การสังเคราะห์แสง

บทที่ 5 การสั งเคราะห์ แสง กระบวนการสังเคราะห์แสงของพืชและจุลินทรี ยบ์ างชนิดเป็ นเพียงกระบวนการเดียวที่สามารถ นำาพลังงานจากดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็ นแหล่งพลังงานที่สาำ คัญและใหญ่ที่สุดของโลกมาใช้เพื่อการดำารงชีวิต ได้โดยตรง โดยการเปลี่ยนรู ปของพลังงานแสงให้อยูใ่ นรู ปของพลังงานเคมี ซึ่งพลังงานเคมีที่เก็บสะสม ไว้เหล่านี้จะถูกนำามาใช้เป็ นแหล่งพลังงานของสิ่ งมีชีวิตอื่นที่ไม่สามารถนำาพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ มาใช้ได้โดยตรงอีกต่อหนึ่ง พลังงานเหล่านี้ จะถูกถ่ายทอดต่อไปตามลำาดับห่วงโซ่อาหารในแต่ละระบบ นิเวศ เมื่อใดก็ตามที่พืชไม่สามารถนำาพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์มาใช้ได้ หรื อโลกนี้ปราศจากแสงจาก ดวงอาทิตย์จะเกิดความหายนะกับชีวิตทั้งมวล เพราะสิ่ งมีชีวิตจะไม่มีพลังงานมาใช้ในกิจกรรมต่างๆเพื่อ การดำารงชีวิตเนื่องจากห่วงโซ่อาหารขาดตอนลง ดังนั้นกระบวนการสังเคราะห์แสงที่เกิดขึ้นจึงเป็ นกระ บวนการที่สาำ คัญต่อสิ่ งมีชีวิตทุกชนิดในระบบนิเวศของโลก ไม่ใช่สาำ คัญเฉพาะพืชสี เขียวเท่านั้น ค ว า ม สำา คั ญ ข อ ง ก ร ะ บ ว น ก า ร สั ง เ ค ร า ะ ห์ แ ส ง กระบวนการสังเคราะห์แสงมีความสำาคัญหลายประการต่อสิ ่ งมีชีวิตอื่นๆ ซึ่ งสรุ ปได้ดงั ต่ อ ไ ป นี้ 1. สามารถผลิตสารอินทรี ยไ์ ด้มากที่ สุดในโลก พบว่าในแต่ละปี พืชสามารถผลิ ตสาร อิ น ท รี ย์ ไ ด้ ม า ก ก ว่ า โ ร ง ง า น อุ ต ส า ห ก ร ร ม ต่ า ง ๆ ทุ ก แ ห่ ง ใ น โ ล ก 2. อาหารที่พืชผลิตเป็ นแหล่งพลังงานที่สาำ คัญของสิ ่ งมีชีวิตอื่น โดยใช้เป็ นแหล่งอาหาร โดยตรงแล้ว พลังงานที่ ได้จากกระบวนการสังเคราะห์ แสงยังมี การสะสมในรู ป ของ พลังงานของ ำ นเชื้ อเพลิง ซึ่ งสิ่ งมีชีวิตอื่นโดยเฉพาะมนุ ษย์ ฟอสซิ ลเป็ นเวลานานหลายพันปี ได้แก่ ถ่านหิ น และน้ามั ไ ด้ นำา ม า ใ ช้ ใ น กิ จ ก ร ร ม ต่ า ง ๆ ม า ก ม า ย 3. กรรมวิธีในการผลิตอาหารให้แก๊ส O2 กลับสู่บรรยากาศ ซึ่งสิ่ งมีชีวิตอื่นสามารถนำาไป ใ ช้ เ พื่ อ ก า ร ดำา ร ง ชี วิ ต ไ ด้ แ ล ะ เ ป็ น ผ ล ดี ต่ อ ร ะ บ บ นิ เ ว ศ ด้ ว ย ไ ม่ เ กิ ด ม ล พิ ษ

22 พฤกษศาสตร์

ภาพที่ 5.1 การถ่ายทอดพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์เปลี่ยนเป็ นพลังงานเคมี และมีการถ่ายทอดพลังงานเคมีต่อไปตามห่ วงโซ่อาหาร และพลังงานส่วนหนึ่งจะสูญเสี ยไปในรู ปของความร้อน ที่มา : Moore et al. 1995. p. 99. ค ว า ม ห ม า ย ข อ ง ก ร ะ บ ว น ก า ร สั ง เ ค ร า ะ ห์ แ ส ง ำ เป็ นสาร หมายถึงกระบวนการที่พืชสร้างอาหารเองได้โดยการเปลี่ยนสารที่มีพลังงานในตัวต่ าให้ ที่มีพลังงานในตัวสูงโดยใช้แสงจากดวงอาทิตย์เป็ นแหล่งให้พลังงาน มี CO2 และ H2O เป็ นวัตถุดิบ มี สารสี (pigment) คลอโรฟิ ลล์เป็ นตัวดูดจับแสง ดังสมการ แสง 6CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6H2O + 6O2 ค ล อ โ ร ฟิ ล ล์

การสังเคราะห์แสง 23

ภาพที่ 5.2 การแพร่ ของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไปภายในพืชในกระบวนการสังเคราะห์แสง ที่มา : Photosynthesis. 200.

ำ และ O2) ภาพที่ 5.3 กระบวนการสังเคราะห์แสงที่มีการสร้างสารพลังงานสูง (น้าตาล จากสารที่ มี พ ลั ง งานต่าำ กว่ า (CO2 และ H2O) และกระบวนการหายใจที่ มี ก า ร เ ป ลี่ ย น ก ลั บ จ า ก น้าำ ต า ล เ ป็ น CO2 แ ล ะ H2O ที่ ม า : Moore et al.

1995. p.

99. กรรมวิธีในการสร้างอาหารโดยกระบวนการสังเคราะห์แสงเกิดขึ้ นโดยการนำาพลังงานแสงมาใช้ ในการออกซิไดส์นาและปล่ ้ำ อยแก๊สออกซิเจนออกมา พลังงานแสงที่พืชเปลี่ยนเป็ นพลังงานเคมีจะนำามา รี ดิ ว ซ์ CO2 เ ป็ น ส า ร ป ร ะ ก อ บ อิ น ท รี ย์ ป ร ะ เ ภ ท ค า ร์ โ บ ไ ฮ เ ด ร ต ห รื อ น้าำ ต า ล ำ ผลผลิตของกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืช จะได้คาร์ โบไฮเดรต คือ น้าตาลที ่มีคาร์ บอน 6 ำ อะตอม (C6H12O6) เป็ นน้าตาลเชิ งเดี่ยว เช่นกลูโคส แต่กลูโคสนี้ ไม่ใช่ผลผลิตที่แท้จริ งของกระบวนการ แต่ เ นื่ อ งจากพลัง งานที่ ใ ช้ใ นการผลิ ต ที่ แ ท้จ ริ ง ของกระบวนการจะเท่ า กับ การผลิ ต กลู โ คสโดย ประมาณ(พลังงานที่ ต้องใช้เ ปลี่ ย น CO2 1 โมเลกุ ล เป็ นคาร์ โ บไฮเดรต 1 โมเลกุ ล เท่ า กับ 118,000

24 พฤกษศาสตร์

แคลอรี่ ) ดังนั้นเพื่อความเหมาะสมของการเขียนปฏิกิริยาที่เกิดขึ้ นจึงใช้กลูโคสแทน และได้นาและแก๊ ้ำ ส อ อ ก ซิ เ จ น เ ป็ น ผ ล พ ล อ ย ไ ด้ ข อ ง ก ร ะ บ ว น ก า ร ป ร ะ วั ติ ก า ร ศึ ก ษ า ก ร ะ บ ว น ก า ร สั ง เ ค ร า ะ ห์ แ ส ง ส รุ ป ใ น ต้ น ศ ต ว ร ร ษ ที่ 19 มี ค ว า ม เ ข้ า ใ จ เ กี่ ย ว กั บ ก า ร สั ง เ ค ร า ะ ห์ แ ส ง ดั ง นี้ 1. พืชใช้นาจากดิ ้ำ น และ CO2 จากบรรยากาศสำาหรับสร้างสารอินทรี ย ์ 2. ผลพลอยได้ จากกระบวนการสังเคราะห์แสง คือ O2 แต่ยงั ไม่ทราบว่า O2 ที่ปล่อยออกสู่ บรรยากาศนั้นได้มาจากไหน 3. พืชสี เขียวเท่านั้น ที่สามารถทำาการสังเคราะห์แสงได้ และส่ วนที่ไม่มีสีเขียวจะใช้ O2 และ CO2 ในการหายใจ 4. แสงจากดวงอาทิตย์จาำ เป็ นต่อกระบวนการสังเคราะห์แสง 5. อัตราการสังเคราะห์แสงขึ้นกับปริ มาณของแสง และ CO2 ำ ปี ค.ศ. 1905 แบลคแมน (Blackman) นักวิทยาศาสตร์ ชาวอังกฤษพบว่า การสร้างน้าตาลของพื ช นั้นประกอบด้วย 2 ปฏิกิริยา คือ 1. ปฏิกิริยาที่ไวต่อแสง (photochemical reaction หรื อ light reaction) เป็ นปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับ ำ ่อได้รับแสง และมี O2 เกิดขึ้น ดังสมการ การสูญเสี ยอิเล็กตรอนของน้าเมื H2O + 2A → AH2 + 1/2O2 2. ปฏิ กิ ริ ยาที่ ไ ม่ ไ วต่ อ แสง(enzyme reaction หรื อ dark reaction) เบนสั น (Benson) และคัล วิ น (Calvin) เ ป็ น ผู้ ศึ ก ษ า แ ล ะ ไ ด้ รั บ ร า ง วั ล โ น เ บ ล ปี ค.ศ. 1924 แวน นีล (Van Niel) ผูเ้ ชี่ยวชาญทางจุลชีววิทยาพบว่าแบคทีเรี ยและสาหร่ าย สี เ ขี ย ว บ า ง ช นิ ด ส า ม า ร ถ ส ร้ า ง อ า ห า ร ไ ด้ โ ด ย ใ ช้ H2S แ ท น น้าำ ดั ง ส ม ก า ร CO2 + H2S → C(H2O)n + S จากสมการดังกล่าวเมื่อเปรี ยบเทียบกับสมการของโซซูร์ (Saussure) พบว่า O2 ที่ได้ในสมการควร จะมาจาก H2O ไม่ใช่ CO2 ปี ค.ศ. 1937 โรบินฮิ ลล์ (Robin Hill)พบว่า เมื่ อแยกคลอโรพลาสต์ ออกมาจากเซลล์แล้วก็ย งั ำ สามารถเกิดปฏิกิริยาที่ไวต่อแสงได้ ถ้าให้สารชนิ ดหนึ่ ง (A)ที่สามารถเป็ นตัวรั บอิเล็กตรอนจากน้าได้ ฮิลล์เรี ยกสารนี้ ว่าฮิลล์ออกซิแดนต์ (Hill oxidant) สาร A เมื่อรับอิเล็กตรอนมาแล้วจะอยูใ่ นสภาพรี ดิวซ์ (AH2,สภาพที่ สามารถให้อิ เล็กตรอนได้ ) เรี ย กสารนี้ ว่า ฮิ ลล์รี ดกั แตนต์ (Hill reductant) ซึ่ งปั จ จุ บ ัน ทราบแล้วว่าสารนี้ คือ NADPH H2O + 2A → AH2 + 1/2O2 ฮิลล์ออกซิแดนต์ ฮิลล์รีดกั แตนต์

การสังเคราะห์แสง 25

ปี ค.ศ. 1941 ริ วเบน (Ruben), ฮัสสิ ด (Hassid), และคาเมน (Kamen) นักวิท ยาศาสตร์ อเมริ กนั ทำาการทดสอบที่มาของ O2 โดยใช้ O2 ที่เป็ นกัมมันตภาพรังสี พบว่า O2 ที่เกิดขึ้นมาจากน้าำ ดังสมการ คลอโรฟิ ลล์ CO2 + 2H2 18O → CH2O + 18O2 แสง จากข้อพิสูจน์ดงั กล่าวจึงสามารถเขียนสมการของกระบวนการสังเคราะห์แสงโดยทัว่ ไปได้ดงั นี้ การสั งเคราะห์ แสงทัว่ ๆไป CO2 + 2 H2A → CH2O + H2O + 2A การสั งเคราะห์ แสงของพืชสี เขียว CO2 + 2 H2O → CH2O + H2O + O2 6CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6H2O + 6O2 การสังเคราะห์ แสงของแบคทีเรียกำามะถันสีม่วง CO2 + 2 H2S → CH2O + H2O + 2S CO2 + Na2S2O3 + 5H2O → 2C(H2O) + 2NaHSO4 + 2 CO2 ไธโอซัลเฟต(thiosulfate) การสังเคราะห์ แสงของแบคทีเรียสี ม่วงไม่ ใช้ กาำ มะถัน CO2 + 2CH3CH2OH → C(H2O) + 2CH3CHO + H2O เอทธานอล(ethanol) อ ง ค์ ป ร ะ ก อ บ ข อ ง ก ร ะ บ ว น ก า ร สั ง เ ค ร า ะ ห์ แ ส ง 1. คาร์ บอนไดออกไซด์ พืชได้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จากบรรยากาศ ซึ่งมีอยู่ 0.04% (0.04 %หรื อ 400 พีพีเอ็ม-ppm.) พืชดูดคาร์บอนไดออกไซด์เข้าไปใช้ในกระบวนการสังเคราะห์แสงในปริ มาณที่มากมายมหาศาล ประมาณว่าในแต่ละปี มีการใช้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จากบรรยากาศไปมากกว่า 10%ของปริ มาณ แก๊สคาร์ บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศ ปริ มาณแก๊สคาร์ บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศในปั จจุบนั เพิ่ม ขึ้นจากประมาณ 280 พีพีเอ็ม เป็ น 360 พีพีเอ็ม และมีการสันนิษฐานว่าปริ มาณแก๊ส คาร์ บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศจะเพิ่มขึ้นเป็ น 700 พีพีเอ็มในทศวรรษหน้าซึ่งเป็ นผลมาจากกิจกรรม ของมนุษย์ (Whitmarsh, and Govindjee, 2002) แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ที่พืชนำาเข้าไปใช้ในกระบวนการสังเคราะห์แสงนั้นจะถูกเปลี่ยนเป็ น ำ 70% และอยูใ่ นรู ปแป้ งและเซลลูโลส 30% น้าตาล

26 พฤกษศาสตร์

2. น้ำ า ำ นแหล่งให้อิเล็กตรอนตัวแรกของกระบวนการ โดย O2 จากโมเลกุลของ H2O จะทำาหน้าที่ น้าเป็ เป็ นตัวให้อิเล็กตรอนและส่งไปให้อะตอมของคาร์ บอนในโมเลกุลของคาร์ บอนไดออกไซด์ ดังสมการ ต่อไปนี้ 1.

