การสังเคราะห์ด้วยแสง (Photo Synthesis)

        กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง เป็นกระบวนการที่พืชและสิ่งมีชีวิตเปลี่ยนพลังงานแสงให้มาอยู่ในรูปของพลังงานเคมีที่อยู่ในโมเลกุลของสารอินทรีย์ที่สร้างขึ้น พลังงานที่อยู่ในโมเลกุลสารอินทรีย์นี้ ถูกใช้เป็นแหล่งพลังงานในการดำรงชีวิตของพืชและสิ่งมีชีวิตทั้งหลายบนโลก กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงนี้อาจถือได้ว่าเป็นเพียงกระบวนการเดียวของพืชและสิ่งมีชีวิตที่สามารถดึงพลังงานจากดวงอาทิตย์ให้เข้ามาหมุนเวียนในโลก

พืชรับพลังงานแสงโดยวิธีใด

        พืชและ/หรือสิ่งมีชีวิตที่มีกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง จะต้องมีสารที่มีความสามารถในการดูดกลืนพลังงานแสง แล้วนำพลังงานนั้นไปใช้ในการสร้างพันธะเคมี (chemical bond) ในโมเลกุลของสารอินทรีย์

        โมเลกุลที่มีความสามารถในการดูดกลืนแสงที่มีอยู่ในพืชและสิ่งมีชีวิตนี้คือ รงควัตถุ (pigment) รงควัตถุที่ใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง (photosynthetic pigment) สามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภทใหญ่ๆ ตามลักษณะของโครงสร้างของโมเลกุล ได้แก่

1. Chlorophyll
        เป็นรงควัตถุที่พบทั่วไปในพืชและสิ่งมีชีวิตทีมีกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง โครงสร้างประกอบไปด้วยส่วนที่เป็น porphyrin-like structure ซึ่งมี Mg2+ อยู่ส่วนกลางของโครงสร้าง และส่วนที่เป็นสายยาวของไฮโดรคาร์บอน ซึ่งเป็นส่วนที่เป็น hydrophobic region ซึ่งฝังตัวอยู่บน photosynthetic membrane ในคลอโรพลาสต์

2. Phycobilins
        เป็นรงควัตถุที่เป็น accessory light-harvesting pigments ที่พบใน cyanobacteria และสาหร่ายสีแดง มีโครงสร้างเป็น open-chain tetrapyrroles
        phycobilins ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงที่เป็นที่ทราบกันโดยทั่วไปมี 3 ชนิดคือ phycoerythrin (หรือ phycoerythrobilin) phycocyanin (หรือ phycocyanobilin) และ allophycocyanin (allophycocyanobilin) ซึ่งทั้งสามชนิดนี้จะไม่พบในพืชชั้นสูง แต่พบเฉพาะใน cyanobacteria และสาหร่ายสีแดงเท่านั้น

3. Carotenoids
        กลุ่มรงควัตถุที่มีสีเหลือง-ส้ม พบทั่วไปในพืชและสิ่งมีชีวิตที่สามารถสังเคราะห์ด้วยแสงได้ มีหน้าที่ในการช่วยรับพลังงานแสง accessory light-harvesting pigment เพื่อการสังเคราะห์ด้วยแสง และทำหน้าที่ในการป้องกันอันตรายจากแสง (photoprotective agents)
        เป็นกลุ่มรงควัตถุที่มีสีเหลือง-ส้ม พบทั่วไปในพืชและสิ่งมีชีวิตที่สามารถสังเคราะห์ด้วยแสงได้ มีหน้าที่ในการช่วยรับพลังงานแสง accessory light-harvesting pigment เพื่อการสังเคราะห์ด้วยแสง และทำหน้าที่ในการป้องกันอันตรายจากแสง (photoprotective agents)
        โครงสร้างหลักของรงควัตถุกลุ่มนี้คือ การเป็นสายไฮโดรคาร์บอน ซึ่งประกอบด้วยคาร์บอน 40 อะตอม ซึ่งสามารถจำแนกได้เป็น 2 กลุ่มย่อยคือ carotenes และ xanthophylls
        Carotenes เป็นรงควัตถุที่มีสีส้ม หรือส้ม-แดง เป็นสายยาวของไฮโดรคาร์บอน ส่วน xanthophyll มีสีเหลือง หรือส้ม-เหลือง ซึ่งนอกจากจะประกอบด้วยสายยาวของไฮโดรคาร์บอน แล้ว ยังมี O เป็นองค์ประกอบอีกด้วย ซึ่ง xanthophylls มีหลายชนิดขึ้นอยู่กับระดับ oxidation ของโมเลกุล

