วันศุกร์ที่ 21 มกราคม พ.ศ. 2554

การสังเคราะห์แสง

บทที่ 11 การสังเคราะห์แสง
(Mechanism of Photosynthesis)

บทนำ
     สิ่งมีชีวิตที่สามารถสังเคราะห์อาหารได้เอง เรียกว่า  Autotrophic organism   ซึ่งจัดเป็นผู้ผลิตในระบบนิเวศน์  แบ่งได้เป็น 2 พวกใหญ่ ๆ คือ  พวกที่สังเคราะห์อาหารโดยใช้พลังงานจากสารประกอบอนินทรีย์เรียกว่า Chemoautotroph และพวกที่สังเคราะห์อาหารโดยใช้พลังงานจากแสง เรียกว่า Photoautotrophs
     Chemoautotrophs ที่พบทุกชนิดในปัจจุบัน เป็นแบคทีเรีย แบคทีเรียพวกนี้มักจะเป็นแบคทีเรียที่มีประโยชน์  ดำรงชีวิตอิสระ และเป็นพวกที่ใช้ออกซิเจนในการหายใจ  ตัวอย่างเช่น แบคทีเรียที่อยู่ในดินที่ร่วนซุย และแบคทีเรียที่อยู่ในปมรากของพืชตระกูลถั่ว เป็นต้น  แบคทีเรียพวกนี้สามารถสร้างอาหารได้เอง โดยการใช้ออกซิเจนไปออกซิไดซ์สารประกอบอนินทรีย์จำพวกแอมโมเนีย ไนไตรด์  ไฮโดรเจนซัลไฟล์  เหล็ก เป็นต้น แล้วแต่ชนิดของแบคทีเรีย แล้วใช้พลังงานที่ได้นี้ในการแยกน้ำ และทำให้ได้ H+ ไปรวมกับ CO2 กลายเป็น ( C H2 O )n  นั่นคือเป็นการ"เปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซค์ให้เป็นสารประกอบอินทรีย์(อาหาร)" ผลลัพธ์ที่ได้กลับคล้ายคลึงกันกับสิ่งมีชีวิตทั่วไป คือ คาร์โบไฮเดรต เช่น การสร้างสารอาหารของแบคทีเรียพวก Ammonifying bacteria ดังสมการ
              2 NH3  +  3 O2      --------->>>  2 HNO2  + 2 H2 O + พลังงาน ( 66.5 Kcal)
              2 H2 O + พลังงาน     --------->>>  2 H2    + O2  
              2 H2   + CO2        --------->>>  ( C H2 O )n 
     Photoautotrophs มีหลายชนิดได้แก่พืชทั้งหลาย , สาหร่ายต่าง ๆ ที่เป็น Eukaryote ทุกชนิด ,โปรติสต์บางชนิด และแบคทีเรียบางชนิด สิ่งมีชีวิตเหล่านี้ได้พลังงานจากแสง ในการ"เปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซค์ให้เป็นสารประกอบอินทรีย์” ซึ่งก็คือ คาร์โบไฮเดรต กล่าวได้ว่าสิ่งมีชีวิตเหล่านี้สามารถสังเคราะห์อาหารได้ด้วยแสง เรียกกระบวนการนี้ว่า กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง (Photosynthesis)
11.1 การค้นคว้าที่เกี่ยวข้องกับกลไกการสังเคราะห์ด้วยแสง
     การสังเคราะห์ด้วยแสง (Photosynyhesis) หมายถึง กระบวนการที่สิ่งมีชีวิตหรือเซลล์ที่มีคลอโรพลาสต์สามารถสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์ จากสารประกอบอนินทรีย์ โดยใช้พลังงานจากแสง
     ในพืช สาหร่ายที่เป็น Eukariote สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน สารประกอบอนินทรีย์ที่ใช้ (วัตถุดิบ) คือ คาร์บอนไดออกไซค์และน้ำ ส่วนในพวกแบคทีเรียบางชนิด เช่น แบคทีเรียสีม่วง (Purple bacteria)  อาจใช้สารอื่น ๆ แทนน้ำ เช่น ไฮโดรเจนซัลไฟด์ ( H2S)
     รายละเอียดเกี่ยวกับกลไกการสังเคราะห์ด้วยแสงตามที่เราทราบแล้วในปัจจุบันนั้นต้องใช้เวลาในการศึกษาค้นคว้ามายาวนาน คือ มากกว่า 342 ปี ดังนี้
     * ค.ศ.1648(พ.ศ.2191) Jean Baptiste Van Helmont ชาวเนเธอร์แลนด์ ทดลองปลูกต้นหลิวในกระถางดินที่มีฝาปิดมิดชิด และรดด้วยน้ำฝนอย่างเดียวเป็นเวลา 5 ปี  และพบว่าน้ำหนักของต้นหลิวเพิ่มขึ้นอย่างมากมาย คือ ประมาณ 74 กิโลกรัม แต่ปริมาณดินที่ใช้ปลูกลดลงเพียงเล็กน้อย คือ ประมาณ 0.5 กิโลกรัม  และทำให้เขาสรุปว่า "สารที่ใช้ในการเจริญเติบโตของต้นหลิวมาจากน้ำ"