12H2O → 6O2 + 24H+ + 24e2. 6CO2+ 24H+ + 24e- → C6H12O6 + 6H2O 3. 6CO2 + 12H2O → C6H12O6 + 6H2O + 6O2 3. แสงจากดวงอาทิตย์ แสงที่พืชนำามาใช้เป็ นแสงช่วงที่ตามนุ ษย์สามารถมองเห็นได้ (vissible light) มีช่วงคลื่นระหว่าง 390 - 760 นาโนเมตร ประกอบด้วยกลุ่มสี หลัก 2 กลุ่ม คือ ำ น เขียว) 1. กลุ่มสี นาเงิ ้ ำ นเป็ นหลัก (ม่วง คราม น้าเงิ 2. กลุ่มสี แดงเป็ นหลัก (เหลือง แสด แดง) ปี ค.ศ.1905 ไอน์ ส ไตน์ (Einstein)กล่ า วว่ า พลัง งานแสงเป็ นอนุ ภ าคจะส่ ง ออกมาในรู ป คลื่ น แม่ เ หล็กไฟฟ้ า เรี ย กว่า โฟตอน (photon) โฟตอนจะมี ค วามถี่ ค ลื่ น และแต่ ละความถี่ ค ลื่ น จะมี พลังงานเฉพาะตัวอยูจ่ าำ นวนหนึ่ง เรี ยก ควอนตัม (quantum) แสงอาทิตย์ที่ส่องลงมายังพื้นโลกเปรี ยบเหมือนกับสายฝนแต่เป็ นสายฝนของโฟตอน(พลังงาน แสง) ซึ่งมีความถี่ต่างกัน (ภาพที่ 2.3) แบ่งได้เป็ น 3 กลุ่ม คือ ำ า 380 นาโนเมตร ได้แก่ แสง 3.1 แสงช่ วงคลืน่ สั้น มีความยาวช่วงคลื่นต่ากว่ อัลตราไวโอเลต(ultraviolate-UV) รังสี แกมมา(gamma ray) เป็ นต้น รังสี กลุ่มนี้มี 4% ของแสงจากดวง อาทิตย์ที่ส่องลงมายังพื้นโลกและแสงช่วงคลื่นสั้นเหล่านี้เป็ นอันตรายต่อสิ่ งมีชีวิต แต่ O2 หรื อ O3 ใน บรรยากาศสามารถดูดกลืน และลดอันตรายอันเกิดจากแสงช่วงคลื่นสั้นเหล่านี้ได้ 3.2 แสงช่ วงคลืน่ ยาว เป็ นแสงที่มีความยาวช่วงคลื่นมากกว่า 760 นาโนเมตร ได้แก่ แสง อินฟราเรด (infrared) มีอยูป่ ระมาณ 52 % ของแสงจากดวงอาทิตย์ที่ส่องลงมายังพื้นโลก แสงช่วงคลื่น นี้ตาไม่สามารถมองเห็นได้ และมีพลังงานน้อยไม่พอเพียงต่อกระบวนการสังเคราะห์แสง และสารสี ของพืชไม่สามารถดูดจับไว้ได้ แต่สารสี ของแบคทีเรี ยบางชนิดสามารถดูดจับแสงที่ช่วงคลื่นความถี่น้ี เพื่อนำาไปใช้ในกระบวนการสังเคราะห์แสงได้ แสงเหล่านี้ถา้ มีการสะสมมากจะทำาให้เปลี่ยนเป็ น พลังงานความร้อนที่สูงเกินไป แต่แสงเหล่านี้จะถูกดูดโดยไอน้าำ และ CO2 3.3 แสงช่วงคลืน่ สั้นทีต่ าสามารถมองเห็นได้ มีความยาวช่วงคลืน่ ระหว่าง 390-760 นาโนเมตร มีอยู่ ำ น เขียว 44 % ของแสงจากดวงอาทิตย์ทสี่ อ่ งลงมายังพืน้ โลก ประกอบด้วยแสงสีตา่ งๆ 7 สี คือ ม่วง คราม น้าเงิ เหลือง แสด แดง เป็ นช่วงคลืน่ ทีพ่ ชื นำาไปใช้ประโยชน์ในกระบวนการสังเคราะห์แสง

การสังเคราะห์แสง 27

ภาพที่ 5.4 พลังงานแสงช่วงคลื่นต่างๆจากดวงอาทิตย์ ที่มา : Solar energy and photosynthesi., 2007.

ภาพที่ 5.5 ความสามารถของคลอโรฟิ ลล์ในการรับแสง ที่มา : Plant pigments and photosynthesi. 2007.

28 พฤกษศาสตร์

4. สารสี 4.1 สารสีสำาหรับดูดจับแสงและกระตุ้นปฏิกริ ิยาแสง 4.1.1 คลอโรฟิ ลล์ชนิดต่างๆ ได้แก่ คลอโรฟิ ลล์ เอ บี ซี และดี คลอโรฟิ ลล์เหล่านี้ มี โครงสร้างเป็ นวงแหวน โดยมีแมกนีเซียมเป็ นศูนย์กลางของวงแหวน วงแหวนนี้มีลกั ษณะคล้าย พอร์ ไฟริ น (porphyrin like group) มีโครงสร้างเป็ นแบบวงแหวนไซคลิกเททระไพโรลริ งส์ (cyclic tetrapyrole) คลอโรฟิ ลล์แต่ละชนิดมีโครงสร้างต่างกันที่สายโซ่ไฮโดรคาร์ บอนที่ต่อกันเป็ นสายยาว ความแตกต่างนี้เองที่ทาำ ให้โมเลกุลของคลอโรฟิ ลล์แต่ละชนิดมีความสามารถในการดูดจับแสงที่มี ำ นได้ดีที่สุด รองลงมาคือแสงสี แดง ความยาวคลื่นต่างกัน(absorption spectrum)โดยดูดแสงสี ม่วงน้าเงิ

ภาพที่ 5.6 โครงสร้างโมเลกุลของสารสี ชนิดต่างๆ ที่มา : Photo pigments. 2007.

การสังเคราะห์แสง 29

ภาพที่ 5.7 ความสามารถในการดูดกลืนแสงของคลอโรฟิ ลล์เอและบี ที่มา : Sengbusch. 2003.

ภาพที่ 5.8 ความยาวคลื่นที่ดูดแสงได้ดีที่สุดของสารสี ชนิดต่างๆ ที่มา : Solar energy and photosynthesis. 2007.

30 พฤกษศาสตร์

ตารางที่ 5.1 สารสี ที่ปรากฏอยูใ่ นพืชชนิดต่าง ๆ ชนิดของสารสี

ช่วงแสงที่ดูดกลืนแสง (nm)

คลอโรฟิ ลล์ คลอโรฟิ ลล์ เอ 420, 660 คลอโรฟิ ลล์ บี 435, 643 คลอโรฟิ ลล์ ซี 445, 625 คลอโรฟิ ลล์ ดี 450, 690 คาร์ โรทีนอยด์ เบตา คาร์โรทีน 425, 450, 480 แอลฟา คาร์โรทีน 420, 440, 470 ลูตีออล (Luteol) 425, 445, 475 ไวโอลาแซนธอล 425, 450, 475 (Violaxanthol) แกมมา คาร์โรทีน ฟูโคแซนธอล 425, 450, 475 (Fucoxanthol) ไฟโคบิลินส์ ไฟโคอีรีธริ นส์ 490, 546, 576 (Phycoerythrins) ไฟโคไซยานินส์ 618 (Phycocyanins) ที่มา : (ดนัย บุณยเกียรติ, 2550, การสังเคราะห์แสง )

ชนิดของพืช

พืชชั้นสูงทุกชนิดและสาหร่ าย พืชชั้นสูงทุกชนิดและสาหร่ ายสี เขียว ไดอะตอมและสาหร่ ายสี นาตาล ้ำ สาหร่ ายสี แดง พืชชั้นสูงและสาหร่ ายส่ วนใหญ่ พืชส่ วนใหญ่และสาหร่ ายบางชนิด สาหร่ ายสี เขียว สี แดงและพืชชั้นสูง พืชชั้นสูง แบคทีเรี ย ไดอะตอมและสาหร่ ายสี นาตาล ้ำ สาหร่ ายสี แดง และสาหร่ ายสี นาเงิ ้ำ น ไซยาโนแบคทีเรี ย และ สาหร่ ายสี แดงบางชนิด

การสังเคราะห์แสง 31

ตารางที่ 5.2 สารสี ชนิดต่างๆที่พบในสิ่ งมีชีวิตแต่ละชนิด สิ่ งมีชีวิต

ยูแคริโอต มอสส์, เฟิ ร์น, พืช มีเมล็ด สาหร่ ายสี เขียว ยูกลีนอยด์ ไดอะตอม ไดโนแฟลกเจลเลต สาหร่ ายสีนาตาล ้ำ สาหร่ ายสี แดง โพรแคริโอต ไซยาโนแบคทีเรี ย โพรคลอโรไฟต์ แบคทีเรี ยกำามะถัน สี ม่วง นันซัลเฟอร์เพอเพิล แบคทีเรี ย แบคทีเรี ยสี เขียว

คลอโรฟิ ลล์ a b c d

แบคเทอริ โอคลอโรฟิ ลล์ a b c d e g

+ + - + + + + + +

+ + -

+ + + -

แคโรที นอยด์ + +

ไฟโคบิลิ โปรตีน -

+

+ + + + + +

+

+ - - + + + - -

+ -

เฮริ โอแบคทีเรี ย ที่มา : Taiz and Zeiger. 2002. p. 187.

+ or +

-

-

-

-

+ + +

+ or +

-

-

-

-

+

-

- + or + + or + - - - - +

+

-

+

-

+ -

คลอโรฟิ ลล์เอ (C55H72O5N4Mg) ดูดจับคลื่นแสงสี นาเงิ ้ ำ นม่วงมากที่สุดที่ความยาวคลื่น 430 และ 670 กับ 700 นาโนเมตร พบในพืชสี เขียวทุกชนิด(ตารางที่ 2.2) คลอโรฟิ ลล์บี (C55H70O6N4Mg) ดูดจับคลื่นแสงที่ความยาวคลื่น 470 และ 650 นาโนเมตร พบใน พืชกลุ่มไบรโอไฟต์ สาหร่ ายสี เขียว พืชชั้นสูงทุกชนิดและโพรแคริ โอตบางชนิด

32 พฤกษศาสตร์

แบคทีเรี ยที่สงั เคราะห์แสงได้มีคลอโรฟิ ลล์ชนิดแบคเทอริ โอคลอโรฟิ ลล์ (bacteriochlorophyll) ซึ่งดูดแสงได้ดีที่สุดในช่วงคลื่นแสงอินฟราเรดได้ดีที่สุด นอกจากนี้ในแบคทีเรี ยพวกกำามะถัน เขียว(green sulfur bacteria) จะมีคลอโรฟิ ลล์ และพวกคลอโรเบียม(Chlorobium) จะดูดแสงที่ช่วงคลื่น 650 และ 660 นาโนเมตร คลอโรฟิ ลล์ถูกสังเคราะห์มาจากซักซินิลโคเอ (succinyl CoA) กับกรดอะมิโนไกลซีน(glycine) โดยอาศัยกิจกรรมของเอนไซม์เดลตา-อะมิโนลีวลู ิก (delta- aminolevulic) และแสงจะเป็ นปั จจัยสำาคัญ ในการสังเคราะห์คลอโรฟิ ลล์(ยกเว้นสน เฟิ ร์ น สาหร่ ายที่สามารถสังเคราะห์ได้ในที่มืด) ถ้าพืชปลูกในที่มืดพืชจะสร้างคลอโรฟิ ลไลด์ (chlorophyllide) และเมื่อพืชได้รับแสงจะถูกรี ดิวซ์ เป็ นคลอโรฟิ ลล์เอ และพบว่าคลอโรฟิ ลล์บี ไฟโคบิลิน จะถูกสร้างมาจากคลอโรฟิ ลล์เอ แคโรทีนอยด์ ดูดแสงที่ความยาวคลื่น 460 และ 550 นาโนเมตร เป็ นสารสี สีสม้ แดง เหลือง ำ พบในเนื้อเยือ่ ที่สามารถสังเคราะห์แสงทุกชนิด และมีปริ มาณใกล้เคียงกับคลอโรฟิ ลล์ น้าตาล แคโรทีนอยด์เป็ นสารที่ไม่ละลายน้าำ แต่ละลายในสาร อินทรี ย ์ เช่น แอซีโตน (acetone) อีเทอร์ (ether) เป็ นต้น แคโรทีนอยด์แบ่งเป็ นชนิดใหญ่ๆได้ 2 ชนิด คือ 1. แคโรทีน(carotene) มีสีสม้ -สี แดง เช่น บีตาแคโรทีน มี 25 % 2. แซนโทฟิ ลล์(xanthophyll) ได้แก่ ลิวทีน(leutein) มี 40 % นีโอแซนทิน(neoxanthin) มี 15 % ไวโอลเแซนทิน(violaxanthin) มี 15 % (ภาพที่2.5) ำ น สามารถละลายน้าได้ ำ พบมากในไซยาโนแบคทีเรี ย และ 3. ไฟโคบิลิน เป็ นสารสี สีแดง-น้าเงิ สาหร่ ายสี แดงเท่านั้น แบ่งได้ 2 ชนิด คือ 3.1 ไฟโคอิริทริ น(phycoerythrin)ดูดแสงที่ความยาวคลื่น 500-600 นาโนเมตร พบใน สาหร่ ายสี แดง 3.2 ไฟโคไซยานิน (phycocyanin) ดูดแสงที่ความยาวคลื่น 550-615 นาโนเมตร พบใน สาหร่ ายสี นาตาล ้ำ แคโรทีนอยด์และไฟโคบิลินจะทำาหน้าที่ในกระบวนการสังเคราะห์แสงดังนี้ 1. ดูดจับแสง และรวบรวมพลังงานที่ดูดจับได้ส่งต่อไปให้กบั คลอโรฟิ ลล์ 2. ป้ องกันการเกิดโฟโตออกซิเดชัน(photooxidation)ของคลอโรฟิ ลล์ คลอโรฟิ ลล์เป็ นสารสี ที่สาำ คัญที่สุดในการดูดจับแสงเพื่อใช้ในกระบวนการสังเคราะห์แสง ซึ่ง ทั้งนี้ได้มาจากการศึกษาเปรี ยบเทียบระหว่างค่าแอบซอร์ ปชันสเปกตรัม (absorption spectrum=ประสิ ทธิภาพของสารสี ที่สามารถดูดกลืนแสงสี ต่างๆ) กับค่าแอกชันสเปกตรัม (action spectrum= ประสิ ทธิภาพของแสงที่ความยาวคลื่นต่างๆที่ทาำ ให้เกิดกิจกรรมนั้น) จากค่าทั้งสองพบว่า แสงที่มีประสิ ทธิภาพสูงสุดในกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืชส่ วนใหญ่ คือ แสงช่วงคลื่นแสง สี นาเงิ ้ ำ น และรองลงมาคือสี แดง

