ปฎิกิริยาที่ไม่ใช้แสง
(dark reaction) หรือวัฎจักรคัลวิน (Calvin cycle) เป็นกระบวนการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์
เพื่อสร้างสารอินทรีย์ ซึ่งต้องใช้สาร ATP และ NADPH ที่ได้จากปฏิกิริยาที่ต้องใช้แสงมาสังเคราะห์น้ำตาล
กระบวนการนี้เกิดขึ้นบริเวณสโตรมา ซึ่งอยู่ภายนอกไทลาคอยด์แต่อยู่ภายในคลอโรพลาสต์
กระบวนการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์
เกิดขึ้นได้หลายแบบ ในบทเรียนนี้ขอยกตัวอย่างการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ แบบวัฎจักรคัลวิน
(Calvin cycle) ซึ่งเป็นที่รู้ดีโดยทั่วไป
ปฏิกิริยาในวัฎจักรคัลวินนี้แบ่งได้เป็น 3 ขั้นตอนใหญ่ดังแสดงในรูป
การตรึงคาร์บอนไดออกไซด์เป็นขั้นตอนที่คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 )
รวมตัวกับไรบูโลส
1,5 บิสฟอสเฟต
การรีดิวซ์เปลี่ยนโครงสร้างโมเลกุลโดยการช่วยเหลือของ ATP
และ NADPH
การสร้างตัวช่วยตรึงคาร์บอนไดออกไซด์กลับไปใหม่โดยการช่วยเหลือของ ATP
คาร์บอนไดออกไซด์ถูกตรึงด้วยชีวโมเลกุลในเซลล์ของพืช ซึ่งการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ไว้ให้แน่นนี้
ต้องอาศัยโมเลกุลของ ATP และ NADPH ในปฏิกิริยาเร่งด้วยเอนไซม์ขั้นต่อไป
รูปที่ 3.1 วัฎจักรคัลวินแสดงให้เห็นขั้นตอนต่างๆ
ของการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์
การตรึงคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อให้ได้สารตั้งต้นเพื่อไปสร้างน้ำตาลและแป้งนั้น
เกิดขึ้นเป็นวัฎจักรดังที่ได้พิสูจน์จากการทดลองของ Benson
และ Calvin และการทดลองของ
Hatch และ Slack (โปรดคลิกเพื่อดูรายละเอียด )
ปฏิกิริยาสำคัญในวัฎจักรคัลวิน
คือปฏิกิริยาเคมีขั้นแรกในการตรึง CO2 กับ R1, 5- BP
(ribulose 1,5 bisphosphate) ให้กลายเป็น 3PGA
(3-phosphoglyceraldehyde) สองโมเลกุล เป็นการตรึงก๊าซ
CO2 โดยพันธะเดี่ยวโควาเลนท์ให้กลายเป็นส่วนของโมเลกุลอินทรีย์
R1, 5- BP ซึ่งเป็นของแข็งละลายน้ำได้ การสร้างพันธะเดี่ยวนี้เกิดขึ้นได้เพราะมีปฏิกิริยา
2 ขั้นตอน ต่อจากปฏิกิริยาตรึง CO2
ซึ่งอาศัยพลังงานอิสระจาก ATP เพื่อผลักดันให้เกิด D G
(โปรดคลิกเพื่อดูรายละเอียด )
ที่มีค่าติดลบมาก และปฏิกิริยาที่อาศัย NADPH
รีดิวซ์โมเลกุล ที่มีหมู่เป็นกรดมาก
(คาร์บอกซิลิค) มาเป็นโมเลกุลน้ำตาลที่มีหมู่เป็นอัลดีไฮด์และคีโตน
จึงเป็นการดึงสมดุลย์ทางเคมีตามหลักการ Le Chatelier เพื่อให้ผลักสมการไปทางการสร้างน้ำตาลซึ่งมีความเสถียรมากกว่าจาก
3PGA ซึ่งมีความเสถียรน้อยกว่า
รูปที่ 3.2 ภาพเคลื่อนไหวของวัฎจักรคัลวินแสดงให้เห็นทีละขั้นตอนของปฏิกิริยา
จะเห็นได้ว่าตราบที่คลอโรพลาสต์มี
ATP และ NADPH ในสโตรมามากพอ จะสามารถตรึง CO2 ได้ หากมีเอนไซม์และองค์ประกอบอื่นๆ
พร้อมเพรียงในวัฎจักรคัลวิน ส่วนองค์ประกอบที่ไม่จำเป็นในที่นี้ก็คือ แสง
จึงนับได้ว่าเป็นปฏิกิริยาเคมีที่ไม่จำเป็นต้องใช้แสงอีกแล้ว
รูปที่ 3.3 ภาพเคลื่อนไหวแสดงกระบวนการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์โดยสรุป
ATP
มีหน้าที่อย่างไรในวัฎจักรคัลวิน
หน้าที่ของ
ATP ก็คือช่วยทำให้ปฏิกิริยาเกิดจากสารตั้งต้น (reactant )
ไปเป็นผลผลิต (product) ได้ดี เพราะ ATP จะแตกเป็น ADP + Pi ปล่อยพลังงานอิสระเพื่อใช้ในการทำพันธะโควาเลนท์ที่มีความเสถียร
NADPH
มีหน้าที่อย่างไรในวัฎจักรคัลวิน
NADPH ซึ่งได้มาจากการรีดักชั่นของ
NADP+ โดยอิเล็กตรอนของระบบแสง I จะทำหน้าที่ที่ดีในการรีดิวซ์สารช่วงกลางๆ
ในวัฎจักรคัลวิน
จึงสรุปได้ว่า
พลังงานของแสงถูกใช้ผ่าน ATP และ NADPH ในการสังเคราะห์สารขนาดที่ใหญ่ขึ้น
จากสารตัวเล็กๆ คือ CO2 และ น้ำ โดยกลไกการรีดิวซ์โดย NADPH และการให้พลังงานอิสระต่อปฏิกิริยาโดย
ATP
โดยทั่วไป
เรามักจะไม่กล่าวถึงความสำคัญของพลังงานแสงที่เก็บอยู่ในตัว O2
ที่ได้จากการสลายตัวจากน้ำ อันที่จริง O2 นี้มีสามารถทำปฏิกิริยากับสารต่างๆ
จนเกิดพลังงานมาใช้ได้มากกว่าน้ำ ซึ่งสิ่งมีชีวิตนำสมบัตินี้ไปใช้ในการสันดาปคาร์โบไฮเดรต
และไขมัน ให้เป็นพลังงานอิสระสำหรับสิ่งมีชีวิต
การสังเคราะห์ด้วยแสงด้วยระแบบแสง
II ได้เตรียมสารที่มีศักยภาพสูงในการทำปฏิกิริยาอยู่ในตัว O2
ซึ่งพร้อมที่จะทำปฏิกิริยาปล่อยพลังงานออกมาอย่างมากมาย