     * ค.ศ. 1727 (พ.ศ. 2270) Stephen Hale นักพฤกษศาสตร์ชาวอังกฤษ  ได้สรุปจากการสังเกตของเขาว่า "พืชได้อาหารส่วนหนึ่งมาจากอากาศและแสง"
      ข้อสรุปของทั้งสองท่านนี้ไปค้านกับความเชื่อเดิมของคนในขณะนั้นที่ว่า "พืชได้รับอาหารมาจากดิน" จึงไม่มีใครให้ความสนใจเท่าที่ควร จนกระทั่งได้มีนักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่ง ซึ่งถือได้ว่าเป็นผู้บุกเบิก(เริ่มต้น)ศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับการสร้างอาหารของพืชอย่างจริงจัง ได้แก่
     * ค.ศ. 1771 (พ.ศ. 2314) Joseph Priestley ชาวอังกฤษ ได้ทดลองโดยใช้สาหร่ายและพบว่าสาหร่ายสามารถทำให้เกิดก๊าซออกซิเจนได้
     *ค.ศ. 1779(พ.ศ. 2322)JanIngen Houze  ชาวเนเธอร์แลนด์   ได้ทดลองคล้าย ๆ กับPriestley  และเน้นให้เห็นว่า "พืชจะทำให้เกิดก๊าซออกซิเจนได้ก็ต่อเมื่อมีแสง และจะเกิดเฉพาะกับส่วนที่มีสีเขียวของพืชเท่านั้น และพืชยังเก็บสารอาหารไว้ได้ด้วย"
     * ค.ศ. 1804 (พ.ศ. 2347) Nicolus Theodor De Saussure  ชาวสวิส  ได้แสดงให้เห็นว่าการสร้างอาหารของพืชต้องใช้ คาร์บอนไดออกไซค์และน้ำด้วย
     *ค.ศ. 1845 (พ.ศ. 2388) Robert Mayer ชาวเยอรมัน   ได้เน้นให้เห็นถึงความสำคัญของการสังเคราะห์แสงในแง่ของการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมี เพื่อนำมาใช้ในระบบเซลล์ของสิ่งมีชีวิต
     * ค.ศ. 1864 (พ.ศ. 2407)Julius von Sachs ชาวเยอรมัน ได้ทดลองง่าย ๆ ที่แสดงให้เห็นว่าการสังเคราะห์แสงของพืชสีเขียว ทำให้เกิดการสะสมแป้งขึ้น
     * ค.ศ. 1880 (พ.ศ. 2423)Wilhelm Engelman นักพฤกษศาสตรชาวเยอรมัน ได้แสดงให้เห็นว่าการสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นเฉพาะที่โครงสร้าง ภายในเซลล์พืชที่เรียกว่าChloroplast โดยการใช้แบคทีเรียที่ใช้ออกซิเจนในการหายใจเป็นตัวทดสอบ   วัดปริมาณก๊าซออกซิเจนที่เกิดจากการสังเคราะห์แสงของสาหร่ายสไปโรไจร่า (Spirogyra) และต่อมาเขาได้ทดลองโดยวัดปริมาณออกซิเจนที่เกิดจากการสังเคราะห์แสงของสาหร่ายสไปโรไจร่าโดยใช้แสงสีต่าง ๆ จึงทราบว่าแสงสีม่วง,แสงสีน้ำเงิน และแสงสีแดง  จะทำให้สาหร่ายสไปโรไจร่า  ปล่อยออกซิเจนมามากกว่าแสงสีอื่น ๆ  ซึ่งการทดลองนี้คล้ายกับคุณสมบัติในการดูดแสงสีต่าง ๆ ของรงควัตถุสีเขียวในคลอโรพลาสต์ที่เรียกว่า "คลอโรฟิลล์"  เขาจึงสรุปว่า คลอโรฟิลล์เป็นรงควัตถุที่สำคัญที่ทำหน้าที่ดูดแสง เพื่อให้เกิดการสังเคราะห์สารอาหารขึ้น
     ปลายคริสต์ศตวรรษที่19 จึงเริ่มทราบเกี่ยวกับการสร้างอาหารของพืชว่า เป็นกระบวนการที่ต้องใช้แสงและสามารถสรุปเป็นสมการการสังเคราะห์แสง  ได้ดังนี้            แสง 
             6 CO2  +   6 H2O --------------->  C6 H12 O6  +  6 O2
                                                คลอโรฟิลล์
      การค้นคว้าและทราบรายละเอียดเกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมีของการสังเคราะห์แสง ส่วนใหญ่เกิดจากการค้นพบในศตวรรษที่ 20 (ค.ศ.1901-2000) ดังนี้
  