การสังเคราะห์แสง 33

4.2 สารสีสำาหรับทำาหน้ าที่เป็ นตัวรับส่ งอิเล็กตรอน ได้แก่ ไซโทโครม เฟอร์ รีดอกซิน พลาสโทไซยานิน พลาสโทควิโนน คลอโรพลาสต์ (chloroplast) มีหลักฐานแน่ชดั ว่ากระบวนการสังเคราะห์แสงของพืชต้องเกิดในคลอโรพลาสต์ ได้มีการ ทดลองแยกโมเลกุลของคลอโรฟิ ลล์ออกจากคลอโรพลาสต์โดยการละลายในสารตัวทำาละลายอินทรี ย ์ พบว่าสารละลายคลอโรฟิ ลล์ยงั คงสามารถดูดจับแสงได้ แต่ไม่สามารถดำาเนินการสังเคราะห์ได้ (ต้องมี กรานัม (granum) เอนไซม์ และโคเอนไซม์) คลอโรพลาสต์เป็ นออร์แกเนลล์ที่มีขนาดค่อนข้างใหญ่ มีลกั ษณะโครงสร้างคล้ายคลึงกับไมโท คอนเดรี ย กล่าวคือ โครงสร้างมีลกั ษณะเป็ นรู ปกลมรี ประกอบด้วยเยือ่ หุ ม้ 2 ชั้นเยือ่ หุ ม้ ชั้นในจะแผ่ยนื่ เข้าไปในของเหลวที่อยูภ่ ายใน ที่เรี ยกว่า สโตรมา(stroma) ภายใน สโตรมามีสารและเอนไซม์ต่างๆที่ จำาเป็ นสำาหรับกระบวนการสังเคราะห์แสง และมีไรโบโซมที่ทาำ หน้าที่ในการสังเคราะห์โปรตีน ส่ วน ของเยือ่ ที่ยนื่ เข้าไปในของเหลวนี้ มีลกั ษณะเป็ นถุงตันแบนแฟบขนาดเล็ก เรี ยกว่า ไทลาคอยด์ (thylacoid) และไทลาคอยด์เหล่านี้ จะมีการเรี ยงตัวได้หลายแบบ สำาหรับพืชดอกจะจัดเรี ยงซ้อนกันหลาย ชั้นคล้ายจานที่วางเรี ยงซ้อนกัน เรี ยก กรานัม (แต่ละกรานัมมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 0.6 ไมครอน และ 1 กรานาประกอบด้วยลาเมลลา 40-60 อัน) แต่ละกรานัมจะมีเยือ่ เชื่อมโยงกันขนานยาวออกไป เรี ยก ส ำ เพียงเยือ่ โตรมาลาเมลลา (stroma lamella) ลักษณะกรานัมนี้จะพบเฉพาะในพืชชั้นสูงเท่านั้น พืชชั้นต่ามี ลาเมลลาเท่านั้น ไทลาคอยด์เป็ นส่วนที่มีคลอโรฟิ ลล์ และเครื่ องมือสำาหรับใช้ในการเปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็ น พลังงานเคมีประกอบด้วยโปรตีน ร้อยละ 40-50 และลิพิดร้อยละ 35-40 และมีคาร์ โบไฮเดรตเล็กน้อย ลิพิดมีส่วนประกอบดังนี้ ไดกาแลคโทซิล ไดกลีเซอไรด์(digalactosyl diglyceride) ร้อยละ 15 โมโนกาแลคโทซิล ไดกลีเซอไรด์(monogalactosyl diglyceride) ร้อยละ 36 ซัลโฟลิพิด(sulfolipid) ร้อยละ 5 คลอโรฟิ ลล์ เอ และ บี ร้อยละ 23 แคโรทีนอยด์ ร้อยละ 5 พลาสโทควิโนน ร้อยละ 5 ฟอสโฟลิพิด ร้อยละ 5 โปรตีนมี 15 ชนิด บางชนิดฝังลึกอยูใ่ นเยือ่ แต่บางชนิดเกาะกับผิวนอกของเยือ่ ซึ่งสามารถ ทำาให้หลุดออกมาจากเยือ่ ได้

34 พฤกษศาสตร์

สำาหรับกรานัมและสโตรมา ลาเมลลา มีลกั ษณะเป็ นชั้นของโปรตีน และลิพิดทับกันอยู่ โดยชั้น โปรตีนอยูต่ รงกลาง ลิพิดอยูข่ นาบข้าง โดยสารสี ส่วนใหญ่จะอยูท่ ี่ช้ นั ลิพิดนี้ ส่ วนโปรตีน เอนไซม์ และ โคเอนไซม์ชนิดต่างๆที่สาำ คัญในปฏิกิริยาแสงของกระบวนการสังเคราะห์แสงจะอยูท่ ี่ช้ัน ภายใน คลอโรพลาสต์มี ดี.เอ็น.เอ อาร์ .เอ็น.เอ และไรโบโซมเป็ นของตนเอง ดี.เอ็น.เอ ของคลอโรพลาสต์มี ลักษณะเป็ นวงที่มีขนาดความยาวอยูใ่ นช่วงระหว่าง 120-160 กิโลเบส และมักมีส่วนที่จาำ ลองตัวเองขึ้น มาเป็ น 2 เท่าเสมอ จีโนม (genome) ประกอบด้วยลำาดับของรหัสโปรตีนประมาณ 120 ตัว และจะมีการ ถ่ายทอดลักษณะไม่เป็ นไปตามกฏของเมนเดล เพราะในพืชที่มีการสื บพันธุ์แบบอาศัยเพศส่ วนใหญ่ คลอโรพลาสต์จะอยูใ่ นไซโกตโดยผ่านไปทางแม่เท่านั้น ลูกจึงได้รับคลอโรพลาสต์จากแม่เพียง ฝ่ ายเดียว เรี ยกลักษณะการถ่ายทอดแบบนี้ วา่ มาเทอร์นอลอินเฮอริ แทนซ์ (marternal inheritance)

ภาพที่ 5.9 ลักษณะคลอโรพลาสต์จากกล้องจุลทรรศน์อีเล็กตรอน ที่มา : Adam. 2007.

การสังเคราะห์แสง 35

ภาพที่ 5.10 แผนภาพโครงสร้างของคลอโรพลาสต์ ที่มา : Stryer in Eckwal. 2007. พลังงานกระตุ้น (excited energy) แสงที่ถูกดูดโดยโมเลกุลของสาร คือแสงที่จะถูกนำาไปใช้ประโยชน์ซ่ ึงแสงจะมีบทบาทต่อ โมเลกุลของสารมากน้อยเพียงใดขึ้นกับระดับพลังงานแสงแต่ละชนิด เช่นถ้าโมเลกุลของสารได้รับรังสี คลื่นสั้นซึ่งมีระดับพลังงานสูงมาก (รังสี คอสมิก รังสี เอกซ์ รังสี แกมมา)จะทำาให้พนั ธะเคมีของสาร แตกตัว และอีเล็กตรอนจะหลุดออกจากโมเลกุล ทำาให้เกิดอนุมูลอิสระ (free radical) แต่ถา้ โมเลกุล ำ า เช่น รังสี อินฟราเรด จะมีผลทำาให้โมเลกุลของ ของสารได้รับรังสี คลื่นยาว แต่มีระดับพลังงานต่ากว่ สารเกิดการสัน่ สะเทือน หรื อเคลื่อนไหวเท่านั้น

ภาพที่ 5.11 การเกิดพลังงานกระตุน้ ที่มา : Chew. 2005.

36 พฤกษศาสตร์

สำาหรับช่วงคลื่นแสงที่ตามนุษย์สามารถมองเห็นได้จะทำาให้เกิดการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงาน อิเล็กตรอน เรี ยกภาวะกระตุน้ (excitation) กล่าวคือ เมื่อเกิดการดูดจับพลังงานแสง อิเล็กตรอนใน โมเลกุลของสารจะมีระดับพลังงานสูงขึ้นเป็ นการเปลี่ยนจากภาวะปกติ (ground state) ไปเป็ นภาวะ กระตุน้ (excited state) อิเล็กตรอนจะอยูใ่ นสภาวะที่ถูกกระตุน้ (excited electron) ซึ่งพลังงานที่เกิดขึ้น ในภาวะกระตุน้ นี้ เป็ นพลังงานกระตุน้ (exiting energy) และจะเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่ส้ ันมาก พลังงาน กระตุน้ นี้เองที่ทาำ ให้เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนออกจากโมเลกุลของสารที่ดูดจับแสง ซึ่งพลังงาน กระตุน้ นี้เองที่พืชนำามาใช้ในการถ่ายทอดอิเล็กตรอนในปฏิกิริยาแสงของกระบวนการสังเคราะห์ อิเล็กตรอนในสภาพที่ถูกกระตุน้ นี้ จะไม่อยูต่ วั จะพยายามกลับเข้าสู่วงโคจรเดิม ซึ่งมีระดับ ำ าในสภาพที่ถูกกระตุน้ ดังนั้นอิเล็กตรอนจะต้องถ่ายทอดพลังงานที่กระตุน้ นี้ ไปยังสารอื่น พลังงานต่ากว่ ให้ได้ในเวลา 10-9 วินาที ถ้าไม่สามารถทำาได้อิเล็กตรอนจะกลับมาอยูใ่ นภาวะปกติ โดยพลังงานกระตุน้ นี้จะเกิดการเปลี่ยนแปลงได้ 4 แนวทาง คือ 1. สูญเสี ยพลังงานไปในรู ปของความร้อนโดยตรง ไม่สะท้อนกลับออกมาในรู ปของโฟตอน 2. สูญเสี ยพลังงานไปในรู ปของความร้อนเพียงบางส่ วน ดังนั้นเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่กลับเข้า สู่วงโคจรเดิมแล้ว พลังงานส่วนที่เหลืออยูใ่ นตัวจะแสดงออกมาในสภาพของการเรื อง แสง(fluorescence) 3. คลอโรฟิ ลล์ลดพลังงานกระตุน้ ลงโดยวิธีทางโฟโตเคมี (photochemistry) พลังงานกระตุน้ นี้ จะถูกนำาไปใช้ในปฏิกิริยาเคมีต่างๆของกระบวนการสังเคราะห์แสง ซึ่งเป็ นวิธีที่สาำ คัญมากในการนำา พลังงานแสงมาใช้ 4. อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนย้ายไปยังโมเลกุลอื่นๆในปฏิกิริยาออกซิเดชัน -รี ดกั ชัน การเรืองแสง สารสี เมื่อดูดจับแสงจะปล่อยแสงที่มีความยาวคลื่นมากกว่า (พลังงานน้อยกว่า) พลังงานแสง ที่ดูดจับไปเสมอ ปรากฏการณ์น้ ีเรี ยกว่า การเรื องแสง แสงทั้งหมดที่ปล่อยออกมาเรี ยก ฟลูออเรสเซนต์ อีมิชชันสเปกตรัม (fluorescence emission spectrum) ซึ่งจะมีลกั ษณะเฉพาะสำาหรับสารสี แต่ละชนิด สารสี ชนิดเดียวกันจะปล่อยแสงชนิดเดียวกันเสมอ ไม่วา่ แสงที่ดูดจับไปจะเป็ นแสงอะไรก็ตาม เช่น คลอโรฟิ ลล์จะปล่อยแสงสี แดงออกมาเสมอ และแสงสี แดงที่ปล่อยออกมานี้ ยงั สามารถนำากลับไปใช้ใน กระบวนการสังเคราะห์แสงได้อีก จึงทำาให้แสงสี แดงมีประสิ ทธิ ภาพในกระบวนการสังเคราะห์แสง มากกว่าแสงชนิดอื่นๆ

การสังเคราะห์แสง 37

ป ฏิ กิ ริ ย า ใ น ก ร ะ บ ว น ก า ร สั ง เ ค ร า ะ ห์ แ ส ง ค.ศ. 1883-1905 เอนเกิลแมน (Engleman) เรนคี (Reinke)และแบลคแมน (Blackman) พบว่า ปฏิกิริยาในกระบวนการสังเคราะห์แสงประกอบด้วย 2 ขั้นตอนใหญ่ คือ ปฏิกิริยาแสง และปฏิกิริยามืด ป ฏิ กิ ริ ย า แ ส ง ปฏิกิริยาแสง หมายถึงปฏิกิริยาการเปลี่ยนพลังงานแสงให้อยูใ่ นรู ปของพลังงานเคมี ผลของ ปฏิกิริยาจะได้ ATP และ NADPH+H+ ไปทำาหน้าที่เป็ นตัวรี ดิวซ์ต่อในปฏิกิริยามืด และเมื่อพืชใช้ H2O เป็ นแหล่งให้อิเล็กตรอนตัวแรก จะได้ O2 เป็ นผลพลอยได้ออกมาด้วย ปฏิกิริยาแสงเป็ นปฏิกิริยาของการ เปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็ นพลังงานเคมีเกิดขึ้ นบนกรานัม หรื อลาเมลลา หรื อไทลาคอยด์ ปฏิกิริยาแสง นี้ประกอบด้วยปฏิกิริยาย่อยๆอีก 2 ปฏิกิริยา คือ 1. ปฏิกิริยาฮิลล์หรื อการแยกสลายด้วยแสง (photolysis) เป็ นปฏิกิริยาการแตกตัวของน้าำ หรื อมี ำ การดึงอิเล็กตรอนออกจากโมเลกุลของน้าโดยใช้ พลังงานแสง และเกิด O2 ซึ่งจะปล่อยออกสู่บรรยากาศ ฮิลล์ได้ทดลองผลของแสงต่อปฏิกิริยาการเปลี่ยนแปลงของเกลือเฟอร์ ริกในสารละลายที่มี คลอโรพลาสต์อยูด่ ว้ ย พบว่าแสงสามารถกระตุน้ ให้เกลือเฟอร์ ริกเปลี่ยนเป็ นเกลือเฟอร์ รัสได้ดงั สมการ 2 H2O + 4Fe+++ → O2 + 4Fe++ + 4H+ ออกซิแดนต์ รี ดกั แตนต์ ำ แต่ถา้ ในสารละลายไม่มีเกลือเฟอร์ ริก จะไม่เกิด O2 แสดงว่าแสงมีผลต่อการแตกตัวของน้าให้ ำ ทาำ ให้เกิด ได้ H+ซึ่งจะเป็ นตัวไปรี ดิวซ์เกลือเฟอร์ ริกเป็ นเกลือเฟอร์ รัส ขณะเดียวกันการแตกตัวของน้าก็ O2 H2O → 2H+ + 2e- + 1/2O2 2. โฟโตฟอสโฟรี เลชัน (photophosphorelation) หมายถึง ปฏิกิริยาการสร้างสารพลังงาน สูง(ATP)โดยใช้พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาในขณะที่มีการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจากโมเลกุลของ H2O ไปยัง NADP+ ADP + Pi → ATP ปฏิกิริยานี้ เกิดได้ 2 แบบคือ 2.1 ปฏิกิริยาโฟโตฟอสโฟรี เลชันแบบไม่เป็ นวัฏจักร เป็ นปฏิกิริยาการสร้างสารพลังงาน สูง(ATP)โดยใช้พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาในขณะที่มีการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจากโมเลกุลของ H2O ไปยัง NADP+ แบบไม่เป็ นวัฏจักร จะได้ ATP 2 โมเลกุล ดังสมการ NADP+ + 2H2O + 2ADP + 2Pi แสง คลอโรพลาสต์  oxidoreductase NADPH2 + 2ATP + 1/2O2

