλυκόζη).
Φωτολύση νερού
Το νερό δρα ως αναγωγικός παράγοντας παρέχοντας ιόντα H + που μετατρέπουν το NADP σε NADPH. Δεδομένου ότι το NADPH είναι ένας σημαντικός αναγωγικός παράγοντας που υπάρχει στους χλωροπλάστες, η παραγωγή του οδηγεί σε έλλειμμα ηλεκτρονίων, που προκύπτει από την οξείδωση της χλωροφύλλης. Αυτή η απώλεια ηλεκτρονίων πρέπει να καλυφθεί από ηλεκτρόνια από κάποιο άλλο αναγωγικό παράγοντα. Το Photosystem II περιλαμβάνει τα πρώτα βήματα του σχήματος Z (το διάγραμμα της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων στη φωτοσύνθεση) και ως εκ τούτου έναν αναγωγικό παράγοντα που μπορεί να δωρίσει ηλεκτρόνια απαιτείται για την οξείδωση της χλωροφύλλης, η οποία παρέχεται από το νερό (ενεργεί ως πηγή ηλεκτρονίων σε πράσινα φυτά και cynobacteria). Τα ιόντα υδρογόνου που απελευθερώνονται δημιουργούν ένα χημικό δυναμικό (χημειοσωματικό) κατά μήκος της μεμβράνης που τελικά οδηγεί στη σύνθεση της ATP. Το Photosystem II είναι το κύριο γνωστό ένζυμο που δρα ως καταλύτης σε αυτήν την οξείδωση του νερού.