     * ค.ศ. 1905 (พ.ศ. 2448) F.F. Blackman  ชาวอังกฤษ   ได้ศึกษาอัตราการสังเคราะห์แสงที่ความเข้มแสงต่าง ๆ และที่อุณหภูมิต่างกัน 10 องศาเซลเซียส  พบว่าที่ความเข้มของแสงต่ำ อุณหภูมิไม่มีผลต่ออัตราการสังเคราะห์แสง  ส่วนที่ความเข้มแสงสูง อัตราการสังเคราะห์แสงที่อุณหภูมิสูง จะมากกว่าที่อุณหภูมิต่ำเกือบเท่าตัว ดังกราฟ
          จากการทดลองนี้ Blackman เสนอว่า การสังเคราะห์แสงประกอบด้วยปฏิกิริยา 2 ส่วน โดยส่วนแรกเป็นปฏิกิริยาที่มีแสงเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา อุณหภูมิจึงไม่มีผลต่ออัตราการสังเคราะห์แสง  ส่วนที่ 2 เป็นปฏิกิริยาที่มีสารเคมี(เอนไซม์)เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา อุณหภูมิจึงมีผลต่ออัตราการสังเคราะห์แสง ซึ่งในเวลาต่อมา ปฏิกิริยาส่วนที่ 1  ก็คือ ปฏิกิริยาใช้แสง ( Light reaction )  และปฏิกิริยาที่ 2 ก็คือ ปฏิกิริยาไม่ใช้แสง( Dark reaction ) นั่นเอง
  * ค.ศ.1924 (พ.ศ.2467) C.B.Van Niel นักจุลชีววิทยาชาวอเมริกัน ได้ศึกษาการสังเคราะห์แสงของแบคทีเรียสีม่วง( Purple bacteria )   พบว่าการสังเคราะห์แสงของแบคทีเรีย ไม่มีออกซิเจนเกิดขึ้นและใช้ไฮโดรเจนซัลไฟด์ ( H2S )แทนน้ำ(H2O) ดังสมการ
                             CO2  +  2 H2S  ------------>>>>  ( C H2 O )n  +  H2 O  +  2 S
          จากสมการนี้เองทำให้ Van Niel เสนอว่า    สมการที่จะใช้เขียนแทนสมการการสังเคราะห์แสงทั้งของแบคทีเรียและของพืช ควรเป็นดังนี้                         แสง 
                             CO2  + 2 H2 A   ------------->>>  ( C H2 O )n  +  H2 O   +  2 A
                                     คลอโรฟิลล์
          หลังจากนั้น Van Niel ได้สรุปว่า ปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงน่าจะมี 2 ปฏิกิริยา ดังนี้
                                                    แสง 
                                    2 H2 A   ------------->>> 2 A  + 4 H+ + 4 e-
                                               คลอโรฟิลล์
                        CO2  + 4 H+ + 4 e-   ------------->>>  ( C H2 O )n  +  H2 O 
          สมการการสังเคราะห์แสงที่เสนอโดย Van Niel นี้ไปสอดคล้องกับข้อเสนอของ Blackmanและ Niel ยังแสดงให้เห็นได้ด้วยว่า ถ้าตัวให้อิเลคตรอนเป็นน้ำ ออกซิเจนที่เกิดขึ้นน่าจะเป็นออกซิเจนที่เป็นองค์ประกอบของน้ำ  ดังสมการ
                                                    แสง 
                                   2 H2 O   ------------->>>  O2  + 4 H+ + 4 e-
                                                 คลอโรฟิลล์
                    CO2   + 4 H+ + 4 e-   ------------->>>  ( C H2 O )n  +  H2 O 
     * ค.ศ. 1937 (พ.ศ. 2480)  Robin  Hill ชาวอังกฤษ ได้ทดลองโดยการสกัดคลอโรพลาสต์ออกมาจากใบพืช(ผักโขม) แล้วเติมตัวรับอิเลคตรอน(เกลือเฟอริก)ลงไป  พร้อมกับผ่านแสงลงไปด้วย แต่ไม่มีคาร์บอนไดออกไซค์ ผลปรากฏว่า คลอโรพลาสต์สามารถทำให้เกิดออกซิเจนขึ้นได้ ซึ่งปฏิกิริยานี้ต่อมาเรียกว่าHill reaction ดังสมการ
                                                           แสง
         คลอโรพลาสต์ + น้ำ + เกลือเฟอริก (Fe+++) ------->>> ออกซิเจน + เกลือเฟอรัส (Fe++)
          ถ้าทดลองในทำนองเดียวกันนี้ แต่ไม่ใส่ ตัวรับอิเลคตรอน (เกลือเฟอริก)  และเมื่อผ่านแสงแล้วปรากฏว่า ไม่มีก๊าซออกซิเจนเกิดขึ้น ดังสมการ
                                                           แสง 
               คลอโรพลาสต์ + น้ำ                     ------->>>   (ไม่มีก๊าซออกซิเจนเกิดขึ้น)   
     * ค.ศ. 1941 (พ.ศ. 2484) S.Ruben & K.D.Kamen ชาวอเมริกัน ได้พิสูจน์ให้เห็นว่าก๊าซออกซิเจนที่เกิดขึ้น เกิดจากการแตกตัวของน้ำ โดยการใช้ 18O  พบว่า O2 ที่เกิดขึ้นมาจากน้ำจริง  ปฏิกิริยานี้จึงเรียกว่า โฟโตไลซิส (Photolysis)  ซึ่งก็คือ Hill reaction นั่นเอง
          จากการค้นพบนี้ทำให้สมการการสังเคราะห์แสงที่สมบูรณ์ที่สุด ตามข้อมูลที่ทราบขณะนี้ เป็นดังนี้
                                                         แสง
                             6 CO2  +  12 H2O -----------------> C6H12O6  + 6 H2O  + 6 O2