38 พฤกษศาสตร์

2.2 ปฏิกิริยาโฟโตฟอสโฟรี เลชันแบบเป็ นวัฏจักรเป็ นปฏิกิริยาการสร้างสารพลังงานสูง (ATP)โดยใช้พลังงานที่ปลดปล่อยออกมาในขณะที่มีการถ่ายทอดอิเล็กตรอนแบบเป็ นวัฏจักร จะได้ ATP 1 โมเลกุล ดังสมการ ADP + Pi → ATP ปฏิกิริยาแสงจะประกอบด้วยคลอโรฟิ ลล์ และสารสี ชนิดอื่นๆมาเรี ยงตัวรวมกันเป็ นหน่วยย่อย เรี ยก หน่วยสังเคราะห์แสงหรื อควอนตาโซม (quantasome) บนไทลาคอยด์ หน่วยสังเคราะห์แสงแต่ละ หน่วยประกอบด้วยระบบแสง 2 ระบบคือ ระบบแสงที่ 1 (photosystem I) ประกอบด้วยสารสี คลอโรฟิ ลล์เอ เป็ นส่ วนใหญ่ จะดูดจับแสงได้ ดีที่สุดที่ความยาวคลื่นมากกว่า 680 นาโนเมตร และจะถูกส่ งต่อไปให้คลอโรฟิ ลล์เอชนิดพิเศษ ซึ่งทำา หน้าที่เป็ นศูนย์กลางรวบรวมพลังงานแสงที่ดูดจับได้จากสารสี อื่นๆ แล้วทำาให้เกิดปฏิกิริยา เรี ยกคลอโร ฟิ ลล์ เอชนิดพิเศษนี้ วา่ ศูนย์ปฏิกิริยาโฟโตเคมิคอล (photochemical reaction center) สามารถดูดจับแสง ได้ดีที่สุดที่ความยาวคลื่น 700 นาโนเมตร ระบบแสงที่ 2 (photosystem II) ประกอบด้วยสารสี คลอโฟิ ลล์เอ คลอโรฟิ ลล์บี จะดูดจับแสงได้ดี ำ า 680 นาโนเมตร (บางชนิ ดเป็ น 690 นาโนเมตร) และสารสี ชนิ ดอื่นๆ เช่น ที่สุดที่ความยาวคลื่นต่ากว่ แคโรที นอยด์ ไฟโคบิ ลิน จะถูกส่ งต่อไปให้คลอโรฟิ ลล์เอชนิ ดพิเศษ ซึ่ งทำา หน้าที่ เป็ นศูนย์ปฏิ กิริยา ำ า 700 นาโนเมตร โฟโตเคมิคอลของระบบแสงที่ 2 ซึ่งสามารถดูดจับแสงได้ดีที่สุดที่ความยาวคลื่นต่ากว่ ศูนย์ปฏิกิริยาของระบบรับแสงที่ 2 จะส่ งตัวรี ดิวซ์ที่แหล่งรวมของพลาสโทควิโนน จากนั้นศูนย์ ปฏิกิริยาของระบบรับแสงที่ 1 ก็จะดึงเอาตัวรี ดิวซ์จากแหล่งรวมนั้นไป ดังนั้นระบบรับแสงทั้งสองจึงไม่ จำาเป็ นต้องเป็ นส่วนหนึ่งของกันและกัน

ภาพที่ 5.12 กระบวนการสังเคราะห์แสง ประกอบด้วยปฏิกิริยาแสง และปฏิกิริยามืด ที่มา : Dutch. 2004.

การสังเคราะห์แสง 39

ขั้ น ต อ น ก า ร เ กิ ด ป ฏิ กิ ริ ย า แ ส ง ปฏิกิริยาแสงจะเริ่ มต้นที่หน้า 680 และสิ้ นสุ ดที่ NADP+ ปฏิกิริยานี้ จะเกิดการถ่ายทอด อิเล็กตรอนแบบไม่เป็ นวัฏจักรมากกว่าแบบเป็ นวัฏจักร ผลของปฏิกิริยาจะได้ ATP และ NADPH ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในขั้นตอนนี้ มีดงั นี้ 1. การดูดจับพลังงานแสงของสารสี ในระบบรับแสงที่ 1 และระบบรับแสงที่ 2 สารสี ท้ งั สองระบบ จะดูดจับแสงพร้อมกัน และทำาให้เกิดอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุน้ และจะมีการถ่ายทอดอิเล็กตรอนไปยัง สารประกอบหลายตัวทีละลำาดับขั้นจากตัวให้อิเล็กตรอน (รี ดกั แตนต์) ไปยังตัวรับอิเล็กตรอน (ออกซิ แดนต์) จนกระทัง่ ถึงตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุ ดท้าย ซึ่งตัวให้อิเล็กตรอนตัวสุ ดท้ายคือ H2O และตัวรับ อิเล็กตรอนตัวสุดท้ายคือ NADP+ ซึ่งจะถูกรี ดิวซ์ให้เป็ น NADPH นอกจากนี้พลังงานจะทำาให้เกิดการ เคลื่อนไหวของโปรตอนข้ามเยือ่ หุ ม้ ไทลาคอยด์ ทำาให้เกิดความแตกต่างของระดับโปรตอน ซึ่งนำาไปใช้ ในการสร้างสารพลังงานสูง ATP 2. การถ่ ายทอดพลังงานแสงที่สารสี ดูดจับไว้ ไปยังศูนย์ ปฏิกริ ิยา ซึ่งจะเป็ นแหล่งใช้พลังงานแสง ประมาณ 95-99 % โดยขณะที่มีการถ่ายทอดพลังงานไปยังศูนย์ปฏิกิริยาจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงทางเคมี เกิดขึ้นเลย ปฏิกิริยาทางเคมีปฏิกิริยาแรกจะเกิดขึ้นเมื่อศูนย์ปฏิกิริยาได้รับพลังงานแสงมาแล้ว เพื่อเก็บ สะสมพลังงานโดยการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจากโมเลกุลของคลอโรฟิ ลล์ไปยังตัวรับอิเล็กตรอน และตัว ให้อิเล็กตรอนดังกล่าวจะถูกรี ดิวซ์ กลับสู่สภาพเดิม

ภาพที่ 5.13 การรับและถ่ายทอดพลังงานของสารสี ในระบบรับแสง ที่มา : Harvest light energy. 2007.

40 พฤกษศาสตร์

3. ตัวรับอิเล็กตรอนตัวแรกของระบบแสงที่ 2 คือฟี โอไฟทิน (pheophytin=เป็ นคลอโรฟิ ลล์ที่มี H 2 อะตอมอยูแ่ ทนที่ Mg ตรงกลางโมเลกุล) และจะส่ งอิเล็กตรอนต่อไปให้กบั พลาสโทควิโนนชนิด พิเศษ (QA) ทำา หน้าที่เหมือนประตูควบคุมการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจากฟี โอไฟทินไปยังพลาสโท ควิ โนน ตัวแรก แล้วพลาสโทควิโนนจะถูกรี ดิวซ์เป็ นพลาสโท ควิโนนแอนไอออน (Q-A) และ อิเล็กตรอนจะถ่ายทอดต่อไปยังพลาสโทควิโนนตัวที่สองอย่างรวดเร็ วและจะคงอยูท่ ี่นัน่ ซึ่งระหว่างที่ หน้า 680 ถูกออกซิไดส์จะได้อิเล็กตรอนกลับคืนมาจากสาร Z ทำาให้หน้า 680 กลับสู่สภาพที่ปกติดงั เดิม ในขณะที่มีการถ่ายทอดอิเล็กตรอนจากฟี โอไฟทินไปยังพลาสโทควิโนนตัวแรกจนกระทัง่ ถึงพลาส โท ควิโนนตัวที่สอง จะมีการเก็บโปรตอน 2 ตัวจากตัวกลางที่อยูร่ อบๆมาใช้ในการสร้างไฮโดรควิ โนน(hydroquinone) ไฮโดร-ควิโนนจะแตกตัวทันทีและออกจากสารประกอบเชิงซ้อนเข้าสู่ส่วนที่เป็ น ไฮโดรคาร์ บอนของเยือ่ หุ ม้ ซึ่งจะถ่ายทอดอิเล็กตรอนต่อไปยังไซโทโครมบี 6-เอฟ (เป็ นโปรตีนขนาด ใหญ่ที่มีฮีมเป็ นส่วนประกอบด้วย ได้แก่ ฮีมแบบบี 2 ตัว ไซโทโครมบีมีฮีมที่มีลกั ษณะทางเคมีเหมือนกับโพรโทฮีม (protoheme) ซึ่ง ไม่มีพนั ธะโควาเลนต์ ฮีมแบบซี หรื อไซโทโครมเอฟ (f) 1 ตัว ไซโทโครมซีน้ ี จะมีฮีมเกาะอยูก่ บั เพปไทด์ดว้ ยพันธะ โควาเลนต์ โปรตีนริ สก์ (reiske) เป็ นโปรตีนประกอบด้วย Fe 2 อะตอม และ S 2 อะตอม)

การสังเคราะห์แสง 41

ภาพที่ 5.14 โครงสร้างและปฏิกิริยาของพลาสโทควิโนน และหน้าที่ของประตูอิเล็กตรอน ที่ควบคุมหน่วยรับแสงที่ 2 ที่มา : Taiz and Zeiger. 1991. p. 208.

4. การออกซิไดส์ โมเลกุลของน้ำ า H2O จะถูกออกซิไดส์ ได้ ออกซิเจน และน้ำ า และให้ อเี ล็กตรอน ำ กส่ งให้กบั คลอโรฟิ ลล์ และโปรตอน (H+)แก่คลอโรฟิ ลล์ แต่ก่อนที่อิเล็กตรอน และโปรตอนจากน้าจะถู นั้น จะมีสารชนิด หนึ่งมารับไปก่อน ซึ่งยังไม่ทราบว่าเป็ นสารอะไร แล้วเกิดเป็ นสาร ZH2 ในระบบรับ แสงที่ 2 ในช่องในเซลล์ซ่ ึงเป็ นช่องว่างภายในไทลาคอยด์ และอิเล็กตรอนจะถูกส่ งต่อไปยังคลอโรฟิ ลล์ ของระบบรับแสงที่ 2 ซึ่งมีประจุเป็ นบวกและจะถูกส่ งต่อไปตามลำาดับของการถ่ายทอดอิเล็กตรอนไป จนถึงคลอโรฟิ ลล์ของระบบรับแสงที่ 1 ซึ่งมีประจุเป็ นบวกเช่นกันและจะถูกส่ งต่อไปตามลำาดับของการ ถ่ายทอดอิเล็กตรอน ในระบบรับแสงที่ 1 จนถึง NADP+ ขณะเดียวกัน NADP+ จะได้รับ H+ จากการ ำ แตกตัวของโมเลกุลของน้าโดยตรง ทำาให้ NADP+ ถูกรี ดิวซ์เป็ น NADPH ที่เยือ่ ไทลาคอยด์ดา้ นที่อยูต่ ิ ดกับสโตรมา และ H+ จะถูกปล่อยออกสู่ สโตรมาโดยผ่านกระบวนการสร้าง ATP จากช่องภายใน ไทลาคอยด์ออกสู่สโตรมา

42 พฤกษศาสตร์

5. การรีดิวซ์ NADP+ เป็ น NADPH + H+ มีปฏิกิริยาการเกิด ดังนี้ 1. 4H2O → 4H+ + 4OH2. 4OH- → 4OH + 4e3. 4OH → O2 + 2H2O สมการที่ 1 + 2 + 3 = 2H2O → 4H+ + 4e- + O2 การแตกตัวของน้าำ 1 โมเลกุลจะให้ 2H+ + 2e- และ O2 ครึ่ ง (1/2) โมเลกุลเท่านั้น ดังนั้นเพื่อให้ได้ O21 โมเลกุลจึงต้องใช้นาทั ้ ำ ้ งหมด 2 โมเลกุล และอิเล็กตรอนที่ได้จะมีการถ่ายทอดไปให้ NADP+ ตาม ำ าสู่ระบบรับแสงที่ 2 และไปยังระบบรับแสงที่ 1 แต่คลอโรฟิ ลล์ ลูกโซ่การถ่ายทอดอิเล็กตรอนจากน้าเข้ ของแต่ละระบบเมื่อได้รับพลังงานแสงจะมีการปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมาครั้ งละ 2 ตัว จะรี ดิวซ์ NADP+ ได้ดงั สมการ NADP+ + 2e- → NADP + eขณะเดียวกัน NADP+ จะได้ 2H+จากการแตกตัวของน้าำ 1 โมเลกุล ได้สมการดังนี้ NADP + e- + 2H+ → NADPH + H+ แต่จากที่กล่าวมาข้างต้นแล้วว่าจะต้องใช้ H2O 2 โมเลกุล เพื่อให้ได้ O2 1 โมเลกุล และจะได้ 4H+ ด้วย ดังนั้นเพื่อให้ได้ NADPH + H+ 2 โมเลกุลด้วย (1 โมเลกุล ใช้อิเล็กตรอน (e-) 2 ตัว และใช้ โปรตอน(H+)2 ตัว) จึงต้องมีการปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกจากโมเลกุลของคลอโรฟิ ลล์ 2 ครั้ง(ได้ครั้ง ละ 2 ตัว)จึงจะได้อิเล็กตรอน 4 ตัวและเกิดปฏิกิริยาดังสมการ 4H+ + 4e- + 2NADP+ → 2NADPH + 2H+ อิเล็กตรอนที่ถ่ายทอดออกจากโมเลกุลของคลอโรฟิ ลล์ในแต่ละระบบเกิดขึ้ น 2 ครั้ง (ได้ อิเล็กตรอน 2 ตัวต่อ 1 ครั้ง ต่อ 1 ระบบ) จึงมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนทั้งหมด 8 ตัว ต้องใช้พลังงาน แสงทั้งหมด 8 ควอนตา (อิเล็กตรอน 1 ตัวใช้ 1 ควอนตา) สรุ ปได้วา่ ในการสร้าง O2 1 โมเลกุล ต้องใช้ พลังงานแสง 8 ควอนตา ปฏิกิริยาแสงที่เกิดขึ้นทั้งหมดในการถ่ายทอดอิเล็กตรอนแบบไม่เป็ นวัฏจักร ได้ดงั สมการ 2H2O + 2NADP+ + 4ADP + 4Pi → 2NADPH + 2H+ +4ATP + O2 + 2H2O 6. การรีดิวซ์ CO2 โดย NADPH และ ATP ในปฏิกริ ิยามืด ซึ่งจะต้องใช้ CO26 โมเลกุล ใช้ ำ NADPH และ ATP ชนิดละ 12 โมเลกุล ในการสร้างน้าตาลกลู โคส 1 โมเลกุล ดังนั้นการถ่ายทอด อิเล็กตรอนแบบไม่เป็ นวัฏจักรจึงต้องเกิดขึ้นทั้งหมด 12 ครั้ง (6CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6H2O

