Πώς παράγεται αέριο οξυγόνο κατά τη φωτοσύνθεση;

Η φωτοσύνθεση είναι η διαδικασία με την οποία τα φυτά και ορισμένα βακτήρια και προστατευτικά συνθέτουν μόρια σακχάρου από διοξείδιο του άνθρακα, νερό και ηλιακό φως. Η φωτοσύνθεση μπορεί να χωριστεί σε δύο στάδια - την αντίδραση που εξαρτάται από το φως και τις αντιδράσεις ανεξάρτητες από το φως (ή σκοτεινές). Κατά τη διάρκεια των αντιδράσεων φωτός, ένα ηλεκτρόνιο απογυμνώνεται από ένα μόριο νερού που απελευθερώνει τα άτομα οξυγόνου και υδρογόνου. Το ελεύθερο άτομο οξυγόνου συνδυάζεται με ένα άλλο ελεύθερο άτομο οξυγόνου για να παράγει αέριο οξυγόνου το οποίο στη συνέχεια απελευθερώνεται.

TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)

Τα άτομα οξυγόνου δημιουργούνται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φωτός της φωτοσύνθεσης, και δύο άτομα οξυγόνου στη συνέχεια συνδυάζονται για να σχηματίσουν αέριο οξυγόνο.

Ο πρωταρχικός σκοπός των φωτεινών αντιδράσεων στη φωτοσύνθεση είναι η παραγωγή ενέργειας για χρήση στις σκοτεινές αντιδράσεις. Η ενέργεια συλλέγεται από το ηλιακό φως που μεταφέρεται σε ηλεκτρόνια. Καθώς τα ηλεκτρόνια διέρχονται από μια σειρά μορίων, σχηματίζονται μεμβράνες διαβάθμισης πρωτονίων. Τα πρωτόνια ρέουν πίσω μέσω της μεμβράνης μέσω ενός ενζύμου που ονομάζεται συνθετάση ΑΤΡ το οποίο παράγει ΑΤΡ, ένα ενεργειακό μόριο, που χρησιμοποιείται στις σκοτεινές αντιδράσεις όπου το διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιείται για την παραγωγή σακχάρου. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται φωτοφωσφορυλίωση.

Η κυκλική και μη κυκλική φωτοφωσφορυλίωση αναφέρεται στην πηγή και στον προορισμό του ηλεκτρονίου που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία της βαθμίδωσης πρωτονίων και με τη σειρά του το ATP. Στην κυκλική φωτοφωσφορυλίωση, το ηλεκτρόνιο ανακυκλώνεται πίσω σε ένα φωτοσύστημα όπου επανενεργοποιείται και επαναλαμβάνει το ταξίδι του μέσω των αντιδράσεων φωτός. Ωστόσο, σε μη κυκλική φωτοφωσφορυλίωση, το τελικό βήμα του ηλεκτρονίου είναι στη δημιουργία ενός μορίου NADPH που χρησιμοποιείται επίσης στις σκοτεινές αντιδράσεις. Αυτό απαιτεί την είσοδο ενός νέου ηλεκτρονίου για την επανάληψη των αντιδράσεων φωτός. Η ανάγκη για αυτό το ηλεκτρόνιο έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό οξυγόνου από μόρια νερού.

Στα φωτοσυνθετικά ευκαρυωτικά όπως τα φύκια και τα φυτά, η φωτοσύνθεση συμβαίνει σε ένα εξειδικευμένο οργανικό κύτταρο που ονομάζεται χλωροπλάστης. Εντός των χλωροπλαστών υπάρχουν θυλακοειδείς μεμβράνες που παρέχουν εσωτερικό και εξωτερικό περιβάλλον για φωτοσύνθεση. Οι θυλακοειδείς μεμβράνες υπάρχουν σε όλους τους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων των βακτηρίων, αλλά μόνο τα ευκαρυωτικά στεγάζουν αυτές τις μεμβράνες εντός χλωροπλαστών. Η φωτοσύνθεση ξεκινά σε φωτοσυστήματα που βρίσκονται εντός των θυλακοειδών μεμβρανών. Καθώς οι ελαφριές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης εξελίσσονται, τα πρωτόνια συσκευάζονται μέσα στους χώρους της μεμβράνης δημιουργώντας μια κλίση πρωτονίων κατά μήκος της μεμβράνης.

Τα φωτοσυστήματα είναι σύνθετες δομές εμπλοκής χρωστικών που βρίσκονται εντός της θυλακοειδούς μεμβράνης που ενεργοποιούν ηλεκτρόνια χρησιμοποιώντας ελαφριά ενέργεια. Κάθε χρωστική προσαρμόζεται σε ένα συγκεκριμένο τμήμα του φάσματος του φωτός. Η κεντρική χρωστική είναι η χλωροφύλλη; που εξυπηρετεί έναν πρόσθετο ρόλο της συγκέντρωσης του ηλεκτρονίου που χρησιμοποιείται σε επακόλουθες αντιδράσεις φωτός. Μέσα στο κέντρο της χλωροφύλλης; είναι ιόντα που συνδέονται με μόρια νερού. Καθώς η χλωροφύλλη ενεργοποιεί ένα ηλεκτρόνιο και στέλνει το ηλεκτρόνιο έξω από το φωτοσύστημα σε μόρια υποδοχέα αναμονής, το ηλεκτρόνιο αντικαθίσταται από τα μόρια νερού.

Καθώς τα ηλεκτρόνια απογυμνώνονται από μόρια νερού, το νερό διασπάται σε συστατικά άτομα. Τα άτομα οξυγόνου από δύο μόρια νερού συνδυάζονται για να σχηματίσουν διατομικό οξυγόνο (Ο₂). Τα άτομα υδρογόνου, τα οποία είναι απλά πρωτόνια που λείπουν τα ηλεκτρόνια τους, βοηθούν στη δημιουργία της βαθμίδας πρωτονίων μέσα στο χώρο που περικλείεται από τη μεμβράνη του θυλακοειδούς. Το διατομικό οξυγόνο απελευθερώνεται και το κέντρο χλωροφύλλης συνδέεται με νέα μόρια νερού για να επαναλάβει τη διαδικασία. Λόγω των σχετικών αντιδράσεων, τέσσερα ηλεκτρόνια πρέπει να ενεργοποιούνται από τη χλωροφύλλη για να παράγουν ένα μόνο μόριο οξυγόνου.