                                                     คลอโรฟิลล์
     * ค.ศ. 1949 (พ.ศ. 2492) M. Calvin ชาวอเมริกัน ก็สามารถวิเคราะห์พบรายละเอียดเกี่ยวกับการเปลี่ยน CO2  เป็นคาร์โบไฮเดรต โดยการใช้ 14C  ในการตรวจสอบผลผลิตของปฏิกิริยาเป็นช่วง ๆเมื่อฉายแสงให้เป็นเวลาแตกต่างกัน (ซึ่งจะกล่าวละเอียดภายหลัง) ซึ่งปฏิกิริยานี้ปัจจุบันเรียกว่า วัฏจักรคัลวิน(Calvin cycle)
     * ค.ศ. 1954 (พ.ศ. 2494) D. Arnon , M.B. Allen & F.R. Whatley ชาวอเมริกัน ได้ศึกษาการทดลองของ Hill และ Ruben และทำให้ Arnon คิดว่า สารที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงน่าจะได้แก่  ADP , Pi , NADP+ , CO2  และแสง จึงทำการทดลองในทำนองเดียวกันกับ Hill แต่ได้ระมัดระวังในการควบคุมปัจจัยต่าง ๆ การทดลองของ Arnon อาจแบ่งเป็น 4 ขั้นตอน ดังนี้
          ขั้นที่ 1 นำสารที่กล่าวทั้งหมดใส่ลงในสารสกัดคลอโรพลาสต์ แล้วฉายแสงลงไป พบว่าจะมีปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงเกิดขึ้น จนได้น้ำตาล ดังสมการ                                                                                            แสง 
                         ADP + Pi + H2 O  + CO2  + NADP+  + Chloroplast ------->> น้ำตาล + O2   
          ขั้นที่ 2 ทำการทดลองแบบเดิม แต่ไม่เติม CO2 ปรากฏว่า เกิดปฏิกิริยาเคมีได้  แต่ไม่มีน้ำตาลเกิดขึ้น ดังสมการ
                                                                                 แสง 
                          ADP + Pi + H2 O + NADP+  + Chloroplast ------->> ATP + O2 + NADPH + H+
          ขั้นที่ 3 ทำการทดลองแบบเดิม แต่ไม่เติม CO2 และ NADP+ ปรากฏว่า เกิดเฉพาะ ATP อย่างเดียวเท่านั้น  นั่นคือ เป็นการค้นพบการสังเคราะห์ ATP โดยใช้พลังงานแสง ซึ่งเราเรียกว่า Photophosphorylation นั่นเอง ดังสมการ
                                                                              แสง 
                                     ADP + Pi + H2 O  + Chloroplast ------->> ATP
          ขั้นที่ 4 ได้ทดลองโดยเติม ATP , CO2 , NADPH+H+ , Chloroplast ลงไปแล้วไม่ฉายแสงปรากฏว่า มีน้ำตาลเกิดขึ้นได้ ดังสมการ
                  ATP + H2 O  + CO2  + NADPH+H+  + Chloroplast ------->> น้ำตาล + ADP
          จากการทดลองของ Arnon สรุปได้ว่า
               1. เมื่อมีปัจจัยต่าง ๆ ที่จำเป็นต่อการสังเคราะห์แสงครบถ้วน ได้แก่ ADP , Pi , H2O CO2 ,NADP+ , Chloroplast พบว่าคลอโรพลาสต์สามารถสังเคราะห์น้ำตาลได้ และเกิดก๊าซออกซิเจนด้วย
               2. ในสภาพไม่มีคาร์บอนไดออกไซค์ ปรากฏว่าคลอโรพลาสต์สามารถสังเคราะห์ ATP ,NADPH+H+และO2 ได้แต่สังเคราะห์น้ำตาลไม่ได้ แสดงว่าCO2 มีความจำเป็นในการสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรต
               3. ในสภาพไม่มี CO2 และ NADP+  ปรากฏว่า คลอโรพลาสต์สังเคราะห์ได้เฉพาะ ATP เพียงอย่างเดียว แสดงว่าเมื่อไม่มีตัวรับอิเลคตรอน พลังงานแสงที่ได้สามารถใช้สังเคราะห์ ATP ได้
               4. เมื่อมี ATP  NADPH+H+  CO2   แม้จะไม่มีแสง คลอโรพลาสต์ก็สามารถสังเคราะห์น้ำตาลได้ นั่นคือการสังเคราะห์น้ำตาลไม่ต้องใช้แสง
     * ค.ศ. 1963 (พ.ศ. 2506) R.B. Park และ N.G.Pon ชาวอเมริกัน ได้ศึกษาโดยการแยกส่วนต่าง ๆ ของ คลอโรพลาสต์มาศึกษา และยืนยันว่า ปฏิกิริยาแสง(Light reaction) เกิดขึ้นที่เยื่อในคลอโรพลาสต์  และวัฏจักรคัลวินหรือปฏิกิริยาไม่ใช้แสง(Dark reaction) เกิดในสโตรมา(Stroma)
11.2 ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง
     การสังเคราะห์ด้วยแสง (Photosynthesis)  ในปัจจุบันนี้นักวิทยาศาสตร์ได้แบ่งออกเป็น 2 ขั้นตอนคือ(1)ปฏิกิริยาใช้แสง (Light reaction) ซึ่งเกิดขึ้นที่เยื่อในคลอโรพลาสต์ และ(2)ปฏิกิริยาไม่ใช้แสง(Dark  reaction)  ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในส่วนที่เป็นของเหลวที่เรียกว่า Stroma หรือ Matrix
        ก. ปฏิกิริยาใช้แสง (Light reaction)
              ปฏิกิริยาใช้แสง เป็นปฏิกิริยาที่มีรงควัตถุทำหน้าที่ดูดพลังงานแสง เพื่อนำมาใช้ในการสังเคราะห์ATP และ NADPH+H+  ซึ่งต้องมีน้ำเข้ามาร่วมปฏิกิริยาด้วย เพื่อเป็นตัวให้อิเลคตรอนแก่รงควัตถุดูดแสง และมีการถ่ายอิเลคตรอนไปตามตัวรับอิเลคตรอนอีกหลายชนิด จนสามารถสังเคราะห์สารที่กล่าวแล้วได้ ปฏิกิริยานี้จึงอาจเรียกว่า "ระบบถ่ายทอดอิเลคตรอน (Electron transport system)"
