Fotosynteza jest ważnym szlakiem biochemicznym obejmującym produkcję cukru (glukozy) ze światła, wody i dwutlenku węgla oraz uwalnianie tlenu. Jest to szereg złożonych reakcji biochemicznych i występuje w roślinach wyższych, algach, niektórych bakteriach i niektórych fotoautotrofach. Niemal każde życie zależy od tego procesu. Tempo fotosyntezy związane jest ze stężeniem dwutlenku węgla, temperaturą i natężeniem światła. Pozyskuje energię z pochłoniętych fotonów i wykorzystuje wodę jako czynnik redukujący.
Fotosynteza w przeszłości
Wraz z pojawieniem się życia na Ziemi rozpoczął się proces fotosyntezy. Ponieważ stężenie tlenu było znikome, pierwsza fotosynteza miała miejsce przy użyciu siarkowodoru i kwasu organicznego w wodzie morskiej. Jednak poziom tych materiałów nie był wystarczający do kontynuacji fotosyntezy przez długi czas i dlatego fotosynteza wyewoluowała z użyciem wody. Ten rodzaj fotosyntezy z użyciem wody spowodował uwolnienie tlenu. W konsekwencji stężenie tlenu w atmosferze zaczęło wzrastać. Ten niekończący się cykl sprawił, że Ziemia była bogata w tlen, który mógł wspierać obecny, zależny od tlenu ekosystem.
Rola wody w fotosyntezie
Na podstawowym poziomie woda dostarcza elektrony, które zastępują te usunięte z chlorofilu w fotosystemie II. Ponadto woda wytwarza tlen, a także redukuje NADP do NADPH (wymagane w cyklu Calvina) poprzez uwalnianie jonów H+.
Woda jako dostawca tlenu
Podczas procesu fotosyntezy sześć cząsteczek dwutlenku węgla i sześć cząsteczek wody reaguje w obecności światła słonecznego, tworząc jedną cząsteczkę glukozy i sześć cząsteczek tlenu. Rolą wody jest uwalnianie tlenu (O) z cząsteczki wody do atmosfery w postaci gazowego tlenu (O2).
Woda jako podajnik elektronów
Woda pełni również inną ważną rolę, będąc podajnikiem elektronów. W procesie fotosyntezy woda dostarcza elektron, który wiąże atom wodoru (cząsteczki wody) z węglem (dwutlenek węgla), dając cukier (glukozę).
Fotoliza wody
Woda działa jako środek redukujący, dostarczając jony H+, które przekształcają NADP w NADPH. Ponieważ NADPH jest ważnym reduktorem obecnym w chloroplastach, jego produkcja powoduje deficyt elektronów, wynikający z utleniania chlorofilu. Ta utrata elektronu musi być wypełniona przez elektrony z jakiegoś innego środka redukującego. Fotosystem II obejmuje kilka pierwszych etapów schematu Z (schemat łańcucha transportu elektronów w fotosyntezie), a zatem czynnik redukujący który może oddawać elektrony jest potrzebny do utlenienia chlorofilu, który jest dostarczany przez wodę (działa jako źródło elektronów w roślinach zielonych i cynobakterie). Uwolnione w ten sposób jony wodorowe tworzą potencjał chemiczny (chemiosmotyczny) przez błonę, co ostatecznie prowadzi do syntezy ATP. Fotosystem II jest głównym znanym enzymem, który działa jako katalizator w tym utlenianiu wody.