Fotosynthese is een belangrijke biochemische route waarbij suiker (glucose) wordt geproduceerd uit licht, water en koolstofdioxide en zuurstof wordt afgegeven. Het is een reeks complexe biochemische reacties en komt voor in hogere planten, algen, sommige bacteriën en sommige foto-autotrofen. Bijna elk leven hangt af van dit proces. De snelheid van fotosynthese is gerelateerd aan de concentratie van kooldioxide, temperatuur en lichtintensiteit. Het haalt energie uit geabsorbeerde fotonen en gebruikt water als reductiemiddel.
Fotosynthese in het verleden
Met de komst van het leven op aarde begon het proces van fotosynthese. Omdat de zuurstofconcentratie verwaarloosbaar was, vond de eerste fotosynthese plaats met waterstofsulfide en organisch zuur in zeewater. Het niveau van deze materialen was echter niet voldoende om de fotosynthese lang voort te zetten en daarom ontwikkelde zich fotosynthese met water. Bij deze vorm van fotosynthese met water kwam zuurstof vrij. Bijgevolg begon de zuurstofconcentratie in de atmosfeer te stijgen. Deze eindeloze cyclus maakte de aarde rijk aan zuurstof die het huidige zuurstofafhankelijke ecosysteem zou kunnen ondersteunen.
De rol van water in fotosynthese
Op een fundamenteel niveau levert water elektronen ter vervanging van die verwijderd uit chlorofyl in fotosysteem II. Water produceert ook zuurstof en reduceert NADP tot NADPH (vereist in de Calvin-cyclus) door H+-ionen vrij te maken.
Water als zuurstofleverancier
Tijdens het fotosyntheseproces reageren zes moleculen koolstofdioxide en zes moleculen water in de aanwezigheid van zonlicht om één glucosemolecuul en zes zuurstofmoleculen te vormen. De rol van water is om zuurstof (O) van het watermolecuul af te geven aan de atmosfeer in de vorm van zuurstofgas (O2).
Water als elektronenaanvoer
Water heeft ook een andere belangrijke rol als elektronenvoeder. Tijdens het fotosyntheseproces levert water het elektron dat het waterstofatoom (van een watermolecuul) aan de koolstof (van koolstofdioxide) bindt om suiker (glucose) te geven.
Fotolyse van water
Water werkt als een reductiemiddel door H+-ionen te leveren die NADP omzetten in NADPH. Aangezien NADPH een belangrijk reductiemiddel is dat aanwezig is in chloroplasten, resulteert de productie ervan in een tekort aan elektronen, als gevolg van oxidatie van chlorofyl. Dit elektronenverlies moet worden opgevangen door elektronen van een ander reductiemiddel. Fotosysteem II omvat de eerste paar stappen van het Z-schema (het diagram van de elektronentransportketen bij fotosynthese) en dus een reductiemiddel dat elektronen kan afstaan, is nodig om chlorofyl te oxideren, dat wordt geleverd door water (dat fungeert als een bron van elektronen in groene planten en cynobacteriën). Waterstofionen die zo vrijkomen, creëren een chemisch potentieel (chemiosmotisch) over het membraan dat uiteindelijk resulteert in de synthese van ATP. Fotosysteem II is het belangrijkste bekende enzym dat als katalysator werkt bij deze oxidatie van water.