Plusieurs types d'expériences ont montré que la photosynthèse pouvait être découpée en deux groupes de réactions de significations différentes mais couplées entre elles et nécessitant des intermédiaires.

I - Expérience de Ruben et Kamen : origine de l'oxygène

Ruben et Kamen ont recherché l'origine de l'oxygène produit lors de la photosynthèse. Ils ont utilisé un isotope lourd de l'oxygène (¹⁸O) à la place de l'oxygène habituel (¹⁶O) et ils ont marqué ainsi diverses molécule (H₂O, CO₂). Lorsque de l'eau est marquée par le ¹⁸O (H₂¹⁸O), le dioxygène produit par la photosynthèse devient marqué. Ils en déduisent que c'est l'eau (H₂O) qui est à l'origine du dioxygène produit. Pour former une molécule de dioxygène, il faut donc 2 molécules d'eau.

Ces résultats montrent que l'on peut décomposer la réaction photosynthétique en deux groupes de réactions :

Ces deux réactions (OXYDATION de l'eau et REDUCTION du dioxyde de carbone) sont couplées dans un ensemble complexe de réactions d'OXYDO-REDUCTION faisant intervenir des transporteurs de protons (H+) et d'électrons (e-).

Si l'on considère ces deux réactions comme un transfert d'électrons entre deux couples RedOx, on peut écrire :

On constate que la réaction n'est pas possible spontanément car le transfert des électrons ne peut se faire sans apport d'énergie que dans le sens des potentiels d'oxydo-réduction (E'₀) croissants. Cette réaction est en fait rendue possible grâce à l’énergie de la lumière.

Entre la réaction d'oxydation de l'eau et celle de réduction du carbone, il existe de nombreux intermédiaires (transport des électrons et des H⁺⁾ que cette expérience ne permet pas de mettre en évidence.

2 - Expériences d'Emerson et Arnold (1932) : existence de deux types de réactions

Ces expériences ont été réalisées sur des algues vertes unicellulaires (Chlorelles) en suspension.
L’incorporation du CO₂ est mesuré en lumière intermittente à l'aide d'un tube néon intense qui produit des éclairs brefs (10 µs) séparés par des intervalles variables d’obscurité (entre 1 et 40 ms).

Trois séquences schématiques montrant comment séparer des éclairs de même durée par des intervalles obscurs variables. Exemple pour 10 éclairs.

Expérimentalement, chaque mesure est réalisée pour un total de 10 000 éclairs de 10µs (soit un total de 1s de lumière) et des durées de périodes sombres comprises entre 100 s et 4000 s (soit un total d'obscurité compris entre 1,6 à 64 minutes ).

Influence de la durée de la période sombre sur la photosynthèse nette de chlorelles soumises à une lumière intermittente (éclairs de 10 µs). La durée totale de l'éclairement est constante. Pour un éclair de 10 µs, il faut : à 25 °C : une période sombre totale d’environ 20 ms (2000 fois plus importante) pour obtenir une photosynthèse nette maximum. à 5°C, la durée de la période sombre augmente, mais la photosynthèse nette maximum est la même.

Conclusion : dans les conditions de cette expérience (éclairement total bref et saturant), il faut une période sombre importante pour obtenir une photosynthèse maximum. Ceci suggère que des intermédiaires sont formés à la lumière rapidement de manière quasi insensible à la température (réactions photochimiques) et qu'ils sont utilisés beaucoup plus lentement par des réactions chimiques sensibles à la température.

Remarque : dans les conditions normales (lumière continue, ces deux groupes de réactions dites "claires" et "sombres" se déroulent conjointement à la lumière. Donc, il faut préférer les termes de "réactions photochimiques" et de "réactions biochimiques d"assimilation du CO₂" respectivement.

3 - Expérience de Hill (1937) : la libération de O2 nécessite un accepteur d’électrons.

Hill utilise une suspension de chloroplastes isolés dans un tampon sans CO₂. Il mesure les variations de dioxygène à l'aide d'une électrode à oxygène. Il ajoute à la préparation un accepteur artificiel d'électrons, le ferricyanure de potassium, Fe³⁺(CN^-)₆K₃ ( réactif de HILL) et travaille en lumière continue.

Fe³⁺ (ferricyanure) +1 e^- ---> Fe²⁺ (ferrocyanure)

En lumière continue, les chloroplastes isolés en suspension dans un tampon produisent du dioxygène (mesuré à l'aide d'une électrode à O2) à condition qu'un accepteur d'électrons soit ajouté. Cette réaction se réalise en l'absence de CO2.

Dans les conditions naturelles de la photosynthèse, l'oxydation de l'eau s'accompagne de la réduction d'un intermédiaire (ici remplacé par un accepteur artificiel) qui servira de donneur d'électrons pour la réduction du CO₂. "In vivo", cet intermédiaire est le couple NADP⁺ / NADPH.

En résumé, on peut compléter le schéma précédent :

Dans les thylacoïdes se réalise la conversion de l'énergie lumineuse. Celle-ci permet le transfert des électrons jusqu'au couple NADP+/ NADPH et permet la synthèse d'ATP. Dans le stroma se réalise le cycle de Calvin qui permet la fixation du CO2 grâce à l'utilisation de l'ATP et du NADPH.

06 - Action des facteurs externes

SOMMAIRE

08 - Qu'est ce qu'un photosystème ?