La fotosintesi clorofilliana è un processo che porta alla trasformazione di energia associata alla radiazione luminosa (luce) in energia interna di un sistema in cui avvengono trasformazioni chimiche (energia chimica).
Il processo viene tradizionalmente sintetizzato dalla seguente equazione:

dove

CO₂ = anidride carbonica
H₂O = acqua
C₆H₁₂O₆ = glucosio
O₂ = ossigeno

L’equazione chimica che sintetizza il processo fotosintetico potrebbe far pensare che il glucosio si forma per interazione diretta tra anidride carbonica e acqua, ovviamente in realtà questo non è vero e il processo fotosintetico avviene in diversi passaggi complessi che coinvolgono altre molecole che non compaiono nella equazione sintetica.
La fotosintesi comprende due fasi nettamente distinte:

Le reazioni di questo processo metabolico si svolgono nei cloroplasti che sono organuli cellulari specializzati per effettuare la fotosintesi ; all’interno del cloroplasto le due fasi sono localizzate in zone diverse. La maggior parte degli enzimi che catalizzano la reazione della fase oscura si trovano nello stroma , i protagonisti della fase luminosa sono nelle membrane dei tilacoidi.

Durante la fase luminosa l’energia luminosa viene catturata da fotosistemi (clorofille e pigmenti accessori) che assorbono l’energia dei fotoni eccitandosi (facendo cioè saltare un elettrone da un orbitale ad energia più bassa ad un orbitale ad energia più elevata) e sono in grado di eccitare altri pigmenti attraverso un trasferimento di energia per risonanza ( in cui ogni molecola trattiene i suoi elettroni e viene trasferito solo lo stato di eccitazione) fino ad arrivare ad eccitare una molecola di clorofilla a che è in grado invece di tornare allo stato fondamentale cedendo il suo elettrone eccitato ad un’altra molecola; l’elettrone ceduto è utilizzato per far funzionare una catena di trasporto di elettroni; al termine di questa catena gli elettroni vengono ceduti al NADP riducendolo a NADPH che verrà utilizzato come riducente nella fase oscura. La catena di trasporto dei cloroplasti è complessivamente endoergonica ( richiede energia dall’esterno in questo caso dalla luce), ma una parte di questa è esoergonica e l’energia liberata viene usata per la sintesi dell’ATP che verrà utilizzato nella fase oscura. L’elettrone perso viene restituito ai fotosistemi attraverso la fotolisi dell’acqua che origina come prodotto l’ossigeno, parte di questo viene utilizzato direttamente per le attività metaboliche ossidative della pianta e parte viene emesso nell’atmosfera.

La fissazione della CO₂ avviene nel ciclo della fase oscura che comprende alcuni passaggi relativamente complessi in cui sono coinvolti zuccheri fosfati ai quali viene legata l’anidride carbonica portando alla produzione di glucosio (immagazzinato come amido). Questo è un processo energeticamente dispendioso che le piante possono effettuare grazie all’ATP e al NADPH prodotti a spese dell’energia luminosa
I prodotti del ciclo della fase oscura sono di importanza cruciale per l’intera biosfera, infatti i legami covalenti presenti negli zuccheri prodotti rappresentano la forma in cui viene chimicamente immagazzinata energia che proviene dal Sole.
Esistono diverse modalità di fissazione della CO₂ , il ciclo più utilizzato è quello di Calvin che porta alla formazione di molecole a tre atomi di carbonio e le piante che utilizzano questa via metabolica per la fissazione dell’anidride carbonica vengono dette piante C₃ , esistono però altri tipi di piante che in presenza di CO₂ non producono un composto a tre atomi di carbonio ma un composto a 4 atomi di carbonio. Queste piante, dette C₄ effettuano il ciclo di Hatch e Slack, che presenta un ciclo parallelo a quello di Calvin, che agisce da pompa della CO₂ permettendo così di avere una efficienza elevata della fotosintesi anche in presenza di un basso livello di CO₂ all’interno della foglia. In generale le piante C₄ sono meglio adattate ad ambienti in cui possono verificarsi periodi di scarsità di acqua, infatti per prevenire una eccessiva perdita di acqua queste piante mantengono gli stomi fogliari chiusi per lungo tempo determinando una bassa concentrazione di CO₂ disponibile per la fotosintesi; ma queste piante contengono un enzima che ha una alta affinità per la CO₂, che permette loro di compensare tale mancanza permettendo la formazione di un composto a quattro atomi di carbonio che è poi in grado di cedere nuovamente CO₂ (per decarbossilazione) per il ciclo di Calvin.
In altre piante è attivo un sistema correlato, ma diverso, che permette di far fronte a periodi di siccità più prolungati. I loro stomi sono regolati in modo tale da aprirsi, e quindi di permettere l’accesso della CO₂ , solo di notte: sono le piante CAM (Crassulacean Acid Metabolism). Sempre di notte l’enzima già ricordato sopra permette l’immagazzinamento della CO₂ che viene resa disponibile di giorno, a stomi chiusi. La differenza tra i due processi è che per le piante C₄ la reazione viene catalizzata dalla luce , mentre nelle piante CAM si utilizza un accettore di anidride carbonica derivato dalla demolizioni degli zuccheri prodotti dalla respirazione cellulare