          ในปฏิกิริยานี้มีรงควัตถุที่ทำหน้าที่ดูดพลังงานแสง ซึ่งอยู่ในคลอโรพลาสต์ ประกอบด้วยระบบดูดแสง(Photosystem) 2 ระบบที่ทำงานต่อเนื่องกัน คือ  ระบบดูดแสงที่ 1( หรือ Photosystem I หรือ PS-I)และระบบดูดแสงที่ 2( หรือ Photosystem II หรือ PS-II) ระบบดูดแสงนี้พบครั้งแรกโดย R. Hill และF. Bendal เมื่อปี ค.ศ. 1960 (พ.ศ. 2503)
          ระบบดูดแสงแต่ละระบบ ประกอบด้วยรงควัตถุดูดแสง ซึ่งได้แก่ คลอโรฟิลล์และคาร์โรทีน หรือแซนโทฟิลล์  รงควัตถุเหล่านี้จะรวมกันเป็นหน่วยเล็ก ๆ หลายหน่วย แต่ละหน่วยประกอบด้วย คลอโรฟิลล์ประมาณ 300 โมเลกุล และมีคาร์โรทีนหรือแซนโทฟิลล์รวมอยู่ด้วยประมาณ 50-200 โมเลกุล โดยมีคลอโรฟิลล์เอ ชนิดพิเศษอยู่อย่างน้อย 1 โมเลกุลทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางของปฏิกิริยา (Reaction center) ซึ่งสามารถ
ดูดพลังงานแสงได้ดีที่สุดที่ช่วงคลื่น 700 nm และ 680 nm จึงเรียกว่า P700  และ P680
          ระบบดูดแสงที่ 1 (PS-I)  ประกอบด้วย (1)คลอโรฟิลล์ เอ พิเศษ P700 (2)คลอโรฟิลล์ เอ(660-720 nm) (3)คลอโรฟิลล์ บี และ(4)คาร์โรทีน (400-550 nm)
          ระบบดูดแสงที่ 2 (PS-II) ประกอบด้วย (1)คลอโรฟิลล์ เอ พิเศษ P680 (2)คลอโรฟิลล์ เอ(660-685 nm) (3)คลอโรฟิลล์ บี และ(4)แซนโทฟิลล์ (400-550 nm)
          กลไกการทำงานของระบบดูดแสงทั้ง 2 ระบบนี้มีหลักการคล้าย ๆ กัน  คือ  แคโรทีนหรือแซนโทฟิลล์ดูดพลังงานแสงเป็นหน่วยแรก แล้วถ่ายเทพลังงานไปให้กับ คลอโรฟิลล์ บี , คลอโรฟิลล์ เอ จนกระทั่งถึงคลอโรฟิลล์ เอ พิเศษ P700  หรือ P680 ในขณะที่มีการดูดและถ่ายเทพลังงานนี้ก็จะทำ ให้อิเลคตรอนของคลอโรฟิลล์ เคลื่อนที่เร็วขึ้น และค่อย ๆ เคลื่อนตัวออกห่างจากนิวเคลียสมากขึ้นทุกที ๆ  จนกระทั่งหลุดออกไปจาก
ระบบดูดแสง 1e- ต่อ 1 โมเลกุลของระบบดูดแสง
          ปฏิกิริยาใช้แสง ประกอบด้วยระบบถ่ายทอดอิเลคตรอน โดยมีตัวรับเป็นทอด ๆ และฝังตัวอยู่ในเยื่อภายใน Grana หรือ Lamella โดยปรกติในพืชทั่ว ๆ ไป การถ่ายทอดคลอโรฟิลล์จะเกี่ยวข้องกับ PS-Iและ PS-II และตัวรับอิเลคตรอนที่เรียงกันอยู่ในเยื่อ ทำให้มีวิถีการถ่ายทอดคลอโรฟิลล์คล้ายกับอักษร "Z" จึงมักเรียกว่า "Z - scheme" ซี่งเป็นการถ่ายทอดอิเลคตรอนไปตามลำดับ ไม่ย้อนกลับ เรียกว่า  การถ่ายทอดอิเลคตรอนแบบไม่เป็นวัฏจักร (Non-cyclic electron transfer) ซึ่งมีวิถีการถ่ายทอด ตามแผนภาพ
                 การถ่ายทอดอิเลคตรอนแบบไม่เป็นวัฏจักรนี้ ประกอบด้วยเหตุการณ์ที่สำคัญ ๆ 3 เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเกือบพร้อมกัน ดังนี้
               1. การแตกตัวของน้ำ   ที่เรียกว่า "โฟโตไลซิส (Photolysis)" เพื่อให้ e- ชดเชยแก่ PS-II (photosystem II)  ซึ่งเกิดขึ้นในขณะมีแสง และได้ก๊าซออกซิเจนเป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยาด้วย ดังสมการ     
               H2O  -------------- >>> 2 H+  + 2 e- +  O2 
               2. การส่งและรับอิเลคตรอนของ PS-II เกิดเมื่อ PS-II ดูดพลังงานแสงจนมีพลังงานสะสมสูงขึ้น ๆ  และทำให้ P680 เสียอิเลคตรอนไป 2 e-  ให้แก่สารรับอิเลคตรอนตัวแรกจาก PS-II  ซึ่งยังไม่ทราบแน่ชัดว่าเป็นสารใดจึงเรียกว่าสาร Q จากสารQ ส่งอิเลคตรอนต่อไปยัง PS-I  โดยผ่านไปตามลำดับ คือ Plastoquinone(PQ) , Cytochrome f และ Plastocyanin(PC) ตามลำดับ เพื่อส่ง2e-ให้แก่PS-Iต่อไปในขั้นตอนนี้จะมีการสังเคราะห์ATP ได้อย่างน้อย 1 ATP  (และอย่างมากก็คือ2 ATP) ตรงระหว่าง PQ กับ Cytochrome f              
          3. การส่งและรับอิเลคตรอนของ PS-I  เกิดเมื่อ PS-I ดูดพลังงานแสงจนมีพลังงานสะสมสูงขึ้น ๆ และทำให้ P700 เสียอิเลคตรอนไป 2 e- ให้แก่ตัวรับอิเลคตรอนตัวแรกจาก PS-I ซึ่งก็ยังไม่ทราบแน่ชัดว่าเป็นสารใด จึงเรียกว่า สาร X  แต่เชื่อว่าเป็นสารพวกโปรตีนที่มีเหล็กและกำมะถัน ( Iron-sulfur-protein) จึงอาจจะเรียกว่า FRS (Ferredoxin Reducing Substace)  จากสาร X จะส่งอิเลคตรอนไปตามลำดับ คือ ถ่ายอิเลคตรอนต่อไปยัง Ferredoxin(Fd) , FAD และ NADP+ ตามลำดับ ในขั้นตอนนี้จะมีการสังเคราะห์ NADPH+H+  ได้ 1 โมเลกุล
