La fotosintesi è un'importante via biochimica che coinvolge la produzione di zucchero (glucosio) da luce, acqua e anidride carbonica e rilascia ossigeno. È una serie di complesse reazioni biochimiche e si verifica nelle piante superiori, nelle alghe, in alcuni batteri e in alcuni fotoautotrofi. Quasi ogni vita dipende da questo processo. La velocità della fotosintesi è correlata alla concentrazione di anidride carbonica, alla temperatura e all'intensità della luce. Ottiene energia dai fotoni assorbiti e utilizza l'acqua come agente riducente.
Fotosintesi nel passato
Con l'avvento della vita sulla Terra, iniziò il processo di fotosintesi. Poiché la concentrazione di ossigeno era trascurabile, la prima fotosintesi è avvenuta utilizzando acido solfidrico e acido organico nell'acqua di mare. Tuttavia, il livello di questi materiali non era sufficiente per continuare a lungo la fotosintesi e quindi la fotosintesi utilizzando l'acqua si è evoluta. Questo tipo di fotosintesi utilizzando l'acqua ha portato alla liberazione di ossigeno. Di conseguenza, la concentrazione di ossigeno nell'atmosfera iniziò ad aumentare. Questo ciclo infinito ha reso la Terra ricca di ossigeno che potrebbe supportare l'attuale ecosistema dipendente dall'ossigeno.
Ruolo dell'acqua nella fotosintesi
A livello fondamentale, l'acqua fornisce elettroni per sostituire quelli rimossi dalla clorofilla nel fotosistema II. Inoltre, l'acqua produce ossigeno e riduce NADP a NADPH (richiesto nel ciclo di Calvin) liberando ioni H+.
Acqua come fornitore di ossigeno
Durante il processo di fotosintesi, sei molecole di anidride carbonica e sei molecole di acqua reagiscono in presenza di luce solare per formare una molecola di glucosio e sei molecole di ossigeno. Il ruolo dell'acqua è di rilasciare ossigeno (O) dalla molecola d'acqua nell'atmosfera sotto forma di gas ossigeno (O2).
Acqua come alimentatore di elettroni
L'acqua ha anche un altro importante ruolo di alimentatore di elettroni. Nel processo di fotosintesi, l'acqua fornisce l'elettrone che lega l'atomo di idrogeno (di una molecola d'acqua) al carbonio (di anidride carbonica) per dare zucchero (glucosio).
Fotolisi dell'acqua
L'acqua agisce come agente riducente fornendo ioni H+ che convertono NADP in NADPH. Poiché il NADPH è un importante agente riducente presente nei cloroplasti, la sua produzione determina un deficit di elettroni, derivante dall'ossidazione della clorofilla. Questa perdita di elettroni deve essere soddisfatta dagli elettroni di qualche altro agente riducente. Il fotosistema II coinvolge i primi passi dello schema Z (il diagramma della catena di trasporto degli elettroni nella fotosintesi) e quindi un agente riducente che può donare elettroni è necessaria per ossidare la clorofilla, che è fornita dall'acqua (agendo come fonte di elettroni nelle piante verdi e cinobatteri). Gli ioni idrogeno così rilasciati creano un potenziale chimico (chemiosmotico) attraverso la membrana che alla fine porta alla sintesi di ATP. Il fotosistema II è il principale enzima noto che agisce come catalizzatore in questa ossidazione dell'acqua.