La síntesis de ATP o fosforilación del ADP se produce gracias a la energía aportada por los fotones de luz, por lo que a este proceso se le llama fotofosforilación.
La fotofosforilación se produce cuando, al excitarse por la acción de la luz, un flujo de electrones procedente de los fotosistemas son conducidos a través de los diferentes aceptores electrónicos hasta el NADPH, a la vez que se genera un gradiente de protones cuya energía es utilizada para sintetizar ATP.
Cuando los electrones van bajando desde niveles energéticos superiores a otros inferiores a lo largo de la cadena transportadora, la energía liberada se emplea en bombear protones (H+) desde el estroma hacia el espacio interior del tilacoide. Así se forma un gradiente de protones entre cada lado de la membrana tilacoidal. Dentro del tilacoide hay un pH ácido (pH=5), y fuera, básico (pH=8).
Los protones no pueden atravesar directamente la membrana del tilacoide, por lo que lo que vuelven al estroma, a favor del gradiente, a través de unas ATPasas translocadoras de protones. Cuando pasan, desaparece el gradiente y han generado una energía que se emplea para fosforilar el ADP y sintetizar ATP.
Se distinguen dos tipos de fotosíntesis, según si participan conjuntamente el PSI y PSII o si lo hace únicamente el PS I:
- Fotofosforilación no cíclica. En el esquema en Z participan el PS II y PS I produciéndose ATP y NADPH.
- Fotofosforilación cíclica. Sólo interviene el PS I y sólo produce ATP.