     การถ่ายทอดตามแบบที่กล่าวนี้เป็นการถ่ายทอดอิเลคตรอนไม่เป็นวัฏจักร (Non cyclic lectrontransfer) ทำให้สามารถสรุปได้ดังนี้
          ก. การแตกตัวของน้ำที่เรียกว่า Photolysis ได้ 2H+ ,2e- และ O2
          ข. เกิดการสังเคราะห์ ATP ได้โดยใช้แสง (ได้อย่างน้อย 1 ATP) ที่เรียกว่า Non-cyclic Photophosphorylation
          ค. เกิดการรีดิวซ์ NADP+ ไปเป็น NADPH + H+ เพื่อเก็บไว้ใช้ต่อไป
          ง. ตังรับอิเลคตรอนตัวสุดท้ายของระบบ คือ NADP+ และผลผลิตสุดท้าย ก็คือ  NADPH + H+
          จ. ถ้าคิดจากการสังเคราะห์กลูโคสได้ 1 โมเลกุล ซึ่งต้องใช้  12 H2O และจะได้ผลลัพธ์ดังต่อไปนี้ คือ (1) 6 O2 (2) 12 NADPH+H+ และ(3) ATP อย่างน้อย 12 ATP แต่ไม่เกิน 24 ATP
     ในบางครั้ง พืชอาจไม่สามารถสังเคราะห์ NADPH+H+ ได้ เนื่องจากไม่มีตัวรับ H+ (คือ NADP+) ในกรณีนี้พืชก็จะมีการถ่ายทอดอิเลคตรอนได้เช่นกัน แต่เป็นการถ่ายทอดอิเลคตรอนแบบเป็นวัฎจักร (Cyclic Electron transfer) ซึ่งจะเกี่ยวข้องเฉพาะกับ PS-I เท่านั้น และแบบแผนการถ่ายทอดเป็นดังนี้
          เมื่อ PS-I ดูดพลังงานแสง จนมีพลังงานสะสมสูงขึ้น ๆ และเสียอิเลคตรอน 2 e- ให้แก่สาร X แต่ถ้าไม่มี NADP+ มารับอิเลคตรอน อิเลคึตรอนจากสาร X จะส่งผ่านไปยัง Cytochrome b6  ซึ่งไม่อยู่ในZ - scheme  แล้วส่งไปยัง PQ , Cyt. f , PC แล้วย้อยกลับไปยัง PS-I ตามเดิม ในการถ่ายทอดแบบนี้ไม่มีการสังเคราะห์ NADPH+H+ แต่ก็ยังคงสามารถสังเคราะห์ ATP ได้อย่างน้อย 1 ATP (Cyclic photophosphorylation)
        ข.ปฎิกิริยาไม่ใช้แสง (DARK REACTION)
                 ผู้พบรายละเอียดในปฏิกิริยาไม่ใช้แสงนี้เป็นคนแรก คือ M. Calvin และ A. A. Benson เมื่อปี .. 1949 จึงเรียกปฏิกิริยานี้ว่า "วัฏจักรคัลวิน (Calvin cycle)"  ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่สาร C-5 (RuDP) รวมตัวกับ CO2  กลายเป็นสาร C-3 (PGA) 2 โมเลกุล  แล้วต่อจากนั้นจึงเกิดการสังเคราะห์สาร C-6(กลูโคส) จึงอาจจะเรียกปฏิกิริยานี้อีกชื่อหนึ่งว่า "C-3 cycle" ตามชื่อผลลัพธ์ตัวแรกที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยา
             การทดลองของคัลวินโดยการเตรียมสารละลายที่มี  H14CO3- จาก 14CO2แล้วนำไปทดลองกับสาหร่ายสีเขียว ชื่อคลอเรลล่า (Chlorella) ในขวดแก้วที่ออกแบบเป็นพิเศษเพื่อสามารถควบคุมตัวแปรได้ตามที่ต้องการ อาจแบ่งการทดลองของคัลวินออกเป็นขั้นตอน ได้ดังนี้
             ขั้นที่ 1. ฉายแสงเป็นเวลา 5 วินาที แล้วหยุดปฏิกิริยาทันทีทันใด และตรวจสอบหาธาตุ 14C ผลปรากฏว่า ตรวจพบ 14C  ในสารประกอบที่มีคาร์บอนอะตอม 3 อะตอม คือ 3 - Phosphoglyceric acid หรือ PGA แต่พบ 14C ประกอบอยู่ด้วยเพียงอะตอมเดียว อีก 2 อะตอมเป็นคาร์บอนธรรมดา ( 12C )
                   จากการทดลองนี้ทำให้คัลวินคิดว่า น่าจะมีสารประกอบ C-2 มารวมกับ CO2  กลายเป็นสารประกอบC-3 (PGA)แต่เมื่อตรวจสอบภายในขวดทดลองแล้วไม่พบสาร C-2 เลย พบแต่สาร C-5 และพบว่าเกิดขึ้นอยู่ตลอดเวลาด้วย คัลวินจึงตั้งสมมติฐานว่า น่าจะเป็นไปได้ที่ สารประกอบที่มีคาร์บอนอะตอม 5อะตอม คือ Ribulose Diphosphate (RuDP) คงจะมารวมตัวกับ CO2  กลายเป็นสาร C-6 แล้วแตกตัวต่ออย่างเร็ว ได้สาร C-3 (PGA) 2 โมเลกุล  ซึ่งตรงจุดนี้คัลวินต้องใช้เวลาในการศึกษาต่อมาเกือบ 10 ปีจึงพบข้อเท็จจริงที่ว่านี้
             ขั้นที่ 2  ฉายแสงเป็นเวลา 60 วินาที ตรวจพบ 14C  ในสารประกอบที่มีคาร์บอนอะตอม 3 อะตอม , 5 อะตอม และ 6 อะตอม   คัลวินคิดว่าเมื่อสังเคราะห์สาร C-3 ได้มากพอ จึงสังเคราะห์สารอื่น ได้ คือ RuDP , และ กลูโคส ตามลำดับ
             ขั้นที่ 3 ฉายแสงเป็นเวลา 90 วินาที นอกจากจะพบสารในข้อ 2 แล้ว ยังพบสารอื่นๆ เกิดขึ้นอีกด้วย เช่น ไขมัน โปรตีน จากการทดลองในขั้น1-2 ต่อมาได้ศึกษาและทราบว่าสารที่มารวมกับ CO2 ก็คือ RuDP  และได้ทำการศึกษาโดยการวัดปริมาณ 14C ในสาร PGA และ RuDP ในสภาวะต่าง กัน คือ (1)สภาวะปกติที่มีแสงและCO2 (2)ในสภาวะมีแสงแต่ไม่มี CO2 (3)ในสภาวะไม่มีแสง แต่มี CO2 ได้ผลดังกราฟ
ปริมาณสารกัมมันตรังสี(14C)
     << --------------- มีแสง และมี CO2 ------------------------------>>
                          PGA                                          
                       
