תוֹכֶן
פוטוסינתזה היא תהליך ביוכימי חשוב הכרוך בייצור סוכר (גלוקוז) מאור השמש, מים ופחמן דו חמצני, ומשחרר חמצן. זוהי סדרה של תגובות ביוכימיות מורכבות ומתרחשת בצמחים, באצות, בחלק מהחיידקים ובחלקם פוטוטוטרופים. כמעט כל היצורים החיים תלויים בתהליך זה. קצב הפוטוסינתזה קשור לריכוז הפחמן הדו חמצני, לטמפרטורה ולעוצמת אור השמש. תהליך זה מייצר אנרגיה מפוטונים נספגים, עם מים כחומר הפחתה.
פוטוסינתזה בעבר
עם כניסת החיים על כדור הארץ החל תהליך הפוטוסינתזה. מכיוון שריכוז החמצן היה זניח, הפוטוסינתזה הראשונה התרחשה באמצעות מימן גופרתי וחומצה אורגנית במי ים. עם זאת, רמת החומרים הללו לא הספיקה כדי להמשיך בפוטוסינתזה לאורך זמן, ולכן היא עברה את ההתפתחות של שימוש במים במקום בתרכובות האחרות. סוג זה של פוטוסינתזה, תוך שימוש במים, הביא לשחרור חמצן. כתוצאה מכך, ריכוז החמצן באטמוספירה החל לעלות. מחזור אינסופי זה הפך את כדור הארץ לעשיר בחמצן, מה שאפשר את קיומן של מערכות אקולוגיות התלויות ביסוד זה.
תפקיד המים בפוטוסינתזה
ברמה בסיסית, מים מספקים אלקטרונים כדי להחליף את אלה שמוסרים מכלורופיל במערכת הפוטוס II. בנוסף, הוא מייצר חמצן, כמו גם הפחתת NADP ל- NADPH (הכרחי למחזור קלווין) על ידי שחרור יוני H +.
מים כספק חמצן
בתהליך הפוטוסינתזה, שש מולקולות של פחמן דו חמצני ושש מולקולות מים מגיבות בנוכחות אור שמש ויוצרות מולקולה אחת של גלוקוז ושישה של חמצן. תפקיד המים הוא לשחרר חמצן הנמצא במולקולה שלהם לאטמוספירה בצורה של גז O2.
מים כספק אלקטרונים
למים יש גם תפקיד חשוב נוסף, שהוא אספקת אלקטרונים. בתהליך הפוטוסינתזה, מים תורמים את האלקטרון הקושר את אטום המימן (של המולקולה שלו) לפחמן (של פחמן דו חמצני) ליצירת סוכר (גלוקוז).
פוטוליזת מים
מים משמשים כחומר הפחתה על ידי אספקת יוני H + הממירים NADP ל- NADPH. מכיוון ש- NADPH הוא חומר הפחתה חשוב הקיים בכלורופלסטים, היווצרותו גורמת לגירעון אלקטרונים לאחר חמצון הכלורופיל. את האובדן הזה חייבים להחליף אלקטרונים של חומר צמצום אחר. מערכת האנזים II פועלת בשלבים הראשונים של ערכת ה- Z (התרשים של שרשרת הובלת האלקטרונים בפוטוסינתזה), ואז, חומר מפחית שיכול לתרום אלקטרונים נחוץ לחמצון כלורופיל, פונקציה המבוצעת על ידי מים (הפועלת כמקור אלקטרונים בצמחים ירוקים וציאנובקטריה). יוני המימן המשוחררים יוצרים פוטנציאל כימי (כימוסמוטי) על פני הקרום המיטוכונדריאלי, מה שמביא לסינתזה של ATP. פוטוסיסטם II הוא האנזים הידוע בעיקר כזרז בתהליך חמצון מים זה.