Fotosynteza to jeden z podstawowych anabolicznych procesów biologicznych, jeden ze sposobów odżywiania się organizmów (fotoautotrofów).

Istotą fotosyntezy jest przekształcenie pochodzącej z kwantu światła energii (energia świetlna) do energii wiązań chemicznych (energia chemiczna) przy udziale barwników fotosyntetycznych oraz odpowiednich enzymów.

Główne zadanie procesu fotosyntezy to wytworzenie związków organicznych (silnie zredukowanych, bogatych w energię cukrów) z prostych związków nieorganicznych (dwutlenku węgla oraz wody) przy wykorzystaniu energii świetlnej (stąd bierze się nazwa całego procesu). Równanie ogólne opisujące przebieg fotosyntezy można zapisać w następujący sposób:

Pod względem lokalizacji - proces fotosyntezy zachodzi:

  • w tylakoidach oraz ciałkach chromatoforowych (organizmy bezjądrowe - niektóre bakterie i sinice);
  • w chloroplastach (organizmy jądrowe - rośliny).

Fotosynteza przebiega w dwóch fazach:

  1. fazie jasnej (świetlnej) - miejsce zachodzenia: grana chloroplastu;
  2. fazie ciemnej (niezależnej od obecności światła) - miejsce zachodzenia: stroma chloroplastu.

Faza jasna procesu fotosyntezy:

Udział biorą tu dwa wbudowane w błonę gran chloroplastowych fotosystemy: PSI oraz PSII, które składają się z wielu cząsteczek chlorofilu. Pośród nich jest jedna, z której zostaje wybijany elektron, a pozostałe wychwytują kwanty światła przekazując ich energię tej cząsteczce.

Przebieg jest następujący: chlorofile z układu PSII absorbują fotony światła, przekazując ich energię do aktywnej cząsteczki, z której w wyniku tego zostaje wybity elektron. Wędruje on następnie przez szereg przenośników: feofitynę, następnie na przenośnik QA, gdzie akceptorem elektronu jest plastochinon, potem na QB (przyjmujący dwa kolejne elektrony), od którego odłącza się plastochinol, przenosząc elektrony do kompleksu cytochromowego. Tam miedź w plastocyjaninie redukuje się, a elektrony są przenoszone do centrum PSI, by zapełnić lukę po wybitym kolejnym kwantem światła elektronie. Pierwszym akceptorem układu PSII jest chlorofil a, potem witamina K oraz białka żelazowo-siarkowe, by potem dzięki ferrodoksynie elektron spoczął na NADP+. W trakcie tej wędrówki uwalnia się energia, wykorzystywana do syntezy ATP. W PSII deficyt elektronowy uzupełniany jest elektronami pochodzącymi z rozbicia cząsteczek wody, a pochodzące z tego procesu fotolizy protony redukują NADP+ do NADPH+H+.

Opisany proces to niecykliczny transport elektronów, którego istotą jest wytworzenie tzw. siły asymilacyjnej (ATP oraz NADPH+H+), która zostanie zużyta w fazie ciemnej. Ubocznym produktem jest tlen. Istnieje również transport cykliczny, gdzie wytwarzany jest jedynie ATP.

Faza ciemna (cykl Calvina):

Zachodzą tu trzy przemiany:

1. Karboksylacja - rybulozo-1,5-difosforan (RuDP, związek 5-węglowy) przyłącza pobrany w aparatach szparkowych dwutlenek węgla (związek 1-węglowy). Powstaje nietrwały 6-węglowy związek, rozkładany na dwie 3-węglowe cząstki kwasu fosfoglicerynowego (PGA).

2. Redukcja - powstały PGA redukowany jest do postaci PGAL (aldehydu fosfoglicerynowego) dzięki użyciu siły asymilacyjnej.

3. Regeneracja - jest odtwarzaniem RuDP z użyciem PGAL (z sześciu powstających cząsteczek PGAL pięć zużywane jest na regenerację, a jedna to zysk końcowy fotosyntezy, służący do wytworzenia glukozy w wyniku dalszych reakcji).

Istotą tej fazy jest powstanie prostego cukru (3-węglowy PGAL), który służy do syntezy bardziej złożonych związków organicznych (wielocukrów, lipidów, białek).

Opisany powyżej przebieg fazy ciemnej jest typowy dla tzw. roślin C3 (od powstającego po karboksylacji 3-węglowego PGA). Istnieją jednak rośliny C4, u których akceptorem CO2 jest fosfoenolopirogronian (PEP), a powstaje związek 4-węglowy - szczawiooctan. Następnie przekształcany jest on do jabłczanu i wchodzi w cykl Calvina (zachodzący w komórkach pochwy okołowiązkowej).