Фотосинтез: что способствует расщеплению воды?

Катализ заключается в снижении свободного энергетического барьера (т. е. энергии активации ) реакции, поэтому он не требует никакой энергии. При фотолизе (например, при расщеплении воды) вы получаете энергию от поглощенных фотонов.

Точный процесс называется циклом Жолио-Кока:

• Рисунок 1 – Цикл Жолио-Кока – источник

Таким образом, фотон разделяет заряды на P680, после чего активированный P680 активирует посредник Yz, который переводит фермент на следующую стадию (Sx) реакции.

• 2012 - Трансмембранная разница электрических потенциалов в белково-пигментном комплексе фотосистемы 2.
• 2006 - Кластер оксида марганца-кальция Фотосистемы II и его ассимиляция цианобактериями.

Общий процесс включает три типа последовательностей реакций: (а) индуцированное светом разделение зарядов, ведущее к образованию ион-радикальной пары P680+ QA(- ); (b) восстановление пластохинона до пластохинола в QB-центре посредством двухстадийной последовательности реакций с QA(- ) в качестве восстановителя и (c) окислительное расщепление воды на O2 и четыре протона в марганецсодержащем каталитическом центре посредством четырехстадийного последовательность, управляемая P680+ в качестве окислителя и редокс-активным тирозином YZ, действующим в качестве медиатора.

• 2007 - Фотосистема II: структура и механизм вода:пластохиноноксидоредуктаза.

Таким образом, в этом процессе не участвуют АТФ, НАД или что-то в этом роде, а только «редокс-активный тирозин YZ». АТФ и НАДФН образуются после ФС2-части фотосинтеза.

• Рисунок 2 – Светозависимые реакции фотосинтеза – электронтранспортная цепь – источник

Фотолиз воды заключается в хранении энергии фотонов (света) в АТФ и НАДФН. В цикле Кальвина клетки используют накопленную энергию для превращения CO2 в углеводы. Например, глюкоза может быть доставлена ​​в клетки корня, которые могут использовать ее в качестве пищи.

Электроны, которые образуются при расщеплении воды, позже используются для расщепления CO2.

Общая формула:

Фотосистема II выполняет первую часть реакции, расщепляя воду и передавая электроны пластохинону, а также генерируя ионы H+. В этой реакции вода окисляется (тратит электроны), CO2 в итоге восстанавливается (получает электроны). Для расщепления 1 молекулы воды требуется 4 фотона и 8 фотонов для освобождения одной молекулы кислорода. Для зеленых растений энергия для этой реакции полностью исходит от света. В процессе энергия электронов также используется для создания АТФ, а не для ее использования. Более подробный вид можно найти на схематической диаграмме « Z-схема » на странице Википедии, посвященной фотосинтезу:

На рисунке показан поток электронов и точки, когда они переводятся на более высокие энергетические уровни светом. Затем энергия света преобразуется в протонный градиент, который затем используется для генерации АТФ.

Также возможно заменить роль кислорода на серу, тогда источником энергии обычно является тепло. Это делается серовосстанавливающими бактериями в глубоком море в непосредственной близости от черных курильщиков.

Два других из них описывают очень подробно, и это хорошие ответы.

Свет является источником энергии, активируя ферменты для расщепления$\ce{H_2O}$. Когда хлорофилл в реакционном центре фотосистемы II поглощает световую энергию, высвобождается электрон. Это активированное состояние, возбуждаемое светом, и имеет достаточно энергии/способности поглощать электроны из$\ce{H_2O}$.

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

Химия окисления воды фотосистемы II

Свет – это действительно энергия, необходимая для осуществления процесса! Вовлеченный хлорофилл фотосистемы - P680. Энергия света возбуждает электрон на более высокий уровень, и этот электрон захватывается феофитином, образуя Р680 ⁺ . Окислительно-восстановительный потенциал P680 ⁺ огромен, 1,3 В, и он становится очень сильным окислителем, восстанавливая потерянные электроны из воды в процессе выделения кислорода. Электрон, который достался феофитину, в конце концов переходит на QA _, а затем на QB ₍ они задействованы в другом месте).

Итак, теперь P680 ⁺ окисляет этот окислительно-восстановительный остаток тирозина, называемый Yz, забирая электрон. Это переводит Yz в радикальное состояние Yz*. Как сообщается в статье, данные показали, что pKa гидроксильной группы Yz больше 9, что означает, что она должна быть протонирована при физиологическом pH. В результате, в соответствии с описанным выше переносом электрона, протон передается от Yz * к соседнему основанию: гистидину 190. Таким образом, Yz * способен быстро окислять соседний тетраядерный кластер марганца. Кислород-выделяющий комплекс образован Yz, Mn ₄ , Ca, Cl и парой дополнительных аминокислот. Yz окисляет кластер марганца, что приводит к переходным состояниям, обозначенным S1-S4:

Сильно окисленный кластер Mn затем окисляет воду, чтобы вернуться в состояние S0, образуя O ₂ как часть процесса.

Подробно авторы:

Мы предполагаем, что образование связи O–O происходит в состоянии S4 посредством нуклеофильной атаки на электронодефицитные частицы MnV=O молекулой воды, связанной с Ca2... Образование связи O–O начинается с приближения второй воды субстрата к MnV=O в реакции, подобной SN2 (состояние S4 на рис. 2). Мы предполагаем, что это происходит за счет сокращения связи Mn–Cl при образовании высоковалентного фрагмента MnV=O.

В заключение мы видим, что свет стимулирует реакцию, но она опосредована белком. Чистая реакция представляет собой окисление металлоферментного комплекса, который отрывает атомы водорода от молекул воды, возвращая их в исходное состояние. Статья, использованная для этого ответа, была лучшим объяснением с большим количеством деталей, которые я мог найти лично, но она датируется 2002 годом. Если у кого-то есть более точное объяснение, дайте мне знать!