การสังเคราะห์แสง 43

+ 6O2 จากสมการรวมนี้ จะเห็นว่าการเกิด O2 1 โมเลกุล ใช้ CO2 1 โมเลกุลเช่นกัน แต่การเกิด O2 1 โมเลกุลต้องเกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากคลอโรฟิ ลล์ 2 ครั้ง ดังนั้นเพื่อให้ได้ O2 6 โมเลกุล การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนแบบไม่เป็ นวัฏจักรนี้ จึงต้องเกิดทั้งหมด 12 ครั้ง)ได้ปฏิกิริยาสรุ ปดังนี้ 24H2O + 12NADP+ + 12ADP + 12Pi → 12NADPH + 12H+ + 12ATP + 6O2 + 12H2O พลังงานที่ได้จากการถ่ายทอดอิเล็กตรอนแบบไม่เป็ นวัฏจักรจะไม่เพียงพอสำาหรับการรี ดิวซ์ CO2 ในปฏิกิริยามืดต้องได้พลังงานเพิม่ จากการถ่ายทอดอิเล็กตรอนแบบเป็ นวัฏจักรด้วย ซึ่งจะต้องเกิด ขึ้น 3 ครั้ง ต่อการผลิตกลูโคส 1 โมเลกุล ดังสมการต่อไปนี้ 2ADP + 2Pi → 2ATP (1 ครั้ง) 6ADP + 6Pi → 6ATP (3 ครั้ง) ดังนั้นปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นทั้งหมดในปฏิกิริยาแสงจึงเป็ นดังนี้ การถ่ายทอดอิเล็กตรอนแบบไม่เป็ นวัฏจักร 1. 24H2O + 12NADP+ + 12ADP + 12Pi → 12NADPH + 12H+ + 12ATP + 6O2 + 12H2O การถ่ายทอดอิเล็กตรอนแบบเป็ นวัฏจักร 2. 6ADP + 6Pi → 6ATP (3 ครั้ง) 1+2 24H2O + 12NADP+ + 12ADP + 12Pi + 6ADP + 6Pi → 12NADPH + 12H+ + 12ATP + 6O2 + 12H2O + 6ATP = → 12NADPH + 12H+ + 18ATP + 6O2 + 12H2O

44 พฤกษศาสตร์

ภาพที่ 5.15 แผนภาพรู ป Z ในกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืชชั้นสูง ที่มา : Phosynthesis. 2007.

ภาพที่ 5. 16 โฟโตฟอสโฟรี เลชันแบบไม่เป็ นวัฏจักร ที่มา : Photosynthesis. 1996.

การสังเคราะห์แสง 45

ย า ฆ่ า วั ช ช พื ช ที่ มี ผ ล ต่ อ ก ร ะ บ ว น ก า ร สั ง เ ค ร า ะ ห์ แ ส ง ย า ฆ่ า วั ช พื ช จ ะ มี ผ ล ทำา ใ ห้ ก า ร เ กิ ด ก ร ะ บ ว น ก า ร สั ง เ ค ร า ะ ห์ แ ส ง ล ด ล ง เ ช่ น 1. พาราควอต (Paraquart) พาราควอตจะยับยั้งการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจากเฟอร์ รีดอกซินไปยัง NADP+ในระบบรับแสง ที่ 1 และจะรี ดิวซ์ O2 เป็ นซูเปอร์ออกไซด์ (superoxide, O2) ซึ่งเป็ นอนุมูลอิสระที่จะไปทำาปฏิกิริยากับ โมเลกุลของสารหลายชนิดในคลอโรพลาสต์ ทำาให้คลอโรฟิ ลล์ไม่สามารถทำางานต่อไปได้ ดังนั้น อิเล็กตรอนจึงถ่ายทอดย้อนกลับมาให้กบั ไซโทโครมเอฟ จึงทำาให้เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนแบบ เป็ นวัฏจักร (ภาพที่ 2.18)ทำาให้ไม่เกิด NADPH + H+ และมีการปลดปล่อยพลังงานสร้าง ATP ได้เพียง 1 โมเลกุล 2.โมนูรอน (Monuron-CMU) และไดอูรอน (Diuron-DCMU) โมนูรอนและไดอูรอนเป็ นสารที่จะไปแทนที่พลาสโทควิโนน แต่ CMU และ DCMU ไม่รับ อิเล็กตรอน จึงทำาให้อิเล็กตรอนไม่สามารถถ่ายทอดจากพลาสโทควิโนนชนิดพิเศษ (QA) ซึ่งเป็ นตัวรับ อิเล็กตรอนตัวแรกไปยังพลาสโทควิโนนตัวรับอิเล็กตรอนตัวที่ 2 ได้ ดังนั้นการถ่ายทอดอิเล็กตรอนใน ระบบรับแสงที่ 2 จึงไม่เกิดขื้น

ภาพที่ 5.17 การใช้ยาฆ่าวัชพืชเพื่อทำาลายพืชโดยการยับยั้งการสร้างกรดอะมิโน แคโรทีนอยด์ ลิพิด หรื อรบกวนการแบ่งเซลล์ ที่มา: Taiz and Zeiger. 1991. p. 212.

46 พฤกษศาสตร์

ภาพที่ 5. 18 โฟโตฟอสโฟรี เลชันแบบเป็ นวัฏจักร ที่มา : Photosynthesis. 1996. การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนแบบไม่เป็ นวัฏจักรกับแบบเป็ นวัฏจักรมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน และการสร้าง ATP เกิดขึ้นแตกต่างกันดังสรุ ป ตารางที่ 5. 3 เปรี ยบเทียบการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนแบบเป็ นวัฏจักรกับไม่เป็ นวัฏจักร การเคลือ่ นที่ของอิเล็กตรอน แบบเป็ นวัฏจักร 1.เกิดเฉพาะระบบรับแสงที่ 1 เท่านั้น 2.ไม่มีการสร้าง NADPH + H+ 3.ได้ ATP เพียง 1 โมเลกุลต่อการเคลื่อนที่ ของอิเล็กตรอนออกจากโมเลกุลของคลอโร ฟิ ลล์ 1 ครั้ง 4.ไม่เกี่ยวข้องกับกระบวนการแตกตัวของน้าำ 5.สารที่เกิดขึ้นไม่เพียงพอต่อการสร้าง กลูโคส 6.ไม่เกิด O2 เป็ นผลพลอยได้

แบบไม่ เป็ นวัฏจักร 1.เกิดทั้งระบบรับแสงที่ 1 และที่ 2 2.มีการสร้าง NADPH + H+ 3.ได้ ATP 2 โมเลกุลต่อการเคลื่อนที่ของ อิเล็กตรอนออกจากโมเลกุลของคลอโรฟิ ลล์ 1 ครั้ง 4.เกี่ยวข้องกับกระบวนการแตกตัวของน้าำ 5.สารที่เกิดขึ้นเพียงพอต่อการสร้างกลูโคส 6.เกิด O2 เป็ นผลพลอยได้ของกระบวนการ

การสังเคราะห์แสง 47

ปฏิกริ ิยามืด กระบวนการสังเคราะห์แสงในขั้นตอนของปฏิกิริยาแสงจะได้ ATP เป็ นสารให้พลังงาน และ NADPH+ H+ เป็ นตัวรี ดิวซ์ CO2 ในปฏิกิริยามืดต่อไป เมื่อปฏิกิริยามืดเสร็ จสิ้ นลงจะได้ผลผลิตเป็ น ำ น้าตาลตามเป้ าหมายของกระบวนการสังเคราะห์แสงที่เกิดขึ้นของพืช ำ ปฏิกิริยามืด หมายถึงปฏิกิริยาการรี ดิวซ์ CO2 ให้เป็ นสารประกอบประเภทน้าตาลโดยใช้ ATP และ NADPH + H+ที่ ได้จากปฏิ กิริ ยาแสง หรื อ อาจเรี ย กว่าปฏิ กิริยาการตรึ ง CO2 เกิ ดขึ้ น ในสโตรมา ปฏิ กิริยานี้ มกั เข้าใจผิดว่าจะต้องเกิดเฉพาะในที่ มืดเท่านั้ น แต่ความเป็ นจริ งแล้วปฏิ กิริยาขั้นตอนนี้ จะ ดำา เ นิ น ไ ป ไ ด้ ต้ อ ง เ กิ ด ขึ้ น ใ น ที่ ที่ มี แ ส ง ด้ ว ย เ ช่ น กั น เ พ ร า ะ (Story, 1989) 1.ในที่มืด CO2 ไม่สามารถแพร่ จากบรรยากาศเข้าสู่ภายในใบทางปากใบได้ เพราะในที่มืดปากใบ ปิ ด(ยกเว้น CAM plant) 2. เอนไซม์ที่ใ ช้ใ นการรี ดิ ว ซ์ CO2 หลายชนิ ด เช่ น เอนไซม์รู บิสโคจะทำา งานได้ใ นที่ ที่ มีแสง เท่านั้น กล่าวคือเมื่อมีแสง โปรตอนจะเกิดการเคลื่อนย้ายจากสโตรมาเข้าในช่องในเซลล์ (lumen)ของ ไทลาคอยด์เพื่อแลกเปลี่ยน Mg2+ ทำาให้ Mg2+ ใน สโตรมาเพิ่มขึ้น และมีpH เพิ่มขึ้นจากเดิมประมาณ 7 เป็ นประมาณ 8 ซึ่ งเป็ น สภาพที่ เ อนไซม์รู บิ ส โคว่ อ งไวในการทำา งาน หรื อ การทำา งานของเอน ไซม์ฟอสโฟอีนอลไพรู เวตคาร์บอกซิเลส (phosphoenolpyruvate carboxylase) NADP แมเลตดีไฮโดรจี เ น ส (NADPmalatedehydrogenase) ไ พ รู เ ว ต อ อ ร์ โ ท ฟ อ ส เ ฟ ต ไ ด คิ เ น ส (pyruvate autophosphatedikinase)ในวัฏจักรซี 4 จะถูกควบคุมโดยแสง เมื่อใบได้รับแสงจะถูกรี ดิวซ์และจะถูกออก ซิ ไดส์เมื่อไม่ได้รับแสง โดยเฉพาะเอนไซม์ไพรู เวตออร์ โทฟอสเฟตไดคิเนสจะทำางานว่องไวเมื่อได้รับ แ ส ง แ ล ะ ทำา ง า น ช้ า ล ง เ มื่ อ ไ ม่ ไ ด้ รั บ แ ส ง ปฏิกิริยามืด เกิดขึ้นได้ 3 วิธี คือ วัฏจักรแคลวิน(Calvin cycle) วัฏจักรแฮตซ์-แสลก(Hatch-Slack cycle) แ ล ะ เ ม แ ท บ อ ลิ ซึ ม ข อ ง ก ร ด แ ค ร ส ซู เ ล เ ชี ย น (Crassulacean Acid Metabolism) วัฏจักรแคลวิน เป็ นวัฏจักรของการรี ดิวซ์ CO2 ซึ่งค้นพบโดยแคลวินและเบนสัน(Benson) ในปี ค.ศ. 1949 โดยใช้ คาร์ บอนกัมมันตภาพรังสี (C14)ในรู ป C14O2 กับสาหร่ ายสี เขียวเซลล์เดียว ชื่อคลอเรลลา (Chlorella)แล้ว แยกชนิดของสารต่างๆโดยใช้ทินเลเยอร์โครมาโทกราฟฟี (thin layer chromatography) เป็ นวิธีแยกสาร ให้บริ สุทธิ์โดยใช้สารมัธยันต์ซ่ ึงไม่เคลื่อนที่ และสามารถดูดซับสารละลายสารที่ติดอยูก่ บั ตัวกลางจะถูก ไล่ออกโดยใช้ตวั ชะ (eluent) ซึ่งเป็ นตัวที่เคลื่อนที่ในช่วงเวลาต่างๆกัน) พบว่าสารตัวแรกที่อยูต่ วั ของ วัฏจักรนี้คือ 3PGA (3-ฟอสโฟ กลีเซอเรต, 3-phosphoglycerate) ซึ่งเป็ นสารที่มีคาร์ บอนอยูใ่ นโมเลกุล 3 อะตอมดังนั้นวัฏจักรนี้จึงอาจเรี ยกว่า วัฏจักรซี 3(C-3 cycle) หรื อเรี ยกวัฏจักรซี 3 PCR (C3 photosynthetic carbon reduction cycle) หรื อเรี ยกวัฏจักรรี ดกั ทีฟเพนโทสฟอสเฟต (reductive pentose

