מדוע מים חשובים לפוטוסינתזה?

פוטוסינתזה היא דרך ביוכימית חשובה הכוללת ייצור סוכר (גלוקוז) מאור, מים ופחמן דו חמצני ושחרור חמצן. זוהי סדרה של תגובות ביוכימיות מורכבות ומתרחשת בצמחים גבוהים יותר, באצות, בחלק מהחיידקים ובחלקם פוטוטוטרופים. כמעט כל חיים תלויים בתהליך זה. קצב הפוטוסינתזה קשור לריכוז פחמן דו חמצני, לטמפרטורה ולעוצמת האור. הוא מקבל אנרגיה מפוטונים נספגים ומשתמש במים כחומר הפחתה.

עם כניסת החיים על כדור הארץ החל תהליך הפוטוסינתזה. מכיוון שריכוז החמצן היה זניח, הפוטוסינתזה הראשונה התרחשה באמצעות מימן גופרתי וחומצה אורגנית במי הים. עם זאת, רמת החומרים הללו לא הספיקה כדי להמשיך בפוטוסינתזה לאורך זמן ולכן התפתחה פוטוסינתזה באמצעות מים. סוג זה של פוטוסינתזה באמצעות מים הביא לשחרור חמצן. כתוצאה מכך, ריכוז החמצן באטמוספירה החל לעלות. מחזור אינסופי זה הפך את כדור הארץ לעשיר בחמצן שיכול לתמוך במערכת האקולוגית התלויית חמצן הנוכחית.

ברמה בסיסית, מים מספקים אלקטרונים שיחליפו את אלה שהוסרו מכלורופיל במערכת פוטוס II. כמו כן, מים מייצרים חמצן וכן מפחיתים את NADP ל- NADPH (נדרש במחזור קלווין) על ידי שחרור יוני H +.

בתהליך הפוטוסינתזה, שש מולקולות של פחמן דו חמצני ושש מולקולות מים מגיבות בנוכחות אור שמש ויוצרות מולקולת גלוקוז אחת ושישה מולקולות חמצן. תפקיד המים הוא לשחרר חמצן (O) ממולקולת המים לאטמוספירה בצורה של גז חמצן (O2).

למים יש גם תפקיד חשוב נוסף להיות מזין אלקטרונים. בתהליך הפוטוסינתזה, מים מספקים את האלקטרון הקושר את אטום המימן (של מולקולת מים) לפחמן (של פחמן דו חמצני) כדי לתת סוכר (גלוקוז).

מים משמשים כגורם הפחתה על ידי אספקת יוני H + הממירים NADP ל- NADPH. מכיוון ש- NADPH הוא חומר הפחתה חשוב הקיים בכלורופלסטים, ייצורו מביא לגירעון אלקטרונים הנובע מחמצון של כלורופיל. את אובדן האלקטרון הזה חייבים למלא אלקטרונים מגורם צמצום אחר. פוטוסיסטם II כוללת את השלבים הראשונים של ערכת ה- Z (התרשים של שרשרת הובלת האלקטרונים בפוטוסינתזה) ולכן חומר צמצום שיכול לתרום אלקטרונים נדרש לחמצון כלורופיל, המסופק על ידי מים (משמש כמקור לאלקטרונים בצמחים ירוקים ו סינובקטריה). יונים מימן המשתחררים לפיכך יוצרים פוטנציאל כימי (כימיוסמוטי) על פני הממברנה המביא סוף סוף לסינתזה של ATP. פוטוסיסטם II הוא האנזים הידוע העיקרי המשמש כזרז בחמצון זה של מים.