כיצד מייצרים גז חמצן במהלך הפוטוסינתזה?

פוטוסינתזה היא התהליך שבו צמחים וכמה חיידקים ופרוטיסטים מסנתזים מולקולות סוכר מפחמן דו חמצני, מים ואור שמש. ניתן לחלק את הפוטוסינתזה לשני שלבים - התגובה התלויה באור והתגובות הבלתי תלויות באור (או כהות). במהלך תגובות האור, הופשט אלקטרון ממולקולת מים המשחררת את אטומי החמצן והמימן. אטום החמצן החופשי משולב עם אטום חמצן חופשי נוסף כדי לייצר גז חמצן אשר לאחר מכן משתחרר.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

אטומי חמצן נוצרים במהלך תהליך האור של הפוטוסינתזה, ושני אטומי חמצן מתחברים ליצירת גז חמצן.

המטרה העיקרית של תגובות האור בפוטוסינתזה היא לייצר אנרגיה לשימוש בתגובות החשוכות. האנרגיה נקצרת מאור השמש המועבר לאלקטרונים. כאשר האלקטרונים עוברים דרך סדרה של מולקולות, נוצר קרום שיפוע פרוטון. הפרוטונים זורמים חזרה על פני הממברנה דרך אנזים הנקרא ATP synthase אשר יוצר ATP, מולקולת אנרגיה, המשמשת בתגובות החשוכות שבהן משתמשים בפחמן דו חמצני ליצירת סוכר. תהליך זה נקרא פוטופוספורילציה.

פוטוסוספורילציה מחזורית ולא מחזורית מתייחסת למקור ויעד האלקטרון המשמש לייצור שיפוע הפרוטון ובתורו ה- ATP. בפוטופוספורלציה מחזורית, האלקטרון ממוחזר בחזרה למערכת פוטו שם הוא ממריץ מחדש וחוזר על מסעו בתגובות האור. עם זאת, בפוטופוספורילציה לא-מחזורית, השלב הסופי של האלקטרון הוא ביצירת מולקולת NADPH המשמשת גם בתגובות החשוכות. זה דורש קלט של אלקטרון חדש כדי לחזור על תגובות האור. הצורך באלקטרון זה מביא ליצירת חמצן ממולקולות מים.

באיקריוטים פוטוסינתטיים כמו אצות וצמחים, פוטוסינתזה מתרחשת באברון תא מיוחד המתקרא כלורופלסט. בתוך הכלורופלסטים נמצאים ממברנות תילאקואיד המספקות סביבה פנימית וחיצונית לפוטוסינתזה. הממברנות התילקואידיות קיימות בכל האורגניזמים הפוטוסינתטיים, כולל חיידקים, אך רק אאוקריוטים שוכנים קרומים אלה בתוך כלורופלסטים. פוטוסינתזה מתחילה במערכות פוטו הממוקמות בתוך הממברנות התילקואידיות. ככל שתגובות האור של הפוטוסינתזה מתקדמות, פרוטונים נארזים בתוך חללי הממברנה ויוצרים שיפוע פרוטון על פני הממברנה.

מערכות פוטו הן מבנים מורכבים של מעורבות פיגמנטים הממוקמים בתוך הממברנה התילקואידית וממריצים אלקטרונים באמצעות אנרגיית אור. כל פיגמנט מותאם לחלק מסוים מספקטרום האור. הפיגמנט המרכזי הוא כלורופיל? אשר משמש תפקיד נוסף של איסוף האלקטרון המשמש בתגובות אור שלאחר מכן. במרכז הכלורופיל? הם יונים הנקשרים למולקולות מים. כאשר הכלורופיל ממריץ אלקטרון ושולח את האלקטרון מחוץ למערכת הצילום למולקולות קולטן ממתינות, האלקטרון מוחלף ממולקולות המים.

כאשר האלקטרונים מוסרים ממולקולות מים, המים נשברים לאטומי רכיבים. אטומי החמצן משתי מולקולות מים משתלבים ויוצרים חמצן דיאטומי (O₂). אטומי המימן, שהם פרוטונים בודדים החסרים את האלקטרונים שלהם, מסייעים ליצירת שיפוע הפרוטון בתוך החלל הסגור על ידי קרום התילקואיד. החמצן הדיאטומי משתחרר ומרכז הכלורופיל נקשר למולקולות מים חדשות כדי לחזור על התהליך. בשל התגובות המעורבות, על כלורופיל להמריץ ארבעה אלקטרונים כדי ליצור מולקולה אחת של חמצן.