                          RuDP                                        
              
                                                                      
                                                                       
      


      -------------------------------------------------------->>  เวลา
     . เมื่อมีแสงและมีคาร์บอนไดออกไซค์

 ปริมาณสารกัมมันตรังสี(14C)
     << ---------------      มีแสง     ------------------------------>>
     <<--------- มี CO2 ---------->><<--------- ไม่มี CO2  ----------->> 
                           PGA                                       
                                                         
                           RuDP                                       
                                                 
                                                                     
                                                                     
      

      -------------------------------------------------------->>  เวลา
     . เมื่อมีแสงและไม่มีคาร์บอนไดออกไซค์

ปริมาณสารกัมมันตรังสี(14C)
     << --------------- มีคาร์บอนไดออกไซค์ ---------------------------->>
     <<--------- มี แสง ---------->><<--------- ไม่มี แสง  ----------->> 
                           PGA                                       
                                                         
                           RuDP                                      
                                                   
                                                                     
                                                                     
      

      -------------------------------------------------------->>  เวลา
     . เมื่อไม่มีแสงแต่มีคาร์บอนไดออกไซค์
        จากการทดลองที่กล่าวแล้ว สามารถสรุปได้ดังนี้
        1. ในสภาวะมีแสงและ 14CO2   พบว่า PGA จะเพิ่มรัดับขึ้นก่อน แล้ว RuDP จึงเพิ่มระดับตามขึ้นไป จนถึงระดับหนึ่ง ทั้ง PGA และ RuDP คงที่ตลอดไป และ ปริมาณ PGA มากกว่า RuDP เสมอ หมายความว่า ในช่วงแรก มีการสังเคราะห์ RuDP จากสาร PGA จากนั้นการที่กราฟคงที่คงเนื่องมาจาก  14CO2 ให้เข้าไปจะสมดุลย์พอดีกับการสังเคราะห์สาร C-6 และการที่ปริมาณ PGA มากกว่า RuDP เสมอ ก็เนื่องมาจำนวน 14C ในโมเลกุลของ PGA ซึ่งมีมากกว่า RuDP 
          2. ภาวะที่มีแสง เปรียบเทียบเมื่อมีและไม่มี CO2  ช่วงแรกเหมือนข้อ 1 ช่วงไม่มี CO2 ปรากฏว่า PGA จะลดระดับลงแล้วคงที่ส่วน RuDP เพิ่มระดับขึ้นอย่างรวดเร็วแล้วลดลงเล็กน้อยและคงที่ อธิบายว่าเมื่อไม่มี CO2 ปริมาณ RuDP เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเพราะ ไม่มี CO2 ที่จะมารวมตัวกับ RuDP และในขณะเดียวกัน PGA สามารถถูกกระตุ้นให้เปลี่ยนเป็น RuDP ได้ด้วย ก็จะยิ่งทำให้ RuDP ยิ่งเพิ่มมากขึ้น และ PGAก็ลดระดับลงพร้อม กัน 
          3. ในสภาวะมี CO2 ตลอดเวลา เปรียบเทียบกับเมื่อมีและไม่มีแสง ช่วงแรกเหมือนข้อ 1 ส่วนช่วงที่ไม่มีแสงพบว่า PGA เพิ่มขึ้นส่วน RuDP ลดลง ก็เนื่องมาจาก การสังเคราะห์ PGA ไม่จำเป็นต้องอาศัยแสง ทำให้ CO2 สามารถรวมกับ RuDP ได้ PGA  จึงทำให้ PGA เพิ่ม และ RuDP ลดลง นอกจากนี้ในเวลาต่อมาทราบว่า การสังเคราะห์ RuDP จาก PGA ต้องอาศัยผลผลิตที่ได้จากปฏิกิริยาช่วงใช้แสงด้วย จึงทำให้ไม่สามารถสังเคราะห์ RuDP ได้ แม้จะมี PGA ก็ตาาม
     จากการทดลองดังกล่าวนี้สนับสนุมสมมติฐานที่ว่า RuDP เป็นสารที่มารับ CO2 กลายเป็น PGA 2 โมเลกุล  และ PGA สามารถเปลี่ยนไปเป็น RuDP ได้ โดยอาศัยผลผลิตจากปฏิกิริยาที่ใช้แสง  ต่อมาปฏิกิริยาไม่ใช้แสงนี้จึงมีรายละเอียดของปฏิกิริยา โดยเมื่อคิดว่า สามารถเกิดวัฏจักรจนสามารถสังเคราะห์ RuDP ได้เพียงพอที่จะมารับ CO2 ได้อย่างสมดุลย์ เป็นดังนี้
     วัฏจักรคัลวิน (Calvin cycle หรือ C3-Cycle)
          เกิดใน Stroma (หรือ Matrix) ของ Chloroplast สรุปปฏิกิริยาย่อๆได้ดังนี้

