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Dans les réactions photosynthétiques à la lumière, la chlorophylle absorbe les photons et utilise l'énergie pour diviser l'eau, libérant de l'O₂ et fournissant des électrons qui voyagent à travers la chaîne de transport d'électrons pour générer du NADPH et de l'ATP. Ces vecteurs énergétiques alimentent le cycle de Calvin, où le CO₂ est fixé en glucides.
Les plantes vertes dépendent de la chlorophylle pour capter l’énergie lumineuse. Lorsqu’un photon frappe une molécule de chlorophylle, l’un de ses électrons est excité vers un état d’énergie plus élevé. Cet électron excité est transféré à l'accepteur d'électrons primaire, initiant la chaîne de transport d'électrons qui culmine dans la réduction du NADP⁺ en NADPH.
Pour reconstituer l'électron perdu, la chlorophylle oxyde les molécules d'eau selon un processus appelé photolyse. Chaque molécule d'eau se divise en deux atomes d'oxygène, qui se combinent pour former du gaz O₂ libéré dans l'atmosphère, et deux protons (H⁺) plus deux électrons. Les protons pénètrent dans la lumière des thylakoïdes, créant un gradient de protons qui alimente la synthèse d'ATP via l'ATP synthase.
Ainsi, l'eau est le seul donneur d'électrons dans les réactions lumineuses, et son oxydation fournit à la fois les électrons nécessaires à la formation du NADPH et les protons qui pilotent la production d'ATP.
Avec le NADPH et l’ATP générés, la plante entre dans le cycle de Calvin, l’ensemble des réactions sombres qui fixent le CO₂ atmosphérique en sucres. Le NADPH donne des électrons pour réduire le ribulose‑1,5‑bisphosphate (RuBP), tandis que l'ATP fournit l'énergie nécessaire aux étapes catalytiques. Le résultat net est la synthèse d'un glucide avec la formule empirique CH₂O, le plus souvent du glucose (C₆H₁₂O₆).
Bien que le cycle de Calvin se déroule sans lumière, il est étroitement lié aux réactions lumineuses car il dépend des vecteurs énergétiques qui y sont produits. L'oxygène libéré lors de la photolyse est simultanément absorbé par la plante pour la respiration cellulaire, complétant ainsi le cycle énergétique.