הפוטוסינתזה מייצגת את התהליך הביולוגי שבו ממירים צמחים אנרגיית אור לסוכר לתאי צמח. המורכב משני שלבים, שלב אחד ממיר את אנרגיית האור לסוכר, ואז הנשימה התאית ממירה את הסוכר לטריפוספט אדנוזין, המכונה ATP, הדלק לכל חיי הסלולר. המרת אור השמש הבלתי שמיש הופכת את הצמחים לירוקים.
בעוד שמנגנוני הפוטוסינתזה מורכבים, התגובה הכוללת מתרחשת באופן הבא: פחמן דו חמצני + אור שמש + מים> גלוקוז (סוכר) + חמצן מולקולרי. הפוטוסינתזה מתבצעת באמצעות מספר שלבים המתרחשים בשני שלבים: שלב האור והשלב החשוך.
שלב ראשון: תגובות אור
בתהליך תלוי האור, המתרחש בגראנה, מבנה הממברנה הנערם בתוך הכלורופלסטים, אנרגיה ישירה של אור עוזרת לצמח ליצור מולקולות הנושאות אנרגיה לניצול בשלב החשוך של פוטוסינתזה. הצמח משתמש באנרגיית אור כדי לייצר את האנזים המשותף Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, או NADPH ו- ATP, המולקולות הנושאות אנרגיה. הקשרים הכימיים בתרכובות אלה אוגרים את האנרגיה ומשמשים אותם בשלב החושך.
שלב שני: תגובות חשוכות
השלב החשוך, המתרחש בסטרומה ובחושך כאשר קיימות המולקולות הנושאות אנרגיה, מכונה גם מחזור קלווין או C3 מחזור. בשלב החשוך נעשה שימוש ב- ATP וב- NADPH הנוצר בשלב האור כדי ליצור קשרים קוולנטיים של C-C מפחמימות פחמן דו חמצני ומים, עם הכימיקל ריבולוז ביפוספט או RuBP, כימיקל 5-C הלוכד את הפחמן דוּ תַחמוֹצֶת. שש מולקולות של פחמן דו חמצני נכנסות למעגל, שמייצר בתורו מולקולה אחת של גלוקוז או סוכר.
כיצד פועלת פוטוסינתזה
מרכיב מרכזי המניע את הפוטוסינתזה הוא מולקולת הכלורופיל. כלורופיל הוא מולקולה גדולה עם מבנה מיוחד המאפשר לה לתפוס אנרגיית אור ולהמיר אותה אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה המשמשים במהלך התגובות של שני השלבים כדי לייצר בסופו של דבר את הסוכר או גלוקוז.
בחיידקים פוטוסינתטיים התגובה מתרחשת בקרום התא ובתוך התא, אך מחוץ לגרעין. בצמחים ובפרוטוזואנים פוטוסינתטיים - פרוטוזואנים הם אורגניזמים חד תאיים השייכים לאיקריוטה תחום, אותו תחום חיים הכולל צמחים, בעלי חיים ופטריות - פוטוסינתזה מתרחשת בתוכו כלורופלסטים. כלורופלסטים הם סוג של תאים אורגניים או קרומים, המותאמים לתפקודים ספציפיים כמו יצירת אנרגיה לצמחים.
כלורופלסטים - סיפור אבולוציוני
בעוד שכלורופלסטים קיימים כיום בתאים אחרים, כמו תאי צמח, יש להם DNA וגנים משלהם. ניתוח רצף הגנים הללו העלה כי כלורופלסטים התפתחו מאורגניזמים פוטוסינתטיים החיים באופן עצמאי הקשורים לקבוצת חיידקים הנקראת ציאנובקטריה.
תהליך דומה התרחש כאשר אבות המיטוכונדריה, האברונים בתוך התאים שבהם מתרחשת נשימה חמצונית, ההפך הכימי מפוטוסינתזה. על פי תורת האנדוסימביוזה, תיאוריה שקיבלה דחיפה לאחרונה בגלל מחקר חדש שפורסם בכתב העת Nature, שניהם כלורופלסטים. והמיטוכונדריה חיו פעם כחיידקים עצמאיים, אך נבלעו בתוך אבותיהם של האיקריוטים, מה שהוביל בסופו של דבר להופעתם של צמחים בעלי חיים.