1. La phase non photochimique : utiliser ATP et NADPH

La phase photochimique a produit deux molécules « pile » : l’ATP (énergie) et le NADPH (électrons réducteurs). La phase non photochimique va utiliser ces deux molécules pour réduire le CO₂ en matière organique. Cette phase se déroule dans le stroma du chloroplaste.

2. Melvin Calvin : la grande aventure du ¹⁴C (1947-1957)

Comment a-t-on découvert le cycle de Calvin ? Par une longue série d’expériences ingénieuses menées par Melvin Calvin et son équipe à Berkeley, entre 1947 et 1957.

2.1 Le principe expérimental

Calvin utilise des algues vertes (Chlorella) cultivées en bouillon. Il introduit dans le milieu du CO₂ marqué au ¹⁴C (carbone radioactif), à différents temps très courts (quelques secondes seulement). Puis il tue rapidement les algues en les plongeant dans l’alcool bouillant, ce qui arrête toutes les réactions biochimiques instantanément.

Il analyse ensuite les molécules contenant du ¹⁴C par chromatographie sur papier bidimensionnelle + autoradiographie. Chaque molécule marquée laisse une tache sur le film photographique.

2.2 La progression dans le temps

• Après 5 secondes : une seule molécule contient du ¹⁴C → l’APG (acide phosphoglycérique, à 3 carbones)
• Après 30 secondes : plusieurs molécules contiennent du ¹⁴C : APG, G3P, sucres, acides aminés
• Après 1 minute : encore plus de molécules sont marquées, jusqu’au glucose et à l’amidon

Cette progression permet à Calvin de reconstituer pas à pas le parcours du carbone à travers les réactions de la photosynthèse. C’est un travail de détective biochimique d’une élégance remarquable.

3. Les trois étapes du cycle de Calvin

Le cycle de Calvin comporte trois grandes étapes successives :

3.1 Étape 1 — Fixation du CO₂ (carboxylation)

Le CO₂ atmosphérique entre dans le chloroplaste et rencontre une molécule à 5 carbones, le RuBP (ribulose 1,5-bisphosphate). La réaction est catalysée par l’enzyme reine : la Rubisco (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase). Elle « fixe » le CO₂ sur le RuBP :

CO₂ (1C) + RuBP (5C) → 2 APG (3C chacun)

Le produit transitoire à 6 carbones se scinde instantanément en deux molécules d’APG à 3 carbones chacune. C’est l’APG qui apparaît en premier sur les autoradiographies de Calvin.

3.2 Étape 2 — Réduction (utilisation d’ATP et NADPH)

L’APG est ensuite réduit en G3P (glycéraldéhyde 3-phosphate), aussi à 3 carbones. Cette réduction consomme :

• De l’ATP (qui phosphoryle l’APG)
• Du NADPH (qui fournit les électrons réducteurs)

APG + ATP + NADPH → G3P + ADP + Pi + NADP⁺

C’est ici que l’énergie chimique stockée dans l’ATP et le NADPH (produits de la phase photochimique) est utilisée pour transformer le carbone du CO₂ en matière organique réduite.

3.3 Étape 3 — Régénération du RuBP

Une partie des molécules de G3P (à 3 carbones) est utilisée pour régénérer le RuBP (à 5 carbones), de façon à ce que le cycle puisse continuer indéfiniment. Cette régénération consomme aussi de l’ATP.

L’autre partie des G3P est « exportée » du cycle pour servir à la synthèse de glucose, fructose, saccharose, amidon, et toutes les autres molécules organiques.

4. La Rubisco : l’enzyme reine

4.1 Une enzyme étrangement inefficace

Paradoxalement, la Rubisco est une enzyme relativement peu efficace :

• Vitesse de réaction lente : environ 3 fixations de CO₂ par seconde par molécule
• Elle confond le CO₂ et l’O₂ (d’où son nom « carboxylase/oxygénase ») : quand elle fixe l’O₂ au lieu du CO₂, on parle de photorespiration, qui « gâche » une partie du travail

Pour compenser ces faiblesses, les plantes produisent énormément de Rubisco : c’est cette accumulation qui en fait l’enzyme la plus abondante du vivant. Les plantes C4 (comme le maïs, la canne à sucre) ont développé un mécanisme supplémentaire pour concentrer le CO₂ près de la Rubisco et éviter la photorespiration.

5. Le bilan du cycle de Calvin

Pour produire un seul glucose (C₆H₁₂O₆), il faut faire tourner le cycle plusieurs fois. Bilan global pour 1 glucose :

6 CO₂ + 18 ATP + 12 NADPH → C₆H₁₂O₆ + 18 ADP + 18 Pi + 12 NADP⁺

Pour produire 1 glucose, 6 molécules de CO₂ sont nécessaires, et le cycle consomme 18 ATP et 12 NADPH — soit énormément d’énergie. C’est cohérent avec le fait que le glucose est une molécule très énergétique (chaque liaison C-C contient de l’énergie chimique).

6. La phase non photochimique a-t-elle besoin de la lumière ?

Question fréquente : la phase non photochimique se déroule-t-elle dans le noir ? Réponse : elle ne nécessite pas directement la lumière, mais elle ne peut pas fonctionner sans la phase photochimique (qui fournit ATP et NADPH). En pratique, la phase non photochimique fonctionne tant que de l’ATP et du NADPH sont disponibles.

Quand on coupe la lumière, la phase photochimique s’arrête immédiatement. La phase non photochimique continue brièvement, le temps d’épuiser les stocks d’ATP et de NADPH, puis s’arrête à son tour.