48 พฤกษศาสตร์

phosphate cycle) เพราะสารประกอบที่เกิดขึ้นในวัฏจักรส่ วนใหญ่เป็ นสารที่มีคาร์ บอนอยูใ่ นโมเลกุล 5 อะตอม ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นแบ่งได้เป็ น 3 ขั้นตอน ได้แก่ กระบวนการคาร์ บอกซิเลชัน(carboxylation) กระบวนการรี ดกั ชัน(reduction) กระบวนการรี เจเนอเรชัน(regeneration) 1. กระบวนการคาร์ บอกซิเลชัน เป็ นขั้นตอนแรกของวัฏจักรที่มีการนำา CO2 ทำาปฏิกิริยากับไรบูโลส 1,5 บิสฟอสเฟส (ribulose1,5bisphosphase-RuBP) โดยอาศัยกิจกรรมของเอนไซม์ไรบูโลสบิสฟอสเฟสคาร์ บอกซีเลส/ ออกซีจีเนส (ribulose bisphosphase carboxylase/oxygenase) หรื อเรี ยกว่า รู บิสโค (rubisco) 1.1 เอนไซม์รูบิสโค เป็ นเอนไซม์สาำ หรับใช้ในการตรึ ง CO2 มีนาหนั ้ ำ กโมเลกุล 500 กิโลดัล ำ กโมเลกุลประมาณ 56 กิโล ดัลตัน และ ตัน ประกอบด้วยหน่วยย่อยขนาดใหญ่ (L) 8 หน่วย น้าหนั ำ กประมาณ 14 กิโลดัลตัน หน่วยย่อยเหล่านี้ เกาะรวมกันโดย หน่วยย่อยขนาดเล็ก (S) 8 หน่วยน้าหนั หน่วยย่อยขนาดใหญ่จะถูกสร้างขึ้นโดยไรโบโซมในคลอโรพลาสต์ และอยูบ่ นจีโนมของ คลอโรพลาสต์ แต่หน่วยย่อยขนาดเล็กจะถูกสร้างขึ้นโดยไรโบโซมในไซโทพลาซึมและอยูใ่ น นิวเคลียส และจะถูกส่งเข้ามารวมกับหน่วยย่อยขนาดใหญ่ในคลอโรพลาสต์กลายเป็ นรู บิสโค (L8, S8) ซึ่งในแต่ละปี พบว่าพืชจะต้องใช้เอนไซม์รูบิสโคในปฏิกิริยาการตรึ ง CO2 ปี ละ 2,000 ล้านตัน และพบว่า ำ ท้ งั หมดในสิ่ งมีชีวิตส่ วนใหญ่ เอนไซม์น้ ีมีประมาณ 40% ของโปรตีนที่ละลายน้าได้ เอนไซม์รูบิสโคมีคุณสมบัติที่สาำ คัญดังนี้ 1.1.1 ปฏิกิริยาการตรึ ง CO2 ที่เกิดขึ้นมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระเป็ นลบ ( G01= -12.4 กิโลแคลอรี่ ต่อโมล) ปฏิกิริยานี้ จะเกิดต่อไปถึงแม้ความเข้มข้นของ CO2 จะต่าำ 1.1.2 รู บิสโคสามารถทำาปฏิกิริยาคาร์ บอกซิเลชันได้รวดเร็ วมากถึงแม้ความเข้มข้นของ ำ CO2 จะต่าในเซลล์ ที่สงั เคราะห์แสง

การสังเคราะห์แสง 49

ภาพที่ 5.19 วัฏจักรแคลวิน ที่มา : ปรับปรุ งจาก Campbell. 1999. p.636.

50 พฤกษศาสตร์

ตารางที่ 5.4 ปฏิกิริยาในวัฏจักรซี 3

การสังเคราะห์แสง 51

ตารางที่ 5.4 (ต่อ)

ที่มา : Taiz and Zeiger. 1991. pp. 224-225.

52 พฤกษศาสตร์

1.2 ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในกระบวนการคาร์ บอกซิเลชัน กระบวนการคาร์ บอกซิเลชันประกอบ ด้วยปฏิกิริยาต่างๆดังนี้ 1.2.1 CO2 รวมตัวกับ RuBP โดยเอนไซม์รูบิสโค CO2 จะเข้าไปในเซลล์รูปไบคาร์ บอเนต ำ นทีที่ผิวของเซลล์มีโซฟิ ลล์ เกิดเป็ นกรดคาร์ บอนิก (H2CO3) ซึ่ง ไอออน (HCO3-) โดย CO2 ละลายน้าทั เมื่อแตกตัวจะให้โปรตอน และ ไบคาร์บอเนตไอออน CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO31.2.2 ปฏิกิริยาระหว่าง CO2 และ RuBP ได้ 3PGA เป็ นสารตัวแรกที่อยูต่ วั ของกระบวนการ สังเคราะห์แสง ซึ่งเป็ นสารที่มีคาร์บอน อยูใ่ นโมเลกุล 3 อะตอม จึงเรี ยก วัฏจักรนี้วา่ วัฏจักรซี3 พบว่ามี พืชทั้งหมดประมาณ 85% ที่เป็ นพืชซี 3 1.2.3 หมู่ฟอสเฟตถูกดึงออกจากโมเลกุลของ 3PGA และ ATP,NADPH ถูกนำามาใช้รีดิวซ์ DPGA (บิสฟอสโฟกลีเซอเรต-bisphosphoglycerate) เป็ น G-3P (กลีเซอรัลดีไฮด์ 3 ฟอสเฟตำ ำ glyceraldehyde 3 phosphate) ซึ่งเป็ นน้าตาลที ่มีคาร์ บอน 3 อะตอม น้าตาลนี ้ เป็ นจุดเริ่ มต้นของวัฏจักรนี้ ในพืช 1.2.4 G-3P บางโมเลกุลจะถูกนำากลับไปสร้าง RuBP ขึ้นมาใหม่ ปฏิกิริยานี้ เกิดขึ้นในที่มืด มีการใช้ ATP และ G-3P จะถูกเปลี่ยนต่อไปเป็ นฟรุ กโทสบิสฟอสเฟต (fructose bisphosphate) ซึ่งจะถูก นำาไปใช้สร้างกลูโคส ซูโครส แป้ ง และสารประกอบอื่นที่พืชต้องการ สรุ ป ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในขั้นตอนนี้ คือ ไรบูโลส 1,5 บิสฟอสเฟตคาร์ บอกซิเลส 6RuBP + 6CO2 + 6H2O → 12(3-PGA)…… (1) 2. กระบวนการรีดักชัน เป็ นขั้นตอนที่ 3-PGA เกิดกระบวนการฟอสโฟรี เลชัน(phosphorylation) โดยอาศัย ATP และ เอนไซม์ไตรโอสฟอสเฟตดีไฮโดรจีเนส (triosephosphate dehydrogenase) หรื อ 3-ฟอสโฟกลีเซอเรต คิเนส (3-phosphoglycerate kinase) เกิดการเปลี่ยนแปลงเป็ น 1,3 บิสฟอสโฟกลีเซอเรต (bisphosphoglycerate) ซึ่งสารนี้จะถูกรี ดิวซ์ต่อไปเป็ นกลีเซอรัลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟต โดยใช้ NADPH ที่ได้ จากปฏิกิริยาแสง และมีเอนไซม์ กลีเซอรัลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟตดีไฮโดรจีเนส กระตุน้ ปฏิกิริยากลีเซอรัล ำ ดีไฮด์ 3-ฟอสเฟตที่ได้เป็ นน้าตาลตั วแรกที่ได้ในกระบวนการสังเคราะห์แสง ซึ่งสารตัวนี้ สามารถเปลี่ยน รู ปไปมากับ ฟอสโฟไดไฮดรอกซีแอซีโตน (phosphodihydroxyacetone)ได้โดยอาศัยกิจกรรมของเอน ไซม์ฟอสโฟไตรโอสไอโซเมอเรส (phosphotriose isomerase)

การสังเคราะห์แสง 53

สรุ ปปฏิกริ ิยาที่เกิดขึน้ ในขั้นตอนนี้ คือ 3-ฟอสเฟตกลีเซอเรตคิเนส 12(3-PGA) + 12ATP → 12(1,3-ไดฟอสโฟกลีเซอเรต) + 12 ADP …… (2) ไตรโอสฟอสเฟตไอโซเมอเรส 12(1,3-บิสฟอสโฟกลีเซอเรต) + 12NADPH → 12(กลีเซอรัลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟต) + 12NADP + 12H3PO4 ……………………… (3) ปฏิกิริยาขั้นตอนนี้จะมีการเก็บพลังงานที่ได้รับจากแสงเข้าไปไว้ในโมเลกุลของกลีเซอรัลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟต(ได้จากการสลายของ ATP) นอกจากนี้ H+จากโมเลกุลของ H2O ที่ถูกสลายตัวโดยพลังงาน แสงก็ถ่ายทอดจาก NADPH2 เข้าไปอยูใ่ นกลีเซอรัลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟตเช่นกัน กลีเซอรัลดีไฮด์ 3ฟอสเฟตที่ได้ 2 โมเลกุลจะไม่มีการสะสมไว้ในเซลล์ สามารถนำาไปใช้ประโยชน์ได้ทนั ที ดังนี้ ำ 1. สร้างสารโมเลกุลใหญ่ข้ ึน คือสร้างน้าตาลฟรุ กโทส-6-ฟอสเฟต สร้างกลูโคส-6-ฟอสเฟต สร้าง กลูโคสและมีการลำาเลียงนำาไปใช้ หรื อนำาไปสร้างสารอื่นต่อไป เช่น ซูโครส มอลโทรส แป้ ง เซลลูโลส เ พ ก ทิ น ห รื อ ไ ข มั น 2. ใช้เป็ นสารมัธยันต์ในกระบวนการหายใจ หรื อกระบวนการไกลโคลิซิส(glycolysis) และเข้าสู่ วัฏจักรเครปส์ โดยกลีเซอรัลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟตเปลี่ยนเป็ นกรดไพรู วิกและเปลี่ยนเป็ นอะเซ็ตทิ ลโคเอ แ ล้ ว จึ ง เ ข้ า วั ฏ จั ก ร เ ค ร ป ส์ 3. ถู ก ส่ ง ไ ป ยั ง เ ซ ล ล์ ข้ า ง เ คี ย ง เ พื่ อ ดำา เ นิ น กิ จ ก ร ร ม ต่ า ง ๆ ข อ ง เ ซ ล ล์ 3.1.1.3 กระบวนการรีเจเนอเรชัน เป็ นขั้นตอนที่มีการเปลี่ยนกลีเซอรัลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟตเป็ น ไรบูโลส 1,5-บิสฟอสเฟต เพื่อใช้ตรึ ง CO2 และทำาให้วฏั จักรนี้ ดาำ เนินไปอย่างต่อเนื่อง ขณะเดียวกัน กลีเซอรัลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟตส่วนหนึ่งจะเปลี่ยนเป็ นสารประกอบที่มีโมเลกุลใหญ่ข้ึ น การสร้างไรบูโลส 1,5-บิสฟอสเฟตขึ้นมาใหม่จะต้องเกิดการตรึ ง CO2 6 ครั้ง จะได้ กลีเซอรัล ำ ดีไฮด์ 3-ฟอสเฟต 12 โมเลกุล และกลีเซอรัลดีไฮด์ 3- ฟอสเฟต 2 โมเลกุลเปลี่ยนเป็ นแป้ งหรื อน้าตาล และอีก 10 โมเลกุลเปลี่ยนเป็ น ไรบูโลส 1,5-บิสฟอสเฟต 6 โมเลกุล 2(กลีเซอรัลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟต) → ฟรุ กโทส-6-ฟอสเฟต 10(กลีเซอรัลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟต) + 6ATP → 6RuBP + 6ADP + 4Pi สรุ ปปฏิกริ ิยาที่เกิดขึน้ ในขั้นตอนนี้ คือ จากทั้งหมด 12 โมเลกุล ใช้ไป 5 (เหลือ 7 โมเลกุล) ในปฏิกิริยาการถ่ายโอนโปรตอนระหว่าง ค า ร์ บ อ น ตำา แ ห น่ ง ที่ 2 แ ล ะ ตำา แ ห น่ ง ที่ 1

54 พฤกษศาสตร์

ไตรโอสฟอสเฟตไอโซเมอเรส 5(กลีเซอรัลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟต) → 5(ไดไฮดรอกซีแอซีโตนฟอสเฟต)…… (4) เกิดปฏิกิริยาอัลดอลคอนเดนเซชัน(aldol condensation) อัลโดเลส 3(กลีเซอรัลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟต) + 3(ไดไฮดรอกซีแอซีโตนฟอสเฟต) → 3(ฟรุ กโทส-1,6-ฟอสเฟต) ........…………………………………………………..…. (5) เกิดการเปลี่ยนฟรุ กโทส 1,6-บิสฟอสเฟต เป็ นฟรุ กโทส 6 - ฟอสเฟต ฟรุ กโทส 1,6 บิสฟอสเฟตฟอสฟาเทส ฟรุ กโทส 1,6-บิสฟอสเฟต + 3H2O → ฟรุ กโทส-6-ฟอสเฟต+3H3PO4 ........…..(6) ำ ฟรุ กโทส 6-ฟอสเฟต 1 โมเลกุลจะถูกนำาไปใช้ในกิจกรรมอื่นๆโดยเปลี่ยนรู ปเป็ นน้าตาลซู โครส หรื อแป้ ง และอีก 2 โมเลกุลจะถูกเปลี่ยนต่อไปเพื่อสร้าง RuBP ขึ้นมาใหม่โดยใช้เอนไซม์ ทรานสคี โทเลส (transketolase) ซึ่งเป็ นเอนไซม์ที่ตอ้ งการไทอะมีนไพโรฟอสเฟตเป็ นปั จจัยร่ วมทำาให้ คาร์ บอน(C) ตำาแหน่งที่ 1 และที่ 2 ของฟรุ กโทส 6-ฟอสเฟตถูกถ่ายโอนผ่านโคแฟกเตอร์ ไปยังโมเลกุลที่ 3 ของกลีเซอรัลดีไฮด์3-ฟอสเฟตเกิดเป็ นอิริโทรส 4-ฟอสเฟต (erythrose 4-phosphate) และไซลูโลส 5ฟอสเฟต (xylulose 5-phosphate) ทรานสคีโทเลส 2(ฟรุ กโทส 6-ฟอสเฟต) + 2(กลีเซอรัลดีไฮด์3-ฟอสเฟต) → 2(อิริโทรส 4-ฟอสเฟต) + 2(ไซลูโลส 5-ฟอสเฟต) .............…………………..…… (7) อีริโทรส 4-ฟอสเฟต 2 โมเลกุลรวมตัวกับไดไฮดรอกซีแอซีโตน 3-ฟอสเฟต 2 โมเลกุล ได้ ำ น้าตาลซี โดเฮปทูโลส 1,7-บิสฟอสเฟต (sedoheptulose 1,7-bisphosphate) 2 โมเลกุล อัลโดเลส 2(อีริโทรส 4-ฟอสเฟต) + 2(ไดไฮดรอกซีแอซีโตน 3-ฟอสเฟต) → 2(ซีโดเฮปทูโลส 1,7-บิสฟอสเฟต) ……………………………………..….............. (8) จา กนั้ น ซี โ ดเ ฮป ทู โ ลส 1,7-บิ สฟ อส เ ฟ ตเ ป ลี่ ย น เ ป็ น ซี โ ด เ ฮ ป ทู โ ล ส 7-ฟอ สเ ฟต ซีโดเฮปทูโลส 1,7-บิสฟอสเฟตฟอสฟาเทส 2(ซีโดเฮปทูโลส 1,7-บิสฟอสเฟต) + 2H2O → 2(ซีโดเฮปทูโลส-7-ฟอสเฟต) + 2H3PO4 ...........…………….……………….. (9)

