Mit Hilfe von Chloroplasten ist es den Pflanzen möglich, die Energie des Sonnenlichtes in Glukose umzuwandeln und dabei Kohlenstoffdioxid aufzunehmen und Sauerstoff abzugeben. Dieser Prozess wird als Photosynthese bezeichnet und bildet die Grundlage für das Überleben der pflanzlichen Zellen. Doch auch alle anderen heterotrophen Lebewesen sind auf die Produkte der Photosynthese angewiesen. Denn ohne energiereiche Verbindungen wie Glucose gibt es keine Nahrung und ohne Sauerstoff keine Zellatmung.
Die Photosynthese findet in den Chloroplasten statt, welche wiederum dank dem für die Photosynthese essenziellen Molekül "Chlorophyll" für den grünen Blattfarbstoff verantwortlich sind. Rein chemisch gesehen, ist die Photosynthese eine endergonische Reaktion. Das bedeutet, die Reaktion kann nur dann stattfinden, wenn ständig Energie zugeführt wird. Die Energie für die Photosynthese wird in Form von Sonnenlicht zugeführt, so dass der erste Schritt davon abhängig ist und als Lichtreaktion bezeichnet wird. Ein zweiter Schritt der Photosynthese ist unabhängig vom Sonnenlicht und wird daher als Dunkelreaktion bezeichnet.
Lichtreaktion
Die lichtabhängige Reaktion findet an der Membran der Thylakoidstapel in den Chloroplasten statt. Die Energie des Sonnenlichts wird von spezialisierten Membranproteinen (Photosystemen) akkumuliert und dazu genutzt Wasser zu spalten, um Protonen und elementaren Sauerstoff zu generieren. Die Protonen, sowie weitere Protonen, die aus dem Stroma in die Thylakoidstapel hineingepumpt werden, sind dazu bestimmt einen Protonengradienten aufzubauen, welcher wiederum zur Synthese von ATP aus ADP genutzt wird. Die bei der Spaltung von Wasser frei werdenden Elektronen wiederum, werden auf die Elektronentranspormoleküle NAD+ aufgeladen, damit diese in ihrer reduzierten Form (NADH+H+) die Elektronen transportieren können. In diesem Schritt wird also mit Hilfe von Sonnenlicht Wasser verbraucht und Sauerstoff freigesetzt, um energiereiche Verbindungen wie ATP zu bilden und um die Elektronentransporter zu beladen.
Dunkelreaktion
Die Dunkelreaktion ist zwar nicht abhängig vom direkten Sonnenlicht, jedoch braucht dieser Teil der Photsynthese ATP sowie beladene Elektronentransporter und ist damit indirekt von den Produkten der Lichtreaktion abhängig. In diesem Teilschritt werden im Calvinzyklus die Kohlenstoffatome aus dem CO2 unter Energieaufwand so umgebaut, dass pro 6 CO2 Moleküle ein Molekül Glucose gebildet werden kann. Die dafür nötige Energie und die Elektronen wiederum stammt aus dem ATP sowie den beladenen Elektronentransportern aus der Lichtreaktion. Glucose ist eine energiereiche organische Verbindung, welche die Grundlage vieler Stoffwechselvorgänge in den unterschiedlichsten Organismen darstellt und ist insbesondere als Edukt der Zellatmung ein wichtiger Energiespeicher und im Gegensatz zu ATP auch für den zellulären Export und die Verteilung im gesamten pflanzlichen Organismus geeignet.
Da Glucose in Pflanzenzellen mitunter in hohen Mengen produziert wird und diese auch osmotisch aktiv ist, wird die Glucose in weiteren Schritten die hier nicht dargestellt werden, vom Monomer zum Polymer verknüpft und in dieser Form als Stärke in Pflanzen gespeichert. Daneben stellt Glucose selber den Ausgangspunkt für viele weitere Stoffwechselwege oder etwa die Bildung von Zellulose dar.