Photosynthese: Was treibt die Spaltung von Wasser an?

Bei der Katalyse geht es darum, die Freie-Energie-Barriere (auch bekannt als Aktivierungsenergie ) einer Reaktion zu reduzieren, sodass keine Energie benötigt wird. Bei der Photolyse (zB Wasserspaltung) gewinnt man die Energie aus den absorbierten Photonen.

Der genaue Vorgang wird als Joliot-Kok-Zyklus bezeichnet:

• Abbildung 1 – Joliot-Kok-Zyklus – Quelle

Das Photon trennt also die Ladungen auf dem P680, danach aktiviert das aktivierte P680 den Yz-Intermediär, der das Enzym zum nächsten Schritt (Sx) in der Reaktion zwingt.

• 2012 - Transmembrane elektrische Potentialdifferenz im Protein-Pigment-Komplex des Photosystems 2
• 2006 - Der Mangan-Kalziumoxid-Cluster des Photosystems II und seine Assimilation durch die Cyanobakterien

Der Gesamtprozess umfasst drei Arten von Reaktionssequenzen: (a) lichtinduzierte Ladungstrennung, die zur Bildung des radikalischen Ionenpaars P680+ QA(– ) führt; (b) Reduktion von Plastochinon zu Plastochinol an der QB-Stelle über eine zweistufige Reaktionsfolge mit QA(- ) als Reduktionsmittel und (c) oxidative Wasserspaltung in O2 und vier Protonen an einer manganhaltigen katalytischen Stelle über eine vierstufige Sequenz angetrieben von P680+ als Oxidationsmittel und einem redoxaktiven Tyrosin YZ als Mediator.

• 2007 - Photosystem II: Struktur und Mechanismus der Wasser:Plastochinon-Oxidoreduktase.

Der Prozess beinhaltet also kein ATP oder NAD oder ähnliches, sondern nur das "redoxaktive Tyrosin YZ". ATP und NADPH werden nach dem PS2-Teil der Photosynthese erzeugt.

• Abbildung 2 - Lichtabhängige Reaktionen der Photosynthese - Elektronentransportkette - Quelle

Bei der Photolyse von Wasser geht es darum, die von den Photonen (Licht) stammende Energie in ATP und NADPH zu speichern. Im Calvin-Zyklus verwenden die Zellen die gespeicherte Energie, um CO2 zu Kohlenhydraten zu reduzieren. Beispielsweise kann Glukose an die Zellen in der Wurzel abgegeben werden, die sie als Nahrung verwenden können.

Die bei der Spaltung von Wasser entstehenden Elektronen werden später zur Spaltung von CO2 verwendet.

Die allgemeine Formel lautet:

Das Photosystem II übernimmt den ersten Teil der Reaktion, indem es Wasser spaltet und Elektronen auf Plastochinon überträgt sowie H+-Ionen erzeugt. Wasser wird bei dieser Reaktion oxidiert (gibt Elektronen ab), CO2 wird am Ende reduziert (nimmt Elektronen auf). 4 Photonen werden benötigt, um 1 Wassermolekül zu spalten und 8 Photonen, um ein Molekül Sauerstoff freizusetzen. Für grüne Pflanzen kommt die Energie für diese Reaktion vollständig aus Licht. Dabei wird die Energie der Elektronen auch dazu verwendet, ATP zu erzeugen, nicht um es zu nutzen. Eine detailliertere Darstellung findet sich in der schematischen Darstellung „ Z-Schema “ auf der Wikipedia-Seite zur Photosynthese:

Die Abbildung zeigt den Fluss der Elektronen und die Punkte, an denen sie durch Licht auf höhere Energieniveaus gebracht werden. Die Energie des Lichts wird dann in einen Protonengradienten umgewandelt, der dann zur Erzeugung von ATP verwendet wird.

