ปฏิกิริยาตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 fixation reaction)
กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการเปลี่ยนพลังงานแสงให้มาอยู่ในรูปของพลังงานเคมีในโมเลกุลสารอินทรีย์ ในสิ่งมีชีวิตประเภทยูแคริโอต (eukaryote) มีคลอโรพลาสต์ (chloroplast) เป็นออร์แกแนลล์ (organelle) ที่ดาเนินกิจกรรมดังกล่าว กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ประกอบด้วย 2 กระบวนการหลัก (รูปที่ 1)
1. ปฏิกิริยาแสง (light reaction) ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นบริเวณเยื่อไทลาคอยด์ (thylakoid membrane) ทาหน้าที่ในการเปลี่ยนพลังงานแสงให้มาอยู่ในรูปของพลังงานเคมีของสารอินทรีย์พลังงานสูง 2 ชนิด ได้แก่ ATP และ NADPH ซึ่งสารพลังงานสูงดังกล่าวนี้ จะถูกน้ามาใช้ในปฏิกิริยาตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 fixation reaction) ต่อไป
2. ปฏิกิริยาคาร์บอน (carbon reaction) หรือปฏิกิริยาตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 fixation reaction) หรือเรียกอีกชื่อหนึ่งตามชื่อของผู้ค้นพบปฏิกิริยาว่า วัฏจักรคัลวิน (Calvin cycle) ปฏิกิริยานี้เกิดที่บริเวณสโตรมา (stroma) ซึ่งคือส่วนที่เป็นของเหลวในคลอโรพลาสต์ ในปฏิกิริยานี้ จะเป็นกระบวนการที่เปลี่ยนคาร์บอนอนินทรีย์ ซึ่งอยู่ในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ให้มาอยู่ในรูปของคาร์บอนอินทรีย์คือน้าตาล โดยอาศัยพลังงานจาก ATP และ NADPH ที่ได้จากปฏิกิริยาแสง เมื่อ ATP และ NADPH เข้าทาปฏิกิริยาในวัฏจักรคัลวิน จะได้ผลิตภัณฑ์เป็น ADP และ NADP+ ซึ่งจะกลับเข้าไปรับพลังงานจากปฏิกิริยาแสงใหม่
ดังนั้น โดยภาพรวมของกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเมื่อสิ้นสุดทั้งปฏิกิริยาแสง และปฏิกิริยาตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ พลังงานแสงจะเปลี่ยนมาอยู่ในรูปของพลังงานเคมีในโมเลกุลของน้าตาล ซึ่งก็คือพันธะเคมีที่เกิดขึ้นในการสังเคราะห์น้าตาลในปฏิกิริยาตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ หรือ วัฏจักรคัลวิน นั่นเอง
รูปที่ 1 กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นที่คลอโรพลาสต์ประกอบด้วย 2 กระบวนการหลัก คือ ปฏิกิริยาแสงและปฏิกิริยาตรึงคาร์บอนไดออกไซด์
ปฏิกิริยาตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ ประกอบด้วย 3 ระยะ (phase) (รูปที่ 2) คือ Phase 1: Carboxylation (การตรึงคาร์บอน) คือ กระบวนการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์เข้ากับสารอินทรีย์ที่มีคาร์บอน 5 อะตอมเป็นองค์ประกอบ คือ Ribulose-1,5-bisphosphate (ไรบูโรส-1,5-บิสฟอสเฟต หรือ RuBP)
Phase 2: Reduction (การรีดิวซ์) คือ กระบวนการเปลี่ยนผลิตภัณฑ์ที่ได้จากขั้นตอน carboxylation ให้เป็นน้าตาลโดยใช้พลังงานจาก ATP และ NADPH ซึ่งได้จากปฏิกิริยาแสง