พืชและสิ่งมีชีวิตที่สามารถสังเคราะห์ด้วยแสงได้

        พืชและสิ่งมีชีวิตที่สามารถสังเคราะห์ด้วยแสงได้ มีทั้งที่เป็น prokaryote และ eukaryote กลุ่มที่เป็น prokaryote ได้แก่ แบคทีเรียที่สังคราะห์ด้วยแสงได้ (photosynthetic bacteria) และ cyanobacteria ส่วนพวก eukaryote ที่สังเคราะห์แสงได้ ได้แก่ สาหร่ายชนิดต่างๆ มอส เฟิร์น สน ปรง และพืชมีดอก ซึ่งสร้างรงควัตถุที่พืชและสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดใช้ในการรับพลังงานแสงเพื่อนำมาใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ก็อาจจะแตกต่างกันไป

การดูดกลืนแสงของรงควัตถุ (Light absorption)

        รงควัตถุที่ใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง มีความสามารถในการดูดกลืนแสงในช่วงคลื่นต่างๆ กัน

        แสงธรรมชาติที่พบ จะประกอบด้วยแสงที่ช่วงความยาวคลื่นต่างๆ กัน แสงในช่วงคลื่นที่เราสามารถมองเห็นได้ (visible light) จะอยู่ในช่วงความยาวคลื่น 400-700 นาโนเมตร

รงควัตถุที่ใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงอยู่ที่ใด

        เมื่อพิจารณาโครงสร้างของรงควัตถุที่ใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงทั้งสามกลุ่ม จะพบว่ามีสมบัติร่วมกันคือ มีส่วนของโมเลกุลที่มีชั้วต่ำ หรือไม่มีขั้ว ดังนั้นโมเลกุลเหล่านี้จะฝังตัวอยู่บนเมมเบรนภายในเซลล์ ในพืชและสิ่งมีชีวิตที่เป็น prokaryote รงควัตถุเหล่านี้จะฝังตัวอยู่บน photosynthetic membrane ในขณะที่พืชและสิ่งมีชีวิตกลุ่ม eukaryote จะมีออร์กาแนลล์ที่ทำหน้าที่ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยเฉพาะ คือ คลอโรพลาสต์

        คลอโรพลาสต์ส่วนใหญ่ เป็นออร์กาแนลล์รูปร่างกลมรี สามารถเห็นได้ชัดเจนด้วยกล้องจุลทรรศน์ (light microscope) คลอโรพลาสต์มีเยื่อหุ้มเป็น 2 ชั้น คือ เยื่อหุ้มชั้นนอก (outer membrane) และเยื่อหุ้มชั้นใน (inner membrane) ภายในบรรจุของเหลวซึ่งมีเอนไซม์ที่ใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงละลายอยู่หลายชนิด เรียกส่วนของเหลวนี้ว่า stroma เมื่อตัดผ่านคลอโรพลาสต์และศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอน จะพบว่าภายในจะเห็นลักษณะเป็น membrane ซ้อนทับกันอยู่เป็นกลุ่มๆ แผ่นเยื่อ (membrane) ที่อยู่ภายในคลอโรพลาสต์นี้เรียกว่า ไทลาคอยด์ (thylakoid membrane) บางส่วนของไทลาคอยด์จะอยู่ซ้อนทับกันเป็นชั้นๆ เรียกชั้นของไทลาคอยด์นี้ว่า กรานุม (granum) (พหูพจน์คือ กรานา(grana)) หรือ grana lamellae และส่วนที่ไม่ได้ซ้อนทับกันเรียกว่า stroma lamellae หรือ stroma thylakoid thylakoid membrane นี้เองที่เป็นตำแหน่งที่อยู่ของรงควัตถุที่ใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง

        บริเวณกรานุม ซึ่งคือไทลาคอยด์ที่ซ้อนทับกันเป็นชั้นๆ นั้น ถ้าพิจารณาในรายละเอียดจะพบว่า การซ้อนทับกันเป็นการซ้อนที่มีลักษณะเป็นถุงกลมแบน วางซ้อนกันเป็นชั้นๆ ภายในถุงมีของเหลวบรรจุอยู่ เรียกส่วนภายในถุงนี้ว่า lumen หรือ thylakoid space

กลไกในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง

        ในการเปลี่ยนพลังงานแสงให้อยู่ในรูปของพลังงานเคมีในโมเลกุลของสารอินทรีย์นั้น จะแบ่งออกเป็น 2 ขั้นตอนคือ

1. ปฏิกิริยาที่ต้องใช้แสง (Light reaction)
2. ปฏิกิริยาการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 fixation reaction)

        ปฏิกิริยาที่ต้องใช้แสง เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นบริเวณไทลาคอยด์ เป็นการที่รงควัตถุรับพลังงานแสง แล้วนำพลังงานนั้นมาใช้ในการสร้างสารที่มีพลังงานสูง ซึ่งได้แก่ ATP และ NADPH เพื่อที่จะได้นำพลังงานจากโมเลกุลเหล่านี้ไปใช้ในการสร้างสารอินทรีย์ในกระบวนการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ต่อไป ซึ่งเกิดขึ้นบริเวณ สโตรมาในคลอโรพลาสต์

ปฏิกิริยาที่ต้องใช้แสง

        รงควัตถุชนิดต่างๆ ที่อยู่บนไทลาคอยด์ จะอยู่รวมกันเป็นกลุ่มโดยมีการเกาะตัวอยู่กับโปรตีนหลายชนิด กลุ่มของโปรตีนบนไทลาคอยด์ที่มีรงควัตถุประกอบอยู่ด้วยนี้เรียกว่า ระบบแสง (photosystem) ในพืชชั้นสูงรงควัตถุที่ประกอบอยู่ในระบบแสงได้แก่ แคโรทีนอยด์ คลอโรฟิลล์ บี และคลอโรฟิลล์ เอ

        พืชและสิ่งมีชีวิตที่สามารถสังเคราะห์แสงได้ ส่วนใหญ่มีระบบแสง 2 ระบบคือ ระบบแสง I (photosystem I) และระบบแสง II (photosystem II) ซึ่งระบบแสงทั้งสองจะทำหน้าที่ร่วมกันเพื่อให้สามารถเกิดการส่งพลังงานในการสร้าง ATP และ NADPH

        เมื่อระบบแสงได้รับพลังงาน โดยการดูดกลืนแสงของรงควัตถุที่อยู่ในระบบแสง จะมีการส่งถ่ายพลังงานที่ได้รับสู่ศูนย์กลางปฏิกิริยา(reaction center) ซึ่งคือ คลอโรฟิลล์ เอ

        ในระบบแสงจะมีหน่วยรับพลังงานแสง ซึ่งประกอบด้วยรงควัตถุหลายชนิด ทั้งแคโรทีนอยด์ คลอโรฟิลล์ บี และคลอโรฟิลล์ เอ ที่ทำงานร่วมกันในการรับพลังงานแสง แล้วส่งพลังงานนั้นเข้าสู๋ศูนย์กลางปฏิกิริยา ซึ่งคือโมเลกุลของคลอโรฟิลล์ เอ ซึ่งโมเลกุลคลอโรฟิลล์ เอ นี้เมื่อได้รับพลังงานในช่วงคลื่นที่พอเหมาะ อิเลคตรอนในโมเลกุบของคลอโรฟิลล์จะถูกกระตุ้นให้อยู่ในชั้นของระดับพลังงานที่สูงขึ้น (excited state) พร้อมที่จะถ่ายทอดอิเลคตรอนนี้ให้กับตัวรับอิเลคตรอนตัวถัดไป

        ความแตกต่างประการหนึ่งของ ระบบแสง I และ ระบบแสง II ในด้านของการรับพลังงานคือ ระบบแสง I ประกอบด้วยหน่วยรับพลังงานแสงที่รับพลังงานในช่วงคลื่นที่มีความยาวคลื่นไม่ต่ำกว่า 700 นาโนเมตร ในขณะที่ ระบบแสง II จะประกอบด้วยหน่วยรับพลังงานแสงที่มีช่วงคลื่นไม่ต่ำกว่า 680 นาโนเมตร

        ทำให้เกิดปฏิกิริยาการแยกสลายโมเลกุลของน้ำด้วยพลังงานแสงที่เรียกว่า photolysis กระบวนการที่น้ำสูญเสียอิเลคตรอนไปให้กับตัวรับอิเลคตรอนแล้วเกิดผลิตภัณฑ์คือ O2 อันเนื่องมาจากกระบวนการใน คลอโรพลาสต์ ซึ่งค้นพบโดย Robert Hill ในปี 1937

