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La fotosíntesis se suele identificar con el típico proceso de fijación de dióxido de carbono (CO2) que realizan las hojas de las plantas. En conjunto, la reacción conlleva la reducción de la molécula de CO2 con electrones extraídos del agua, que a su vez se oxida a dioxígeno (O2) y se libera a la atmósfera como producto residual. El CO2 así reducido se incorpora en forma de glucosa al metabolismo celular. No obstante, en un sentido más amplio y preciso fotosíntesis significa reducción y posterior asimilación no sólo de dióxido de carbono, sino también de ciertas formas inorgánicas de nitrógeno (dinitrógeno, nitrato y nitrito) y azufre (sulfato y sulfito), los otros dos bioelementos primordiales necesarios para la síntesis de las macromoléculas biológicas (proteínas, ácidos nucleicos, lípidos, etc.).
La función del agua en fotosíntesis es suministrar electrones para dichas reacciones redox, es decir, el agua interviene como fuente de electrones. Puesto que la molécula de agua es un agente reductor muy débil, sus electrones deben ser energetizados por los fotones de la luz solar, de forma tal que adquieran el potencial suficiente para reducir a las moléculas inorgánicas citadas de carbono, nitrógeno y azufre. La energetización de los electrones del agua se realiza gracias a la clorofila, el típico pigmento verde del mundo vegetal que actúa como receptor y conversor de la energía solar en energía química.
Además de la energía redox, la mayoría de las reacciones de asimilación de C, N y S requiere el aporte de energía de ATP (adenosín-trifosfato), la muy conocida moneda energética de los seres vivos. Por ello, la energía de los fotones absorbidos por la clorofila se utiliza no sólo para energetizar electrones del agua, sino también para fabricar ATP a partir de fosfato inorgánico. Esta última reacción se conoce como fotofosforilación y la cataliza la ATP sintetasa de las membranas tilacoidales. Así pues, la fotosíntesis se puede considerar que consta de dos fases bien diferenciadas y secuenciales. En primer lugar, la fotooxidación de agua dependiente de clorofila, con la consiguiente producción de poder asimilatorio (electrones de alta energía y ATP), y en segundo lugar la reducción asimilatoria de los bioelementos primordiales gracias al poder asimilatorio obtenido en la fase anterior (véase figura).