Phase 3: Regeneration (การสร้างทดแทน) คือ กระบวนการสร้าง RuBP กลับคืน โดยใช้โมเลกุลของน้าตาลบางส่วนที่ได้จากขั้นตอน reduction และ ATP จากปฏิกิริยาแสง
รูปที่ 2 ปฏิกิริยาตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ ประกอบด้วย 3 phase คือ carboxylation , reduction และ
Regeneration ขั้นตอนในวัฏจักรคัลวิน รายละเอียดของวัฏจักรคัลวิน 1. Carboxylation คาร์บอนอนินทรีย์ในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งละลายอยู่ในสโตรมาของคลอโรพลาสต์ จะถูกน้ามารวมกับ Ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) ซึ่งเป็นสารอินทรีย์ที่ประกอบด้วยคาร์บอน 5 อะตอม โดยมีเอนไซม์ในสโตรมา คือ ribulose-1,5-bisphosphate caboxylase oxygenase (ไรบูโลส-1,5- บิสฟอสเฟต หรือ rubisco (รูบิสโก) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา เมื่อคาร์บอนไดออกไซด์ 1 โมเลกุลซึ่งมีคาร์บอน 1 อะตอมเป็นองค์ประกอบ เข้าทาปฏิกิริยากับ RuBP 1 โมเลกุล ซึ่งประกอบด้วยคาร์บอน
5 อะตอม จะได้สารอินทรีย์ที่มีคาร์บอน 6 อะตอมที่ไม่เสถียร จึงแตกตัวเป็นสารอินทรีย์ที่มีคาร์บอน
3 อะตอม จานวน 2 โมเลกุล คือ ฟอสโฟกลีเซอเรต (phosphoglycerate) หรือเรียกโดยย่อว่า PGA (รูปที่ 3)
รูปที่ 3 Phase 1: carboxylation เป็นขั้นตอนการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์เข้ากับ RuBP โดยมี rubisco เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และได้ phosphoglycerate (PGA) 2 โมเลกุลเป็นผลิตภัณฑ์
2. Reduction ขั้นตอนนี้เป็นการเกิดปฏิกิริยา reduction ของ PGA เพื่อสร้างเป็นน้าตาลในรูปของฟอสโฟกลีเซอรัลดีไฮด์ (phosphoglyceraldehyde) หรือ กลีเซอรัลดีไฮด์-3-ฟอสเฟต (glyceraldehydes-3-phosphate) หรือเรียกโดยย่อว่า PGAL หรือ G-3-P ตามลาดับ ในขั้นตอนแรก PGA จะเข้าทาปฏิกิริยากับ ATP ซึ่งได้จากปฏิกิริยาแสง ทาให้ได้รับพลังงานจากพันธะฟอสเฟตของ ATP ได้เป็น 1,3-บิสฟอสโฟกลีเซอเรต (1,3-bisphosphoglycerate) เมื่อ ATP ให้พันธะฟอสเฟตแก่ PGA ทาให้เกิด ADP ซึ่งจะถูกส่งกลับเข้าไปรับฟอสเฟตใหม่จากปฏิกิริยาแสง
จากนั้น 1,3-bisphosphoglycerate จะรับอิเล็กตรอนจาก NADPH เกิดปฏิกิริยา reduction ได้เป็น PGAL ซึ่งเป็นน้าตาลที่เกิดขึ้นใหม่จากกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง PGAL ประกอบด้วยคาร์บอน 3 อะตอม จึงเรียก PGAL ว่าเป็นน้าตาล C3
เมื่อเริ่มต้นด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ 1 โมเลกุลและ RuBP 1 โมเลกุล จะได้ PGA 2 โมเลกุลเข้าสู่ขั้นตอน reduction ดังนั้นเมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยา reduction จะได้ PGAL 2 โมเลกุล (รูปที่ 4)
รูปที่ 4 Phase 2: Reduction เป็นกระบวนการเปลี่ยน PGA เป็นน้าตาล phosphoglyceraldehyde (PGAL)