Fotosinteza je važan biokemijski put koji uključuje proizvodnju šećera (glukoze) iz svjetlosti, vode i ugljičnog dioksida i oslobađanje kisika. To je niz složenih biokemijskih reakcija i javlja se u višim biljkama, algama, nekim bakterijama i nekim fotoautotrofima. Gotovo svaki život ovisi o ovom procesu. Brzina fotosinteze povezana je s koncentracijom ugljičnog dioksida, temperaturom i intenzitetom svjetlosti. Energiju dobiva iz apsorbiranih fotona i koristi vodu kao redukcijsko sredstvo.
Fotosinteza u prošlosti
Dolaskom života na Zemlji započeo je proces fotosinteze. Budući da je koncentracija kisika bila zanemariva, prva fotosinteza dogodila se uporabom sumporovodika i organske kiseline u morskoj vodi. Međutim, razina ovih materijala nije bila dovoljna za dugotrajno nastavljanje fotosinteze, pa je stoga evoluirala fotosinteza korištenjem vode. Ova vrsta fotosinteze korištenjem vode rezultirala je oslobađanjem kisika. Posljedično, koncentracija kisika u atmosferi počela je rasti. Ovaj beskrajni ciklus učinio je Zemlju bogatom kisikom koji bi mogao podržati postojeći ekosustav o kisiku.
Uloga vode u fotosintezi
Na osnovnoj razini, voda osigurava elektrone koji zamjenjuju one uklonjene iz klorofila u fotosustavu II. Također, voda proizvodi kisik, kao i smanjuje NADP do NADPH (potreban u Calvinovom ciklusu) oslobađajući H + ione.
Voda kao dobavljač kisika
Tijekom procesa fotosinteze, šest molekula ugljičnog dioksida i šest molekula vode reagiraju u prisutnosti sunčeve svjetlosti stvarajući jednu molekulu glukoze i šest molekula kisika. Uloga vode je oslobađanje kisika (O) iz molekule vode u atmosferu u obliku plina kisika (O2).
Voda kao dovod elektrona
Voda također ima još jednu važnu ulogu da bude elektronik. U procesu fotosinteze, voda osigurava elektron koji veže atom vodika (molekule vode) s ugljikom (ugljikov dioksid) dajući šećer (glukozu).
Fotoliza vode
Voda djeluje kao redukcijsko sredstvo pružajući ione H + koji pretvaraju NADP u NADPH. Budući da je NADPH važno reducirajuće sredstvo prisutno u kloroplastima, njegova proizvodnja rezultira deficitom elektrona, što je posljedica oksidacije klorofila. Taj gubitak elektrona moraju nadoknaditi elektroni iz nekog drugog redukcijskog sredstva. Photosystem II uključuje prvih nekoliko koraka Z-sheme (dijagram lanca prijenosa elektrona u fotosintezi) i stoga redukcijsko sredstvo koji može donirati elektrone potreban je za oksidaciju klorofila koji se osigurava vodom (djelujući kao izvor elektrona u zelenim biljkama i cinobakterija). Tako oslobođeni vodikovi ioni stvaraju kemijski potencijal (kemiosmotski) kroz membranu koji konačno rezultira sintezom ATP. Photosystem II je primarno poznati enzim koji djeluje kao katalizator u ovoj oksidaciji vode.