การสังเคราะห์แสง 55

ซีโดเฮปทูโลส 7-ฟอสเฟต จะถูกแยกหมู่คีโตนออกโดยอาศัยเอนไซม์ทรานสคีโทเลส แล้วนำา ไปรวมกับกลีเซอรัลดีไฮด์ 3-ฟอสเฟตอีก 2 โมเลกุล กลายเป็ นไซลูโลส 5-ฟอสเฟต และไรโบส 5ฟอสเฟต อย่างละ 2 โมเลกุล ทรานสคีโทเลส 2(ซีโดเฮปทูโลส 7-บิสฟอสเฟต) + 2(กลีเซอรัลดีไฮด์3-ฟอสเฟต) → 2(ไรโบส 5-ฟอสเฟต) +2(ไซลูโลส 5-ฟอสเฟต) ..............……………………..… (10) ไรโบส 5-ฟอสเฟต ทั้ง 2 โมเลกุลจะเปลี่ยนเป็ น ไรบูโลส 5- ฟอสเฟต 2 โมเลกุล ซึ่งสาร 2 ตัวนี้ สามารถเปลี่ยนกลับไป-มาได้โดยอาศัยเอนไซม์ไรโบส 5-ฟอสเฟตไอโซเมอเรส (ribose 5phosphateisomerase) ไรโบส 5-ฟอสเฟตไอโซเมอเรส 2(ไรโบส 5-ฟอสเฟต) → 2(ไรบูโลส 5- ฟอสเฟต) .....………………… (11) ไซลูโลส 5-ฟอสเฟต ทั้ง 4 โมเลกุลจะเปลี่ยนเป็ นไรบูโลส 5- ฟอสเฟต 4 โมเลกุล โดยเอนไซม์ ไ ร โ บ ส 5-ฟ อ ส เ ฟ ต อิ พิ เ ม อ เ ร ส ไรโบส 5-ฟอสเฟตอิพิเมอเรส 4(ไซลูโลส 5-ฟอสเฟต) → 2(ไรบูโลส 5- ฟอสเฟต) ............………….……… (12) สุดท้ายไรบูโลส 5-ฟอสเฟต ทั้ง 6 โมเลกุลจะเปลี่ยนเป็ นไรบูโลส 1,5-ฟอสเฟต 6 โมเลกุลโดย อาศัยกิจกรรมของเอนไซม์ไรโบส 5-ฟอสเฟตคิเนส (ribulose 5-phosphate kinase) เพื่อรวมตัวกับ CO2 เป็ นการครบวัฏจักรและพร้อมจะเริ่ มต้นใหม่ต่อไป ฟอสโฟเพนโทคิเนส 6(ไรบูโลส 5- ฟอสเฟต) + 6ATP → 6(ไรบูโลส 1,5- ฟอสเฟต) + 6ADP ..… (13) สรุ ปปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในวัฏจักร C3 6CO2 + 12NADPH + 12H+ + 18ATP → 2PGAL + 6H2O + 18ADP + 16Pi + 12NADP+

56 พฤกษศาสตร์

ภาพที่ 5.20 เคมิออสโมซิสในคลอโรพลาสต์ ที่มา : Photosynthesis. 2007.

ภาพที่ 5.21 แผนภาพสรุ ปกระบวนการสังเคราะห์แสง ที่มา : Photosynthesis: an overview. 2007.

การสังเคราะห์แสง 57

วัฏจักร แฮตซ์ และสแลก หรือ ซี4 PCA (C4 photosynthetic carbon assimilation cycle) วัฏจักรนี้ถูกค้นพบโดยคอร์ทแชค (Kortschak) ในปี ค.ศ. 1965 พบว่าการตรึ ง CO2 ในใบอ้อยได้ สารตัวแรกเป็ นกรดอินทรี ย ์ ซึ่งเป็ นกรดที่มีคาร์ บอนในโมเลกุล 4 อะตอม จึงเรี ยกวัฏจักรนี้ วา่ วัฏจักรซี4 และต่อมาแฮตช์ (Hatch) และแสลก (Slack) พบว่าการตรึ งแบบนี้ ยงั เกิดกับพืชอื่นๆอีกหลายชนิด ดังนั้น จึงเรี ยกวัฏจักรนี้ วา่ วัฏจักรแฮตซ์และแสลก เป็ นวัฏจักรที่พืชมีการดึง CO2 มาไว้รอบๆเอนไซม์รูบิสโคเพื่อให้ความเข้มข้นของ CO2 สูงขึ้น เพียงพอที่จะยับยั้งการเกิดออกซิจิเนชันได้ ทำาให้ไม่เกิดปรากฏการณ์การหายใจเชิงแสง ปั จจุบนั พบ วัฏจักรนี้ในพืช 16 วงศ์ ประมาณ 260,000 ชนิด (ประมาณ 0.4%ของพืชทั้งหมด) มีท้ งั พืชใบเลี้ยงเดี่ยว พืชใบเลี้ยงคู่ พบมากในพืชวงศ์หญ้า (Graminae) ชิโนโพดิเอซิอี (Chenopodiaceae) และไซพีเรซี อี(Cyperaceae) เช่น อ้อย ข้าวโพด ข้าวฟ่ าง แห้วหมู หญ้าเขตร้อน (หญ้าแพรก) พืชเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็ น พืชที่เจริ ญเติบโตในที่แห้งแล้ง ขั้นตอนการเกิดปฏิกริ ิยาของวัฏจักรซี 4 PCA วัฏจักร ซี4 PCA ประกอบด้วยเซลล์พ้ืนฐานที่เกี่ยวข้อง 2 ชนิด และมี 4 ขั้นตอน ดังนี้ 1.การตรึ ง CO2 จากบรรยากาศ โดยมีฟอสโฟอีนอลไพรู เวต (phosphoenolpyruvate หรื อ PEPเพป) เป็ นสารที่มารับโดยอาศัยกิจกรรมของเอนไซม์เพปคาร์ บอกซิเลส (PEP carboxylase) ผลของ ปฏิกิริยาคือ กรดซี4 (ออกซาโลแอซีเทตแล้วเปลี่ยนเป็ นแมเลตหรื อแอสพาร์ เทต ขึ้นกับชนิดของพืช ปฏิกิริยานี้ เกิดในมีโซฟิ ลล์ (mesophyll) PEP + CO2 → OAA + H3PO4 ………………....(1) OAA + NADPH → malate + NADP ………………....(2) 2. การลำาเลียงกรดซี 4 ซึ่งจะถูกลำาเลียงไปยังเซลล์เยือ่ หุ ม้ ท่อลำาเลียง (bundle sheet)ที่หุม้ ท่อลำาเลียง ไว้ ทางพลาสโมเดสมา แล้วกรดซี4 นี้จะสลายให้ CO2 และไพรู เวต (pyruvate) โดย ปฏิกิริยาดีคาร์ บอก ซิเลชัน (decarboxylation) การเปลี่ยนนี้ เกิดขึ้นในเวลาประมาณ 10 วินาที ทำาให้ความเข้มข้นของ CO2 ในเซลล์เยือ่ หุ ม้ ท่อลำาเลียงสูงขึ้นกว่าปกติ 20-120 เท่า ส่ วนไพรู เวตจะถูกลำาเลียงกลับไปยังเซลล์ มีโซฟิ ลล์ Malate + NADP → pyruvate + CO2 + NADPH ..............…..(3) ำ 3. การตรึ ง CO2 ซึ่งจะถูกตรึ งโดย RuBp ในวัฏจักรซี3 ต่อไปจนกระทัง่ ได้ น้าตาลเกิ ดขึ้น 4. การเปลี่ยนไพรู เวตเป็ น เพป เพื่อทำาหน้าที่รับ CO2 เริ่ มวัฏจักรใหม่ อีกครั้ง

58 พฤกษศาสตร์

ภาพที่ 5.22 วัฏจักรซี 4 พื้นฐานประกอบด้วยเซลล์ 2 ชนิด ที่มา : Campbell. 1999. p. 637.

การสังเคราะห์แสง 59

ตารางที่ 5.5 ปฏิกิริยาในวัฏจักรซี 4

ที่มา : Taiz and Zeiger. 199. p. 238.

60 พฤกษศาสตร์

ตารางที่ 5.6 พลังงานในวัฏจักรซี 4 ฟอสโฟอีนอลไพรู เวต + H2O +NADPH+CO2 (มีโซฟิ ลล์) → แมเลต + NADP+ + HOPO32แมเลต + NADP+ → ไพรู เวต + NADPH + CO2 (เซลล์เยือ่ หุ ม้ ท่อลำาเลียง) ไพรู เวต + HOPO32- +ATP → ฟอสโฟอีนอลไพรู เวต + AMP + 2H++ P2O74P2O74-+ H2O → 2HOPO32AMP + ATP → 2ADP Net : CO2 (มีโซฟิ ลล์) + 2ATP +2 H2O → CO2(เซลล์เยือ่ หุ ม้ ท่อลำาเลียง) +2ADP +2HOPO32-+2H+ สรุ ป ความเข้มข้นของ CO2 ในเซลล์เยือ่ หุ ม้ ท่อลำาเลียง = 2ATP/CO21 โมเลกุล ที่มา : Taiz and Zeiger. 1991. p. 239. เมแทบอลิซึมของกรดแครสซู เลเซียน (Crassulacean Acid Metabolism-CAM) การตรึ ง CO2 โดยกระบวนการแคม พบครั้งแรกในพืชทนแล้งวงศ์แครสซูเลเซียน เช่น Kalanchoe spp., Sedum spp. แต่ปัจจุบนั พบในพืชมากกว่า 20 วงศ์ท้ งั พืชใบเลี้ยงคู่ และใบเลี้ยง เดี่ยว(ประมาณ 10%ของชนิดพืช) ได้แก่ วงศ์อิโซเอซีอี (Aizoaceae) แอสคลีเพียเดซีอี (Asclepiadaceae) แคกเทซีอี (Cactaceae) คารี โอฟิ ลเลซีอี (Caryophyllaceae) ชีโนโพดิเอซีอี (Chenopodiaceae) แอสทีเรซี อี (Asteraceae) คอนโวลวูเลซีอี (Convolvulaceae) ยูฟอร์ บิเอซีอี (Euphorbiaceae) แพลนเทจิเนซีอี (Plantaginaceae) พอร์ทูเลซีอี (Portulaceae) วิเทซีอี (Vitaceae) และวงศ์โพลีโพดิเอซีอี(Polypodiaceae) กลุ่มพืชใบเลี้ยงเดี่ยวได้แก่ วงศ์อะกาเวซีอี (Agavaceae) โบรมีลิเอซีอี(Bromliaceae) ลิลิเอซีอี (Liliaceae) ออร์ คิเดซีอี (Orchidaceae) พืชพวกนี้ส่วนใหญ่เป็ นพืชอวบน้าำ พืชที่มีการตรึ ง CO2 โดยขบวนการ CAM นี้เรี ยกว่า พืชแคม (CAM plant)

การสังเคราะห์แสง 61

ลักษณะพืชที่มีขบวนการแคม มีลกั ษณะดังต่อไปนี้ 1. ปิ ดปากใบเวลากลางวัน และเปิ ดปากใบเวลากลางคื น เมื่ อ อุ ณ หภู มิ ล ดต่ าำ ลง และมี ค ว า ม ชื้ น สั ม พั ท ธ์ ใ น บ ร ร ย า ก า ศ สู ง ขึ้ น 2. เกิดการตรึ ง CO2 เวลากลางคืน และเก็บไว้ในรู ปของกรดแมลิก (malic acid) ซึ่งจะเก็บสะสมไว้ ในแวคิวโอลที่มีขนาดใหญ่ การเกิดกรดในเวลากลางคืน (dark acidification) 3. เซลล์ใบจะถูกลดความเป็ นกรด(deacidified)ลงโดยกรดแมลิกจะปลดปล่อย CO2 ในเวลากลาง วัน และเกิดการเปลี่ยนแปลง CO2 ต่อในวัฏจักรซี 3 4. ในเวลากลางคืนของวันต่อไปกลูแคนที่เก็บสะสม (storage glucan)ไว้ในเซลล์จะถูกเปลี่ยนเป็ น กลูโคส 1-ฟอสเฟต และจะเปลี่ยนต่อไปเป็ นเพป โดยกระบวนการไกลโคลิซิส จากลักษณะของพืชแคม นี้จะเห็นว่าการตรึ ง CO2 จากบรรยากาศต่างจากพืชซี 3 แต่คล้ายกับพืช ซี4 เพียงแต่มีการตรึ งในช่วงเวลาที่ต่างกัน ซึ่ง สรุ ปได้ดงั นี้ 1. เกิดการตรึ ง CO2 ครั้งแรกในเวลากลางคืนโดยเพปเป็ นสารที่มารับและอาศัยกิจกรรมของ เอนไซม์ เพป คาร์บอกซิเลส ได้กรดอินทรี ยเ์ ป็ นสารตัวแรกของวัฏจักร 2. เกิดการตรึ ง CO2 ครั้งที่ 2 ในเวลากลางวัน โดย RuBP ในวัฏจักรแคลวิน

