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
DG  (โปรดคลิกเพื่อดูรายละเอียด)  ที่มีค่าติดลบมาก และปฏิกิริยาที่อาศัย NADPH  รีดิวซ์โมเลกุลที่มีหมู่เป็นกรดมาก (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