        ส่วนระบบแสง I เมื่อศูนย์กลางปฏิกิริยาสูญเสียอิเลคตรอนไปให้กับตัวรับอิเลคตรอนตัวถัดไปนั้น ไม่สามารถทำให้เกิดแรงดึงอิเลคตรอนจากโมเลกุลของน้ำได้ แต่สามารถรับอิเลคตรอนจากโมเลกุลอื่นๆ ที่ได้รับ อิเลคตรอนจากระบบแสง II

        ในที่สุด e- จะถูกถ่ายทอดไปยัง NADP+ ซึ่งเป็นตัวรับ e- ตัวสุดท้ายในปฏิกิริยาที่ต้องใช้แสง ได้เป็น NADPH ซึ่งจะนำไปใช้ในกระบวนการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ต่อไป

        ในระหว่างการถ่ายทอดอิเลคตรอนจาก ระบบแสง I ไปสู่ ระบบแสง II จะผ่านระบบการรับอิเลคตรอนที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานบางส่วนที่ได้จากการถ่ายทอดอิเลคตรอน นำมาใช้ในการสร้าง ATP ด้วย ทำให้เมื่อสิ้นสุดปฏิกิริยาที่ต้องใช้แสง ทำให้เกิดสารที่มีพลังงานสูงสองชนิดคือ NADPH และ ATP ที่จะถูกนำไปใช้ในการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ต่อไป และยังเกิดการสร้าง O2 ที่ได้จากการสลายของโมเลกุลน้ำขึ้นอีกด้วย

        ในการถ่ายทอดอิเลคตรอนจาก ระบบแสง II ไปยังตัวรับอิเลคตรอนตัวสุดท้ายของปฏิกิริยา ได้เป็น NADPH นี้ เรียกการถ่ายทอดอิเลคตรอนเช่นนี้ว่า การถ่ายทอดอิเลคตรอนแบบไม่เป็นวัฏจักร (non-cyclic electron treansfer) (ภาพที่ 8) อย่างไรก็ดี เมื่อ ระบบแสง I ถ่ายทอดอิเลคตรอนไปยังตัวรับอิเลคตรอนตัวถัดไปแล้ว อาจไม่ได้มีการส่ง e- ต่อไปจนถึง NADP+ ก็ได้ แต่ส่ง e- กลับมายังระบบที่รับ e- จากระบบแสง II แทน ซึ่งสามารถส่ง e- กลับไปยังระบบแสง I ได้อีก ดังภาพที่ 9

        ทำให้เกิดการถ่ายทอด e- แบบเป็นวัฏจักร (cyclic electron transfer) ซึ่งในกรณีเช่นนี้ จะทำให้พลังงานแสงที่ถูกดูดกลืน ไม่ได้นำไปใช้ในการสังเคราะห์ NADPH แต่สามารถนำไปใช้ในการสร้าง ATP ได้

ปฏิกิริยาการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 fixation Reaction)

        ปฏิกิริยาการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ รู้จักกันในอีกชื่อหนึ่งว่า Calvin Cycle ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่นำพลังงานจาก ATP และ NADPH ที่ได้จากปฏิกิริยาที่ต้องใช้แสง มาใช้ในการสร้างโมเลกุลของสารอินทรีย์จากสารอนินทรีย์ สารอินทรีย์เหล่านี้เองเป็นต้นกำเนิดให้เกิดการนำพลังงานที่เก็บไว้ในโมเลกุลไปใช้ในกระบวนการต่างๆ ของพืชต่อไป รวมทั้งการสร้างสารชนิดอื่นๆ เกิดการเจริญเติบโต ตลอดจนเป็นแหล่งอาหารของผู้บริโภคลำดับถัดขึ้นไป

        แต่เดิมเชื่อว่าการเกิดปฏิกิริยาการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์นี้ ไม่จำเป็นต้องใช้แสง จึงเรียกกระบวนการนี้ว่า Dark reaction หรือปฏิกิริยาที่ไม่ต้องใช้แสง แต่ต่อมาพบว่า เอนไซม์หลายชนิดที่ทำงานในกระบวนการนี้ ต้องได้รับการกระตุ้นด้วยแสงก่อน จึงสามารถทำงานได้ ในปัจจุบันจึงไม่นิยมเรียกกระบวนการนี้ว่า Dark reaction