Es ist auch möglich, die Rolle des Sauerstoffs gegen Schwefel auszutauschen, die Energiequelle ist dann meist Wärme. Dies geschieht durch schwefelreduzierende Bakterien in der Tiefsee in der Nähe von Schwarzen Rauchern.

Andere zwei von ihnen beschreiben sehr Details und das sind gute Antworten.

Licht ist die Energiequelle, die die Spaltung der Enzyme aktiviert$\ce{H_2O}$. Wenn ein Chlorophyll im Reaktionszentrum des Photosystems II Lichtenergie absorbiert, wird ein Elektron freigesetzt. Dies ist der aktivierte Zustand, der durch Licht angeregt wird und über genügend Energie/Fähigkeit verfügt, um Elektronen aufzusaugen$\ce{H_2O}$.

$\ce{2H_2O \rightarrow 4H^+ + 4e^- + O_2}$

Chemie der Wasseroxidation des Photosystems II

Licht ist in der Tat die Energie, die für den Prozess benötigt wird! Das beteiligte Photosystem Chlorophyll ist P680. Die Lichtenergie regt ein Elektron auf ein höheres Niveau an, und dieses Elektron wird von Phäophytin eingefangen und bildet P680 ⁺ . Das Redoxpotential für P680 ⁺ ist riesig, 1,3 V, und es wird zu einem sehr starken Oxidationsmittel, das seine verlorenen Elektronen aus Wasser während des Sauerstoffentwicklungsprozesses regeneriert. Das Elektron, das zu Phäophytin ging, wird schließlich zu Q _A und dann zu Q _B übertragen (diese sind an anderer Stelle beteiligt).

Nun also oxidiert das P680 ⁺ diesen redoxaktiven Tyrosinrest namens Yz, indem es ein Elektron aufnimmt. Dies zwingt das Yz in einen radikalen Zustand Yz*. Wie der Artikel weiter liefert, zeigten die Daten, dass der pKa der Yz-Hydroxylgruppe größer als 9 war, was bedeutet, dass sie bei physiologischem pH protoniert sein sollte. Als Ergebnis wird zusammen mit dem oben skizzierten Elektronentransfer ein Proton von Yz* an eine nahe gelegene Base abgegeben: Histidin 190. Auf diese Weise ist Yz* in der Lage, den nahe gelegenen vierkernigen Mangancluster schnell zu oxidieren. Ein Sauerstoff entwickelnder Komplex wird durch Yz, Mn ₄ , Ca, Cl und ein paar zusätzliche Aminosäuren gebildet. Yz oxidiert den Mangancluster, was zu Übergangszuständen führt, die mit S1-S4 bezeichnet werden:

Der stark oxidierte Mn-Cluster oxidiert dann Wasser, um in einen S0-Zustand zurückzukehren, wobei O ₂ als Teil des Prozesses gebildet wird.

Die Autoren erläutern:

Wir schlagen vor, dass die O-O-Bindungsbildung im S4-Zustand über einen nukleophilen Angriff auf eine elektronenarme MnV=O-Spezies durch ein Ca2-gebundenes Wassermolekül erfolgt ... Die O-O-Bindungsbildung beginnt damit, dass das zweite Substratwasser näher an die MnV=O in einer SN2-ähnlichen Reaktion (S4-Zustand in Abbildung 2). Wir schlagen vor, dass dies durch Kontraktion der Mn-Cl-Bindung bei der Bildung der hochvalenten MnV=O-Einheit geschieht.

Zusammenfassend sehen wir, dass Licht die Reaktion antreibt , aber es wird durch Protein vermittelt . Die Nettoreaktion ist eine Oxidation eines Metalloenzymkomplexes, der im Wesentlichen die Wasserstoffatome von Wassermolekülen abreißt, um in seinen Standardzustand zurückzukehren. Der für diese Antwort verwendete Artikel war die beste Erklärung mit vielen Details, die ich persönlich finden konnte, aber er stammt aus dem Jahr 2002. Wenn jemand eine genauere Erklärung hat, lass es mich wissen!