光合成
植物では光化学反応は葉緑体のチラコイド膜で起こり、光エネルギーを使ってATPとNADPHを合成する。狭議の光化学反応は、非循環的電子伝達系と循環的電子伝達系の2つの過程に分けられる。非循環的電子伝達系では、プロトンは光化学系II内のアンテナ複合体に光が捕獲されることによって獲得される。光化学系IIの光化学系反応中心(Reaction Center; RC)にあるクロロフィル分子がアンテナ色素から充分な励起エネルギーを得られると、電子は電子受容体分子(フェオフィチン)に運ばれる。この電子の動きを光誘起電荷分離と呼ぶ。この電子は電子伝達系を移動するが、これをエネルギー勾配で表したのがZ機構(Z-scheme)である。
ATP合成酵素はエネルギー勾配を使って光リン酸化によってATPを合成するが、NADPHはZ機構の酸化還元反応によって合成される。電子が光化学系Iに入ると、再び光によって励起される。そして再びエネルギーを落としながら電子受容体に伝えられる。電子受容体によって作られたエネルギーは、チラコイドルーメンにプロトンを輸送するのに使われている。電子はカルビン回路で使われるNADPを還元するために使われる。循環的電子伝達系は非循環的電子伝達系に類似しているが、これはATPの生成のみを行いNADPを還元しないという点が違う。電子は光化学系Iで光励起されて電子受容体に移されると、再び光化学系Iに戻ってくる。ゆえに循環的電子伝達系と呼ばれるのである。
ATP合成酵素は1秒間に17回転し、ADPと遊離したリン酸から、ATPを合成しているのである。
光化学反応の収支式は以下の通りである。
12 H 2 O + 12 NADP + ⟶ 6 O 2 + 12 NADPH + 12 H + ( in ) {\displaystyle {\ce {12H2O\ + 12NADP^+ -> 6O2\ + 12 NADPH\ + 12H^+(in)}}}
72 H + ( in ) + 24 ADP + 24 Pi ⟶ 72 H + ( out ) + 24 ATP {\displaystyle {\ce {72H^+(in)\ + 24ADP\ + 24Pi -> 72H^+(out)\ + 24ATP}}}
生成したNADPHおよびATPは、ストロマにて行なわれるカルビン回路で使用される。なお生じるATP数は理論的な数であり、実際にはプロトンの漏れがチラコイド膜外に発生していると見られ、24ATPを生じているとは考え難い。事実、カルビン回路に使用されるATP数は、光化学反応で生じるATP数よりも少ない。