La fotosintesi è il processo attraverso il quale i vegetali catturano l'energia radiante e la trasferiscono come energia di legame chimico nell'ATP e nel NADPH. L'energia è poi utilizzata per produrre glucosio a partire da composti inorganici.

 

 

In realtà, il modo più corretto per scrivere l'equazione è:

 

 

perché l'ossigeno liberato nell'atmosfera deriva totalmente dall'acqua mentre quello dell'anidride carbonica entra nel glucosio o in altre molecole d'acqua.

L'equazione generale della fotosintesi è l'inverso della respirazione cellulare, che vedremo più avanti, ma le reazioni sono completamente diverse e ciascun passaggio richiede enzimi specifici.

Mediante la fotosintesi gli organismi non fotosintetici hanno a disposizione cibo e ossigeno.

Nei Procarioti fotosintetici la fotosintesi avviene nei ripiegamenti (mesosomi) della membrana plasmatica, mentre negli Eucarioti il processo si attua nei cloroplasti.
I cloroplasti hanno una membrana esterna, una membrana interna e i tilacoidi, sulle cui membrane si trovano diverse proteine e pigmenti.
I pigmenti sono:

• la clorofilla a, presente in tutti gli organismi fotosintetici, è la sola in grado di dare l'avvio alla fase luminosa della fotosintesi; assorbe le lunghezze d'onda corrispondenti al rosso (660 nm) e al blu-violetto (440 nm);
• la clorofilla b, presente nei vegetali superiori e in alcuni gruppi di Alghe, assorbe lunghezze d'onda rosso-arancio (640 nm) e blu (460 nm), quindi simili alla a;
• le clorofille c e d, insieme alla b, hanno la funzione di pigmenti accessori o antenna, che convogliano i fotoni verso la clorofilla a; sono presenti in alcune Alghe e, in particolare, la d si trova solo nelle alghe rosse;
• i carotenoidi, che comprendono caroteni e xantofille, assorbono le lunghezze d'onda corrispondenti al blu-violetto e al blu-verde, (470 nm) cioè quelle che la clorofilla non è in grado di utilizzare e sono sempre pigmenti antenna;
• le ficobiline, tra cui le ficocianine, presenti solo nelle alghe, assorbono le lunghezze d'onda verdi e gialle perché la luce azzurra o rossa non raggiunge le profondità in cui vivono questi vegetali.

 

 

La molecola della clorofilla ha una struttura complessa formata da 2 subunità: una "testa" costituita da un anello tetrapirrolico e la "coda" formata dal fitolo. L'anello consta di 4 pirroli disposti a cerchio uniti covalentemente. Al centro si trova un atomo di magnesio. Il fitolo è una lunga catena idrofoba che consente l'ancoraggio al tilacoide.

 

 

La clorofilla a è di colore verde-bluastro mentre la b è giallastra. I carotenoidi hanno un colore che varia dall'arancio al violetto, le ficobiline sono rosse e blu.

L'insieme dei pigmenti, delle proteine integrali e della catena di trasporto degli elettroni costituisce un fotosistema.
Il fotosistema II, detto P₆₈₀ perché il pigmento assorbe lunghezze d'onda fino a 680 nm, è il principale ed è presente in tutti gli organismi fotosintetici.
Il fotosistema I (P₇₀₀) è assente nei Procarioti fotosintetici. La differenza è dovuta alle diverse proteine con cui è associato il centro di reazione e alla maggiore abbondanza di clorofilla b.

Nel fotosistema, i fotoni provenienti dal Sole, o da altra sorgente luminosa che assorba radiazioni nello spettro del visibile, sono convogliati da un pigmento all'altro fino a una molecola di clorofilla a, chiamata centro di reazione, tramite i pigmenti antenna, circa 250-350 molecole di cui 50 carotenoidi che la circondano. Il centro di reazione è associato a un'altra molecola che funge da accettore primario degli elettroni eccitati, l'unico collegato alla catena di trasporto degli elettroni.

 

 

La fotosintesi avviene in due fasi:

1. la fase luminosa (luce-dipendente), che richiede la presenza di luce, nella quale viene catturata l'energia luminosa e immagazzinata in ATP e NADPH; si svolge nei tilacoidi;
2. la fase oscura (luce-indipendente), che trasforma l'anidride carbonica e gli atomi di idrogeno provenienti dall'acqua in glucosio, sfruttando l'energia precedentemente accumulata; avviene nello stroma.