                                  6ATP   6ADP 6NADPH+H+      6NADP
3 C1 -------->> 6 C3 ------------------------->>>  6 C3 ----------->>> 1 C3
                                                        2                  
                        1                                                                                                  4
                                                        3                
                       3 C5 <<<-----------<<---<<---<<---- 5 C3                                Cn    (C6H12O6)
                                   3ADP        3ATP 
        ปฏิกิริยาที่ 1 ระยะตรึงคาร์บอนไดออกไซค์(Carboxylation phase)โดยการเติม CO2ให้กับสาร C5 ชื่อ Ribulose Diphosphate(RuDP)ได้ผลลัพธ์เป็นสาร C3 2 โมเลกุล คือ 3-Phosphoglyceric acid (PGA) โดย Ribulose Diphosphate corboxylase (RuDPcase) ดังสมการ
3 CO2  + 3 RuDP + 3 H2 O ------------- >>> 6 PGA
        ปฏิกิริยาที่ 2 ระยะรีดักชั่น(Reduction phase) เป็นการเปลี่ยนสาร C3 คือ PGA ไปเป็นสาร C3 อีกชนิดหนึ่งคือ  3-phospho-glyceraldehyde(PGAL) โดยใช้พลังงาน ATP และเกิดปฏิกิริยารีดักชั่นโดย NADPH+H+  ดังสมการ
6 PGA  + 6 ATP ------------------ >>> 6 diPGA + 6 ADP
6 diPGA + 6 NADPH+H+ ------------ >>> 6 PGAL
     ปฏิกิริยาที่ 3 ระยะเกิด RuDP(Regeneration phase) ระยะนี้ค่อนข้างซับซ้อน มี 10ปฏิกิริยา เพื่อเปลี่ยน PGAL ให้เป็น RuDP โดยเปลี่ยน PGA ให้เป็น Ru5P(Ribulose-5-phosphate)ก่อนแล้วจึงเปลี่ยนต่อไปเป็น RuDP ซึ่งต้องใช้ ATP กระตุ้นปฏิกิริยาด้วย ดูรายลัเอียดตามแผนภาพ
              ปฏิกิริยาที่ 4 ระยะสร้างผลผลิต(Product synthesis) น้ำตาล PGAL หลายๆ โมเลกุลจะรวมตัวกันได้น้ำตาลโมเลกุลใหญ่ขึ้น ตามลำดับ ครั้งแรกเกิดจาก PGAL 2 โมเลกุลรวมกันได้ Fru-1,6-P แล้วเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับใน Glycolysis จนได้กลูโคสแล้วจึงสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรตที่มีขนาดโมเลกุลใหญ่ขึ้น ตามลำดับ 


CALVIN CYCLE

                               6 ATP    6 ADP       6 NADPH+H+       6 NADP
  3CO2->---->6 PGA(C3)-------> 6 diPGA(C3  -----------> 6 PGAL(C3 )---------------->> 1 PGAL(C3)

            R5P(C5)                                       
                                                                                       (C3) 5 PGAL(C3 )
         3RuDP(C5)                    (C10)                                                                                   (CH2O)n 
                                                           S7D(C7)                         (C3) 
3 ADP                                                                                                            DHAP(C3)            
                                                           
3 ATP                                                     SDP(C7)
    3 Ru5P(C5)<<                                                                      FDP(C6)


                         Xy5P(C5)                  E4P(C4)                   F6P(C6)           

                                                                     (C9)
    2 Xy5P(C5) ¬--- Xy5P(C5)    
หมายเหตุ   DHAP = Dihydroxyacetone Phosphate    FDP = Fructose -1,6-Phosphate 
              F6P  = Fructose-6-Phosphate        E4P = Erytrose-4-Phosphate   
                   Xy5P = Xylulose-5-Phosphate            SDP = Sedeheptulose-1,7-Phosphate
                   S7P  = Sedeheptulose-7-Phosphate     R5P = Ribose-5-Phosphate
                   Ru5P = Ribulose-5-Phosphate        

     สรุปปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสง 
                (เมื่อสังเคราะห์กลูโคส 1 โมเลกุล)
          . ปฏิกิริยาใช้แสง          
               1. เกิด Photolysis ใช้ 12 H2O ได้ผลลัพธ์ที่สำคัญ คือ 6 O2  
               2. เกิดการถ่ายทอดอิเลคตรอนแบบไม่เป็นวัฏจักร ได้ผลลัพธ์ที่สำคัญ คือ 12 NADPH+H+ 
                  และ ATP 12 - 24 โมเลกุล  ซึ่งจะถูกนำไปใช้ในปฏิกิริยาไม่ใช้แสงต่อไป
          . ปฏิกิริยาไม่ใช้แสง
               1. ต้องใช้ 6 CO2 , 12 NADPH+H+ และ 18 ATP (เกิดวัฏจักรคัลวิน 2 รอบ)
               2.ได้ PGAL 1 โมเลกุลต่อ 1 วัฏจักร  ดังนั้นต้องเกิดวัฏจักร 2 รอบจึงจะสามารถสังเคราะห์ กลูโคส ได้ 1 โมเลกุล
          หมายเหตุ กรณีของ ATP ถ้าสังเคราะห์ได้ 24 โมเลกุล จะมีพลังงาน ATP เหลืออีก 6 โมเลกุล
                  แต่ถ้าสังเคราะห์ได้เพียง 12 โมเลกุล ก็จะขาดอีก  6 ATP ซี่งก็ไม่มีปัญหาอะไร เพราะพืชเองก็มีการหายใจได้ตลอดเวลาอยู่แล้ว
  iiiiiiii