Фотосинтез растений представляет собой сложный физико-биохимический процесс, благодаря которому растения преобразовывают электромагнитную энергию, находящуюся в солнечных лучах, в химическую энергию, используемую в органических соединениях. В основе данного процесса лежит цепочка окислительно-восстановительных химических реакций, в результате которых электроны переносятся от доноров-восстановителей, которыми являются водород и вода, к акцепторам, представляющим собой окислители. При этом образуются углеводы и выделяется O2 при окислении воды.
Фотосинтез растений имеет две последовательных стадии. Первая стадия называется световой (фотохимической). На этом этапе квантовая световая энергия преобразуется в химическую энергию для связей высокоэнергетических соединений, а также в универсальный восстановитель. На второй стадии, имеющей название темновой (метаболической), полученная химическая энергия и универсальный восстановитель проходят цикл для фиксации и восстановления углекислоты, в результате чего образовываются углеводы. Механизм фотосинтеза разделяет световую и темновую стадии не только во времени, но и в пространстве. Световой этап проходит в специальных тилакоидных энергопреобразующих мембранах, в то время как темновые реакции проходят либо в строме хлоропласта, либо в цитоплазме.
Фотосинтез и дыхание растений основывается на поглощении световых квантов, где основную роль играют хлорофиллы, спектр поглощения которых включает видимую область, а также ближние к ней части инфракрасных и ультрафиолетовых областей. Основным пигментом для всех растений, осуществляющих фотосинтез, является хлорофилл а. Зеленые водоросли, мхи и сосудистые растения имеют еще и хлорофилл b, который расширяет поглощаемый световой спектр. Некоторые виды водорослей содержат также хлорофиллы c и d. Помимо хлорофиллов, в процессе поглощения света принимают также участие каротиноиды и фикобилины.
После поглощения света наступает фотохимический этап, в котором принимают участие две фотосистемы типов I и II (ФС1 и ФС2). Каждая из фотосистем состоит из реакционного центра, где происходит разделение зарядов, электротранспортной цепи, где происходит окисление электронов, и набора компонентов, которые выполняют процессы по фотоокислению воды и регенерации реакционного центра. В реакционных центрах квантовая световая энергия преобразуется в химическую, а дальше электроны движутся согласно градиенту электрохимического потенциала, представляющего собой электрон-транспортную цепочку фотосинтеза.
Фотосистема типа II выполняет реакции по фотоокислению воды, в результате чего образуется кислород и протон Н+. Параллельно фотосинтетическому транспорту электронов происходит процесс переноса протонов из хлоропласта во внутритилакоидную область. В результате реакций образуются НАДФН и АТФ, которые являются первичными продуктами фотосинтеза. Далее фотосинтез растений образовывает ферментативные реакции, при которых из углекислот получаются белки, углеводы и жиры. Если же темновой метаболизм имеет неуглеводную направленность, то образуются аминокислоты, органические соединения и белки.
Метаболические процессы по типу фиксации CO2 подразделяются на С3-, С4- и САМ-фотосинтез. При этом углеводы, которые образуются на темновой стадии фотосинтеза, могут отложиться в хлоропластах в виде соединений крахмала, выйти из хлоропластов для образования новых клеток, выполнять функции источника энергии для метаболических реакций.
Фотосинтез растений использует лишь 1-2 процента поглощенной световой энергии. На интенсивность процесса фотосинтеза влияет спектральный состав и интенсивность света, температура, водный режим растения и его минеральное питание, концентрация СО2 и О2, а также другие факторы окружающей среды.