        Calvin cycle เป็นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นใน stroma ของ chloroplast ประกอบด้วย 3 ขั้นตอนใหญ่ๆ คือ Carboxylation Reduction และ Regeneration

1. Carboxylation เป็นขั้นตอนที่ ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) เข้ารวมกับ CO2 และเกิดเป็น 3-phosphoglycerate 2 โมเลกุล ซึ่งเป็นสารเสถียร (stable intermediate) ตัวแรกของ Calvin cycle
2. Reduction เป็นขั้นตอนที่ 3-phosphoglycerate ถูก reduced เกิดเป็น glyceraldehyde-3-phosphate ซึ่งเป็นสารประเภทน้ำตาล ขั้นตอนนี้จะมีการใช้สารพลังงานสูงที่ได้จากปฏิกิริยาแสง คือ ATP และ NADPH
3. Regeneration เป็นขั้นตอนที่จะสร้างโมเลกุล RuBP ขึ้นมาอีกครั้งหนึ่ง เพื่อวนกลับไปเป็นตัวรับ CO2 ในรอบต่อไป ในขั้นตอนนี้ต้องอาศัยพลังงานจาก ATP ซึ่งได้จากปฏิกิริยาแสง

ภาพโดยสรุปของขั้นตอนของ Calvin Cycle ดังรูปที่แสดงข้างล่างนี้

พืช C3 / พืช C4

        พืช C3 เป็นพืชที่มีระบบการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ด้วย Calvin Cycle เพียงอย่างเดียว จะเห็นได้ว่าใน Calvin Cycle สารอินทรีย์ตัวแรกที่เกิดขึ้นจากการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์คือ PGA จึงเป็นสารที่มีคาร์บอน 3

        อะตอม เราจึงเรียกพืชกลุ่มนี้ว่า พืช C3

        พืช C3 นี้เป็นพืชกลุ่มใหญ่ที่สุด มีจำนวนชนิดมากว่าพืช C4 พืชที่เป็นพืช C3 ได้แก่ ข้าว ข้าวสาลี ถั่ว เป็นต้น โครงสร้างภายในของใบจะประกอบด้วย mesophyll cell 2 แบบ คือ palisade mesophyll และ spongy mesophyll และมีกลุ่มเนื้อเยื่อลำเลียงแทรกอยู่ อาจมีกลุ่มเซลล์ล้อมรอบกลุ่มท่อลำเลียง ซึ่งเรียกว่า bundle sheath cell หรือไม่ก็ได้ การเกิดการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ด้วย Calvin Cycle จะเกิดขึ้นที่ mesophyll cells เป็นหลัก

        พืช C4 มักเป็นพืชที่มีถิ่นกำเนิดในเขตศูนย์สูตร เช่น ข้าวโพด อ้อย และบานไม่รู้โรย พืชกลุ่มนี้มีโครงสร้างภายในของใบที่เด่นชัดคือ จะมี bundle sheath cells ที่มีคลอโรพลาสต์ล้อมรอบกลุ่มท่อลำเลียง พืชพวกนี้จะมีการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ 2 ครั้ง โดยครั้งแรกตรึงที่ mesophyll cell โดยมีตัวมารับ CO2 คือ phosphoenol pyruvate (PEP) ได้เป็นสารประกอบคาร์บอน 4 อะตอม (อันเป็นที่มาของชื่อว่า พืช C4) คือ กรดออกซาโลเอซิติก (oxaloacetic acid) (OAA) แล้วถูกเปลี่ยนเป็น malic acid ก่อนจะเคลื่อนที่เข้าสู่ bundle sheath cell เมื่อถึง bundle sheath cell สาร C4 จะถูกเปลี่ยนเป็นสาร C3 + CO2 ในคลอโรพลาสต์ที่ bundle sheath cell ซึ่ง CO2 ก็จะเข้าสู่ Calvin Cycle ต่อไป ส่วนสาร C3 ก็จะถูกนำกลับมายัง mesophyll cell เพื่อเปลี่ยนเป็น PEP สำหรับการตรึง CO2 ครั้งต่อไป ด้วยระบบเช่นนี้ จึงทำให้ความเข้มข้นของ CO2 บริเวณ bundle sheath cell มีความเข้มข้นสูงขึ้นกว่าบริเวณ mesophyll ของพืช C3

ปัจจัยบางประการที่มีผลต่ออัตราการสังเคราะห์ด้วยแสง

1. แสง และความเข้มแสง
2. อุณหภูมิ
3. คาร์บอนไดออกไซด์