Fotolyse des Wassers

Lichtenergie wird von den Antennenpigmenten (Chlorophyll und Carotinoiden) des Fotosystems II absorbiert und zu einem speziellen Chlorophyll a-Molekül (Pigment 680, P 680) als Reaktionszentrum weitergeleitet. Die angeregten Elektronen gelangen auf ein höheres Energieniveau, wo sie von einem Akzeptor (Chlorophylle, denen das Mg-Zentralatom fehlt) aufgefangen werden. Durch die Abgabe von 2 Elektronen ist nun eine Lücke entstanden, die umgehend wieder aufgefüllt werden muss. Die dafür benötigten Elektronen stammen aus der Fotolyse des Wassers (lichtabhängige Wasserspaltung), d. h. das unterbesetzte Chlorophyllmolekül beginnt sofort damit, Wasser zu oxidieren (aufzuspalten).

Diese Reaktion findet an der Innenseite der Thylakoidmembranen statt. Dabei wird Wasser durch ein Enzymsystem mit Mangan-Atomen als aktivem Zentrum katalytisch oxidiert. Bei der Zersetzung der Wassermoleküle entstehen: Protonen, Sauerstoff und Elektronen:

$\begin{array}{l}{\text{2 H}}_{\text{2}}\text{O}\to {\text{4 H}}^{\text{+}}\text{+}{\text{O}}_{\text{2}}\text{+}{\text{4e}}^{\text{-}}\\ \text{Wasser}\text{Protonen}\text{Sauerstoff}\text{Elektronen}\end{array}$

Die 4 bei dieser Reaktion entstehenden Elektronen sorgen für das Auffüllen der Elektronenlücke im Fotosystem II. Gleichzeitig werden die Protonen für die Reduktion von NADP⁺ benötigt. Dieses Coenzym ist für die Übertragung von Elektronen und Protonen von den Lichtreaktionen auf die Prozesse der lichtunabhängigen Reaktionen notwendig. Der entstandene Sauerstoff ist eigentlich nur ein Abfallprodukt der Fotosynthese. Aber die 2 * 10¹¹ Tonnen, die dabei jährlich gebildet werden, stellen die Lebensgrundlage für alle aeroben Organismen dar.

Der englische Chemiker ROBERT HILL (1899-1991) untersuchte diese Reaktion mit isolierten Chloroplasten in Gegenwart von Eisen(III)-Ionen als Elektronenakzeptoren. Dabei stellte er die Bildung von Sauerstoff fest (1939). Die Elektronen für die Fotosynthese konnten dabei nur vom Wasser stammen, da Kohlenstoffdioxid an diesem Experiment nicht beteiligt war. Somit erbrachte er den Beweis, dass der Sauerstoff aus der Fotosynthese nicht vom Kohlenstoffdioxid, sondern aus der Wasserspaltung stammt (HILL-Reaktion).

Die Mangan-Atome im aktiven Zentrum des Enzymsystems sollen dafür zuständig sein, dass sich bei der Fotolyse des Wassers Sauerstoff ohne gefährliche Zwischenprodukte bildet. Es ergaben sich weitere experimentelle Hinweise, dass nicht Wasser, sondern Wasser umwandelndes Kohlenstoffdioxid die Quelle des entstehenden Sauerstoffs ist. Außerdem sollen an der Wasserspaltung noch weitere Ionen beteiligt sein, so z. B. Chlorid-Ionen oder Calcium-Ionen, die für die Beschleunigung der Protonenfreisetzung oder der Funktion des Reaktionszentrums des Fotosystems II verantwortlich sind. Diese Vermutungen der verschiedenen experimentellen Ergebnisse zeigen, dass beim genauen Ablauf der Prozesse noch viele Fragen ungeklärt sind.