Первичный источник энергии почти для всех живых существ на Земле солнечный свет (исключение – хемотрофные организмы). Диапазон солнечного излучения, достигающего земной поверхности, называется видимым (белым) светом; его длина волны – 400 – 700 нм. Фотосинтезирующие организмы (зелёные растения, водоросли, цианобактерии) способны улавливать кванты солнечного света и трансформировать их в химическую энергию. Процесс фотосинтеза, заключительной реакцией которого является синтез углеводов из CO2, может быть суммирован следующим уравнением:

6CO2 + 6H2O + hν C6H12O6 + 6O2

Таким образом, в результате фотосинтеза происходит:

- восстановление световой энергией низкоэнергетической окисленной формы углерода (CO2) в высокоэнергетическую восстановленную форму углерода в составе углеводов, которые затем используются гетеротрофными организмами как источник энергии и углерода;

- образование молекулярного кислорода; эта реакция – единственный природный источник кислорода на Земле.

В процессе фотосинтеза выделяют световую и темновую фазы.

Световая фаза включает в себя три процесса:

- фотохимический процесс окислительного расщепления воды (фотоокисление):

2H2O 4H+ + 4e- + O2

- Энергия высокоэнергетических электронов воды используется специализированной мембранной системой для фосфорилирования АДФ и образования АТФ в системе фотосинтетического фосфорилирования;

- Часть энергии электронов восстанавливает НАДФ+ в реакции фотовосстановления:

НАДФ+ + 2e- + 2H+ НАДФН + Н+

В световых реакциях электроны переносятся по электронтранспортной цепи от одной окислительно-восстановительной системы к другой; фотосинтетический перенос электронов в энергетическом отношении подобен “подъёму в гору”. Возбуждение электронов за счёт энергии поглощённого света происходит в двух реакционных центрах (фотосистемах). Это белковые комплексы, в состав которых входит множество молекул хлорофилла (зелёный пигмент, содержащий ионы Mg2+) и других пигментов. Зелёный цвет хлорофилла обусловлен тем, что он поглощает преимущественно синий, частично – красный свет из солнечного спектра (т. е. отражает зелёный), т. к. эти фотоны оптимальны для фотосинтеза по энергии и интенсивности потока.

Темновая фаза – ферментативная утилизация и превращение СО2 в углеводы:

6СО2 С6Н12О6

Таким образом, НАДФН и АТФ, образующиеся в результате световых реакций, являются восстанавливающими и энергетическими агентами при фотосинтезе глюкозы из СО2 в темновой стадии.

В зелёных водорослях и высших растениях фотосинтез происходит в хлоропластах. Это органеллы, окружённые двумя мембранами и содержащие собственную ДНК. В их внутреннем пространстве, строме, находятся тилакоиды, уплощённые мембранные мешки; будучи сложены стопками, тилакоиды образуют граны. Внутреннее содержимое тилакоида называют люменом. Световые реакции катализируются ферментами тилакоидной мембраны, в то время как темновые реакции происходят в строме.