Fotosynteza jest procesem, w którym dzięki przetworzeniu energii świetlnej w energię chemiczną odbywa się synteza związków organicznych z prostych związków nieorganicznych. Zachodzi w chloroplastach u roślin zielonych i glonów oraz w tylakoidach u sinic i bakterii purpurowych. Ogólny bilans fotosyntezy można przedstawić równaniem:
Światło absorbowane jest przez barwniki fotosyntetyczne, wśród których największą rolę odgrywa chlorofil. Dodatkowymi barwnikami fotosyntetycznymi są karoteny i ksantofile. U bakterii występuje tzw. bakteriochlorofil, a u wielu glonów także fikoerytryna, fikocyjanina, fukoksantyna.
Fotosynteza składa się z dwóch faz: jasnej i ciemnej. W fazie jasnej następuje absorpcja światła przez cząsteczki chlorofilu, zgrupowane w dwóch rodzajach kompleksów, zwanych fotosystemami /fotosystem I i fotosystem II/. Fotosystemy wbudowane są w błonę tylakoidów i nieznacznie różnią się budową. Absorpcja światła przez cząsteczki chlorofilu powoduje ich elektronowe wzbudzenie i wybicie elektronów. Wybite elektrony z fotosytemu II są przechwytywane przez pierwotny akceptor, który przekazuje je na kolejne przenośniki elektronów.
Natomiast fotosystem II uzupełnia niedobór elektronów dzięki rozkładowi /fotolizie/ wody. Energia uwalniana podczas transportu elektronów jest wykorzystywana do syntezy ATP. Ponieważ do syntezy ATP wykorzystywana jest energia świetlna, stąd ten typ fosforylacji określany jest jako fosforylacja fotosyntetyczna. Transportowane elektrony docierają do fotosystemu I, uzupełniając w nim niedobór elektronów, który powstał podobnie jak w fotosystemie II /absorpcja fotonu → wzbudzenie cząsteczek chlorofilu → wybicie elektronu/. Elektrony wybite z fotosystemu I są przenoszone na NADP+, powodując jego redukcję do NADPH+H+.
Jeśli transport elektronów odbywa się od H2O do NADP+, w czym uczestniczą fotosystemy II i I, mówimy o fosforylacji niecyklicznej. Natomiast w fosforylacji cyklicznej występuje zamknięty obieg elektronów wybitych z fotosystemu I i do niego wracających przez układ przenośników.
Wytworzony podczas fazy jasnej ATP i zredukowany NADPH zużywane są do asymilacji CO2 w związki organiczne, w fazie ciemnej fotosyntezy, zwanej cyklem Calvina.
Cykl ten obejmuje trzy etapy: karboksylację, redukcję i regenerację, a produktem końcowym jest trójwęglowy aldehyd 3–fosfoglicerynowy. Stanowi on substrat do syntezy heksoz, przede wszystkim glukozy oraz innych związków. Aby mogła powstać 1 cząsteczka aldehydu 3–fosfoglicerynowego /PGAL/, musi nastąpić związanie podczas karboksylacji 3 cząsteczek CO2 przez 3 cząsteczki pięciowęglowego cukru o nazwie rybulozobifosforan /RuBP/. Każda z powstałych cząsteczek sześciowęglowego związku rozpada się następnie na 2 cząsteczki trójwęglowego kwasu 3–fosfoglicerynowego /PGA/– ostatecznie powstaje zatem 12 cząsteczek PGA. Kwas 3–fosfoglicerynowy po fosforylacji wymagającej obecności ATP, zostaje zredukowany do aldehydu 3–fosfoglicerynowego /PGAL/. Redukcja odbywa się przy udziale NADPH+H+. Podczas regeneracji z 12 cząsteczek aldehydu 3–fosfoglicerynowego, jakie pozostały, zostają odtworzone 3 pięciowęglowe cząsteczki RuBP, które mogą łączyć się z kolejnymi cząsteczkami CO2. Natomiast pozostała 1 cząsteczka PGAL jest wykorzystywana do dalszych syntez, w wyniku których powstają heksozy /przede wszystkim glukoza/, a także inne metabolity /inne węglowodany, aminokwasy, tłuszczowce/.
Asymilacja 3 cząsteczek CO2, w celu wytworzenia 1 cząsteczki aldehydu 3–fosfoglicerynowego, podczas cyklu Calvina, wymaga dostarczenia z fazy jasnej fotosyntezy 9 cząsteczek ATP i 12 cząsteczek NADPH+H+.