Si la photosynthèse peut s’étudier de manière globale avec :
Ce processus se déroule en réalité en deux phases bien distinctes :
1. Les réactions photochimiques, appelées communément « phase claire », qui peuvent se résumer ainsi :
2. Le cycle de Calvin, appelé aussi phase de fixation du carbone ou phase non-photochimique, ou encore improprement appelé « phase sombre » :
Ce qui est noté « énergie chimique » correspond à 12 molécules de NADPH+H+ et de l'ATP. On aura remarqué que la 2e phase utilise l'énergie chimique fournie par la 1re phase photochimique. La 2e phase dépend aussi de la lumière, mais indirectement. C'est pourquoi l'expression « phase sombre » souvent utilisée dans le passé, est en fait inappropriée.
La lumière nous parvient sous forme de photons. Ces photons possèdent un potentiel énergétique différent selon leur longueur d'onde. L’énergie transportée par un photon est inversement proportionnelle à la longueur d’onde. Un photon de lumière rouge possède moins d’énergie qu’un photon de lumière bleue.
Les pigments absorbent mieux certaines longueurs d’onde. Par exemple, la chlorophylle absorbe bien la lumière rouge et la lumière bleue, mais elle n’absorbe pas bien la lumière verte ce qui leur donne cette couleur. Les caroténoïdes quant à eux absorbent mieux la lumière verte mais pas bien la lumière jaune ou la lumière orange ce qui leur donne cette couleur.
Lorsqu’un pigment capte un photon d'énergie correspondant à sa capacité d’absorption un de ses électrons passe à l’état excité. Cette énergie peut se transmettre de 3 façons : soit en la réémettant sous forme de photon lumineux, soit sous forme de chaleur ; ces deux voies ne sont pas utiles au processus photosynthétique. La troisième consiste à transmettre l’énergie par résonance et il n’y a presque aucune perte d’énergie.
Les antennes collectrices ( light harvesting complex, ou LHC) sont des ensembles comprenants des pigments (chlorophylles, caroténoïdes et phycoérythrobiline) et des protéines. Elles collectent l’énergie lumineuse et la distribuent aux centres réactionnels des photosystèmes.
Les centres réactionnels sont le lieu où toute l’énergie converge. Ils sont composés de molécules de chlorophylle (P680 ou P700) liée à un accepteur primaire d’électrons.
Les photosystèmes sont composés des antennes collectrices qui entourent un centre réactionnel et de plusieurs molécules servant à transporter des électrons et des protons. À l’exception de quelques transporteurs d’électrons toutes les molécules qui composent les photosystèmes sont raccordées les unes aux autres.
Le photosystème II (appelé ainsi parce qu’il a été découvert en second) et les complexes des cytochromes sont responsables de la libération d’oxygène dans l’atmosphère et il produit de l’ATP à partir d’ADP et d’un phosphate.
Le photosystème I (PSI) est responsable de la libération de NADPH dans le Stroma.
La photophosphorylation non cyclique est le processus expliqué ci-haut car les électrons ne reviennent jamais à la même molécule.
La photophosphorylation cyclique intervient lorsque le taux de NADPH devient trop élevé, car il faut plus d’ATP que de NADPH.
Une caroténoïde se trouve près du P680 et du P700. Lorsque la tyr z ou la pc ne peut pas fournir d’électron au P680 ou au P700 la caroténoïde cède un électron pour éviter que le P… détruise tout le CR en enlevant un électron à une molécule avoisinante. Les caroténoïdes peuvent répandre leur énergie sous forme de chaleur si trop d’énergie se dirige vers les CR.
Dans un deuxième temps, l'énergie chimique contenue dans l'ATP et le NADPH+H+ permet de fixer le carbone contenu dans le dioxyde de carbone atmosphérique en le liant aux atomes d'hydrogène des molécules d'eau. C'est le cycle de Calvin ou phase de fixation du carbone. Cette étape porte aussi le nom de phase chimique, et parfois le nom de "phase sombre", bien que pouvant se réaliser à la lumière : cette appellation reflète seulement le fait que la lumière n'est pas directement nécessaire à cette étape, contrairement à la phase photochimique (ou "phase claire"), qui est photo-dépendante.
Le carbone fixé se fait ensuite réduire en glucide par l'ajout d'électrons et de protons H+. Le potentiel réducteur est fourni par le NADPH+H+ qui a acquis des électrons grâce à la phase photochimique. Enfin, le cycle de Calvin a besoin d'énergie sous forme d'ATP pour convertir le carbone en glucide.
Cependant, chez la plupart des végétaux, le cycle de Calvin se déroule de jour car c'est durant le jour que la phase photochimique peut régénérer le NADPH+H+ et l'ATP indispensable à la transformation du carbone en glucide. Car sans la présence de la lumière et les produits qui résultent de la phase photochimique, la phase chimique n'aurait pas lieu. La phase photochimique et la phase chimique (non photo-dépendante) sont complémentaires, l'une ne va pas sans l'autre.