Hoe zuurstofgas wordt geproduceerd tijdens fotosynthese?

Fotosynthese is het proces waarbij planten en sommige bacteriën en protisten suikermoleculen synthetiseren uit koolstofdioxide, water en zonlicht. Fotosynthese kan worden onderverdeeld in twee fasen: de lichtafhankelijke reactie en de lichtonafhankelijke (of donker) reacties. Tijdens de lichtreacties wordt een elektron ontdaan van een watermolecuul waardoor de zuurstof- en waterstofatomen vrijkomen. Het vrije zuurstofatoom combineert met een ander vrij zuurstofatoom om zuurstofgas te produceren dat vervolgens vrijkomt.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

Zuurstofatomen worden gecreëerd tijdens het lichtproces van fotosynthese en twee zuurstofatomen combineren vervolgens om zuurstofgas te vormen.

Het primaire doel van de lichtreacties bij fotosynthese is het opwekken van energie voor gebruik in de donkerreacties. De energie wordt gewonnen uit zonlicht dat wordt overgedragen aan elektronen. Terwijl de elektronen door een reeks moleculen gaan, wordt een protongradiënt gevormde membranen. De protonen stromen terug over het membraan via een enzym genaamd ATP-synthase dat ATP genereert, een energiemolecuul dat wordt gebruikt in de donkere reacties waarbij koolstofdioxide wordt gebruikt om suiker te maken. Dit proces wordt fotofosforylering genoemd.

Cyclische en niet-cyclische fotofosforylering verwijzen naar de bron en bestemming van het elektron dat wordt gebruikt om de protongradiënt en op zijn beurt de ATP te genereren. Bij cyclische fotofosforlering wordt het elektron teruggevoerd naar een fotosysteem waar het opnieuw wordt geactiveerd en zijn reis door de lichtreacties herhaalt. Bij niet-cyclische fotofosforylering is de laatste stap van het elektron echter het creëren van een NADPH-molecuul dat ook wordt gebruikt in de donkere reacties. Dit vereist de invoer van een nieuw elektron om de lichtreacties te herhalen. De behoefte aan dit elektron resulteert in de vorming van zuurstof uit watermoleculen.

Bij fotosynthetische eukaryoten zoals algen en planten vindt fotosynthese plaats in een gespecialiseerd celorganel dat een chloroplast wordt genoemd. Binnen de chloroplasten bevinden zich thylakoïde membranen die zorgen voor een interne en externe omgeving voor fotosynthese. De thylakoïde membranen zijn aanwezig in alle fotosynthetische organismen, inclusief bacteriën, maar alleen eukaryoten herbergen deze membranen in chloroplasten. Fotosynthese begint in fotosystemen die zich in de thylakoïde membranen bevinden. Naarmate de lichtreacties van fotosynthese vorderen, worden protonen in de membraanruimten gepakt, waardoor een protongradiënt over het membraan ontstaat.

Fotosystemen zijn complexe structuren waarbij pigmenten zijn betrokken die zich in het thylakoïde membraan bevinden en die elektronen van energie voorzien met behulp van lichtenergie. Elk pigment is afgestemd op een specifiek deel van het lichtspectrum. Het centrale pigment is chlorofyl? die een extra rol vervult bij het verzamelen van het elektron dat wordt gebruikt in daaropvolgende lichtreacties. In het centrum van chlorofyl? zijn ionen die zich binden aan watermoleculen. Terwijl chlorofyl een elektron bekrachtigt en het elektron buiten het fotosysteem naar wachtende receptormoleculen stuurt, wordt het elektron vervangen door de watermoleculen.

Terwijl elektronen worden ontdaan van watermoleculen, wordt het water opgesplitst in samenstellende atomen. De zuurstofatomen van twee watermoleculen combineren om diatomische zuurstof te vormen (O₂). De waterstofatomen, die enkele protonen zijn die hun elektronen missen, helpen bij het creëren van de protongradiënt in de ruimte die wordt ingesloten door het thylakoïde membraan. De diatomische zuurstof komt vrij en het chlorofylcentrum bindt zich aan nieuwe watermoleculen om het proces te herhalen. Vanwege de betrokken reacties moeten vier elektronen worden geactiveerd door het chlorofyl om een ​​enkel molecuul zuurstof te genereren.