62 พฤกษศาสตร์

ภาพที่ 5.23 แผนผังสรุ ปกระบวนการตรึ ง CO2 ของพืชแบบแคม ที่มา : Crassulacean acid metabolism. 2007. การหายใจเชิงแสง (photorespiration) หมายถึงปรากฏการณ์การหายใจของพืชที่เกิดขึ้นโดยมีแสงเป็ นตัวกระตุน้ ซึ่งพบว่ามีอตั ราการ หายใจสูงกว่าในสภาพที่ไม่มีแสงมาก ปรากฏการณ์น้ ีเกิดขึ้นเป็ นวัฏจักรเช่นเดียวกันเรี ยกว่า วัฏจักรซี2 PCO(C2 photorespiration carbon oxidation) ขั้นตอนการเกิดการหายใจเชิงแสง จากการค้นคว้าของทอลเบิร์ต (Tolbert) แห่ งมหาวิทยาลัยมิชิแกนเสตต สหรัฐอเมริ กา พบ ว่าการหายใจเชิงแสงเกิดจากกระบวนการไกลโคเลต (glycolate pathway) ประกอบด้วยปฏิกิริยาต่างๆที่ เกิดขึ้นในออร์แกเนลล์ 3 ชนิด คือ คลอโรพลาสต์ ไมโทคอนเดรี ย และเพอรอกซีโซม โดยจะเกิดขึ้น ำ ในภาวะที่มีอตั ราส่วนระหว่าง CO2/ O2 ต่าในบรรยากาศ (มี CO2 น้อยกว่า O2) และมีความเข้มของแสง สูง ซึ่งจะเกิดผลดังนี้ 1. เอนไซม์รูบิสโคซึ่งใช้ตรึ ง CO2 ในวัฏจักร ซี 3 สามารถเข้าทำาปฏิกิริยากับ O2 ได้เช่นเดียวกัน ผลของปฏิกิริยาได้ 3-PGA และไกลโคเลต ต่อจากนี้ไกลโคเลตจะเคลื่อนที่ออกจากคลอโรพลาสต์ทาง โปรตีนขนส่ งพิเศษในเยือ่ หุ ม้ และแพร่ ไปยังออร์ แกเนลล์เพอรอกซีโซม 2. ไกลโคเลตที่เคลื่อนที่มาอยูใ่ นเพอรอกซีโซมจะถูกออกซิไดซ์โดยเอนไซม์ ออกซิเดส (oxidase) เป็ นไกลออกซิเลต(glyoxylate) และไฮโดรเจนเพอรอกไซด์ (hydrogenperoxide) ซึ่งไฮโดรเจนเพอรอก ไซด์จะถูกทำาลายโดยเอนไซม์แคแทเลส (catalase) และไกลออกซิเลตจะเกิดปฏิกิริยาแทรนสแอมิเนชัน ต่อไปโดยมีกลูแทเมต (glutamate)เป็ นตัวให้กรดอะมิโนและได้ไกลซีน ไกลซีนจะออกจากเพอรอก ซีโซมไปยังไมโทคอนเดรี ย

การสังเคราะห์แสง 63

3. ไกลซีนที่เข้ามายังไมโทคอนเดรี ย 2 โมเลกุลเกิดการรวมตัวกันได้ซีรีน (serine) 1 โมเลกุล ซีรี นที่ได้จะเคลื่อนที่กลับไปที่เพอรอกซีโซม และเกิดปฏิกิริยาแทรนสแอมิเนชันเกิดเป็ นไฮดรอกซีไพรู เวต (hydroxypyruvate) แล้วจึงเปลี่ยนต่อไปโดยปฏิกิริยารี ดกั ชันได้กลีเซอเรต

ภาพที่ 5.24 การเกิดกระบวนการหายใจเชิงแสง ที่มา : โครงการตำาราวิทยาศาสตร์และคณิ ตศาสตร์ มูลนิธิ สอวน. 2549. หน้า 85.

64 พฤกษศาสตร์

ตารางที่ 5.7 ปฏิกิริยาในกระบวนการหายใจเชิงแสง

การสังเคราะห์แสง 65

ตารางที่ 5.7 (ต่อ)

ที่มา : Taiz and Zeige., 1991. p. 230.

4. กลีเซอเรตจะกลับเข้าสู่คลอโรพลาสต์และเกิดปฏิกิริยาฟอสโฟรี เลตได้ 3-PGA 2 โมเลกุล ลักษณะพืชที่ไม่เกิดปรากฏการณ์ การหายใจเชิงแสง 1. ลักษณะกายวิภาคของใบเป็ นแบบครานซ์ (Kranz(halo,wreath)-type anatomy) 1.1 มี เ ยื่อหุ ้มท่ อลำา เลี ย ง ประกอบด้ว ยเซลล์ค ลอเรงคิ ม า เซลล์เ รี ย งตัว กัน แน่ นรอบท่ อ น้าำ ท่ อ อ า ห า ร 1.2 เซลล์คลอเรงคิ มา มีคลอโรพลาสต์ขนาดใหญ่ กว่าคลอโรพลาสต์ใ นเซลล์ข องเนื้ อเยื่อ มี โ ซ ฟิ ล ล์ 1.3 คลอโรพลาสต์ของพืชซี 4 บางชนิด เช่น อ้อย ข้าวโพด ข้าวฟ่ าง มักไม่มีกรานา จะมีเพียง เส้นสายลาเมลลาเท่านั้น 1.4 คลอโรพลาสต์ของเซลล์เยือ่ หุ ม้ ท่อลำาเลียงมีการสะสมเม็ดแป้ งเสมอ ถึงแม้คลอโรพลาสต์ นั้นจะไม่มีกรานา

66 พฤกษศาสตร์

ภาพที่ 5.25 ความแตกต่างของลักษณะภายในใบของพืชซี 3 และซี 4 ที่มา : Photosynthesis.2007.

2. มีประสิทธิภาพการสังเคราะห์ สูง 2.1 ในสภาพที่มีความเข้มข้น CO2 ในบรรยากาศปกติ (350 ppm) พบว่าพืชซี 4 มีอตั ราการ สังเคราะห์แสงมากกว่าพืชซี 3 ถึง 3 เท่า 2.2 พืชซี 4 ไม่มีปรากฏการณ์แสงอิ่มตัว (light saturation) ขณะที่พืชซี 3 มี กล่าวคือ เมื่อเพิ่ม ความเข้มของแสง (light intensity) อัตราการสังเคราะห์แสงของพืชซี 4 เพิ่มขึ้นตามไปด้วย แม้จะเพิ่ม ความเข้มของแสงจนเต็มที่ขณะที่พืชซี 3 มีอตั ราการสังเคราะห์แสงเพิม่ ขึ้นตามไปสูงสุ ดเมื่อความเข้ม ของแสงเท่ากับ 4,000 ถึง 5,000 ฟุต-แคนเดิลเท่านั้น การเพิ่มขึ้นมากกว่านี้ไม่ทาำ ให้อตั ราการสังเคราะห์ แสงของพืช C3 เพิ่มขึ้นอีก 2.3 พืชซี 4 สามารถสังเคราะห์แสงที่อุณหภูมิสูงได้ดีกว่าพืชซี 3 เพราะที่อุณหภูมิสูงเอนไซม์รูบิ สโคออกซิจีเนสจะทำางานได้มากกว่าเอนไซม์รูบิสโคคาร์ บอกซิเลส และอุณหภูมิที่สูงขึ้นจะทำาให้ ความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศลดลง มีความแตกต่างของความชื้นระหว่างใบกับในบรรยากาศมากขึ้น ำ ่มมากขึ้นด้วย ดังนั้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นพืชซี 3 จะเกิดการหายใจเชิงแสง ทำาให้พืชมีการสูญเสี ยน้าเพิ ทำาให้ประสิ ทธิภาพของการสังเคราะห์แสง และประสิ ทธิ ภาพของการใช้นาลดลง ้ำ ซึ่งในสภาวะเช่นนี้ พืช ำ ้ งแต่ 20 องศาเซลเซียสลงไป ซี 4 สังเคราะห์แสงได้มากกว่าพืชซี 3 เป็ น 2 เท่า แต่สภาวะที่มีอุณหภูมิต่าตั ไม่มีความแตกต่างกัน 3. ไม่ มีปรากฏการณ์ วาร์ เบิร์กเอฟเฟก (Warburg effect) เป็ นปรากฏการณ์ที่เมื่อเพิ่ม O2 ให้สูงขึ้น จะทำาให้อตั ราการสังเคราะห์แสงลดลง ปรากฏการณ์น้ ีไม่พบในพืชซี 4 แต่พบในพืชซี 3

การสังเคราะห์แสง 67

4. มีCO2 คอมเพนเซชันพอยต์ (CO2 compensation point) ต่าำ กล่าวคือมีปริ มาณ CO2 ใน บรรยากาศที่ทาำ ให้ปริ มาณ CO2 ที่พืชดูดเข้าไปในกระบวนการสังเคราะห์แสงเท่ากับปริ มาณ CO2 ที่พืช ปลดปล่อยออกมาจากกระบวนการหายใจ (อัตราการสังเคราะห์แสงเท่ากับอัตราการหายใจ) ภาวะเช่นนี้ จะไม่มีการแลกเปลี่ยนแก๊ส บรรยากาศ อยูใ่ นสภาพปิ ด (closed atmosphere) หรื ออาจกล่าวได้วา่ CO2 คอมเพนเซชันพอยต์ คือความเข้มข้นของ CO2 ที่ทาำ ให้อตั ราการสังเคราะห์แสงเป็ นศูนย์ ำ าพืชซี3 เพราะในภาวะที่บรรยากาศมีปริ มาณ CO2 เพียง พืชซี 4 มีCO2 คอมเพนเซชันพอยต์ต่ากว่ 50 พีพีเอ็ม พืชซี3 จะไม่เกิดกระบวนการสังเคราะห์แสงแต่พืชซี 4 ยังคงเกิดกระบวนการสังเคราะห์แสง ทั้งนี้เพราะเอนไซม์เพปคาร์บอกซิเลสมีความสามารถเร่ งปฏิกิริยาการรวมตัวระหว่างสารเริ ่ มต้น (เพป)กับ CO2 ได้ดีกว่าเอนไซม์รูบิสโคคาร์ บอกซิเลส

ภาพที่ 5.26 ปัจจัยทางอุณหภูมิ และความเข้มของแสงที่มีผลต่อ การสังเคราะห์แสงในพืชซี 3 และซี 4 ที่มา : Moore et al. 1995. p.157 ประโยชน์ ของกระบวนการหายใจเชิงแสง การหายใจเชิงแสงมีประโยชน์ดงั นี้ 1. เป็ นกลไกหนึ่งที่ช่วยสร้างโปรตีนให้กบั พืช 2. เป็ นกลไกที่ช่วยพืชไม่ให้สร้างคาร์โบไฮเดรตมากเกินไป เพราะถ้าคาร์ โบไฮเดรตมีมากเกินไป จะมีผลทำาให้อตั ราการสังเคราะห์แสงลดลง 3. เป็ นกลไกที่ช่วยทำาลาย ATP ที่มากเกินไปและลดกำาลังจากปฏิกิริยาการใช้แสงลงเพื่อป้ องกัน ไม่ให้หน่วยสังเคราะห์แสงถูกทำาลายในภาวะที่มีความเข้มของแสงสูง และมีความเข้มของ CO2 ต่าำ

68 พฤกษศาสตร์

ความแตกต่ างของพืชซี 3, พืชซี4 และพืชแคม พืชซี3, พืชซี4 และพืชแคมมีรูปแบบการสร้างอาหารแตกต่างกัน ดังตาราง

การสังเคราะห์แสง 69

70 พฤกษศาสตร์

การสังเคราะห์แสง 71

72 พฤกษศาสตร์

การสังเคราะห์แสง 73

74 พฤกษศาสตร์

ปัจจัยทีม่ ีอทิ ธิพลต่ อการสังเคราะห์ แสง ปั จ จั ย ที่ มี อิ ท ธิ พ ล ต่ อ ก า ร สั ง เ ค ร า ะ ห์ แ ส ง ป ร ะ ก อ บ ด้ ว ย 2 ปั จ จั ย ใ ห ญ่ ดั ง นี้ คื อ 1. ปัจจัยภายใน เป็ นปัจจัยอันเนื่องมาจากลักษณะโครงสร้างของพืชเอง ได้แก่ 1.1 โครงสร้ างของใบ เช่นความหนาของชั้นคิวทิเคิล การมีไตรโคม การเรี ยงตัวของเซลล์ใน เนื้อเยือ่ มีโซฟิ ลล์ ตลอดจนขนาด ตำาแหน่ง และคุณสมบัติของปากใบเหล่านี้ เป็ นสิ่ งที่มีอิทธิ พลต่อ ปริ มาณ CO2 และความเข้มของแสงที่จะเข้าไปถึงคลอโรพลาสต์ ใบที่มีแพลิเซดมากกว่า 1 ชั้นจะสามารถดักเก็บพลังงานแสงได้มากกว่าที่มีแพลิเซดน้อยกว่า ถัดจากชั้นแพลิเซดลงไปเป็ นชั้นเซลล์สปองจี ซึ่งมีรูปร่ างแตกต่างกันมากมาย เซลล์เหล่านี้เรี ยงตัวกัน ำ หลวมๆทำาให้เกิดช่องว่างระหว่างเซลล์ขนาดใหญ่มีน้าและอากาศบรรจุ อยูเ่ ป็ นจำานวนมาก จึงมีผิวสัมผัส ำ ระหว่างน้าและอากาศอยู ม่ ากมาย มีผลให้แสงแตกกระจายได้มากขึ้น แสงที่แตกกระจายในมีโซฟิ ลล์ ทำาให้ผิวใบด้านล่างมีสีจางกว่าผิวใบด้านบน แสงที่แตกกระจายออกจากเซลล์หนึ่งจะมีโอกาสถูกดูด กลืนโดยเซลล์ที่อยูใ่ กล้เคียงกัน คุณสมบัติที่ ตรงกันข้ามระหว่างแพลิเซดกับเซลล์สปองจี มีผลให้การดูด ำ กลืนแสงไว้สม่าเสมอตลอดทั ้ งใบ 1.2 จำานวนคลอโรพลาสต์และลักษณะการเรี ยงตัวในเซลล์ของใบ ถ้ามีจาำ นวนคลอโรพลาสต์ มากก็จะช่วยให้เกิดการสังเคราะห์แสงได้มาก และถ้าคลอโรพลาสต์มีการเรี ยงตัวกระจายขนานไปกับผิว ใบ จะดูดกลืนแสงได้ดีที่สุด 1.3 ปริ มาณอาหารสะสมที่ได้จากกระบวนการสังเคราะห์แสง ถ้าเซลล์ได้รับสารอาหารจาก กระบวนการสังเคราะห์แสงเพิม่ มากขึ้น อัตราการสังเคราะห์แสงจะลดลง เพราะในเวลากลางวันพืช ำ สร้างแป้ งเก็บไว้ที่คลอโรพลาสต์ แต่ถา้ พืชสร้างน้าตาลในอั ตราที่สูงกว่าที่นาตาลจะเปลี ้ำ ่ยนเป็ นแป้ ง ำ น้าตาลที ่มากเกินนี้จะทำาให้อตั ราการสังเคราะห์แสงช้าลง ำ วโพรโทพลาซึมก็ยงั มีการสูญเสี ยน้าำ 1.4 ส่วนประกอบของโพรโทพลาซึม ถ้าเซลล์ขาดน้าแล้ อีก อัตราการสังเคราะห์แสงจะลดลง นอกจากนี้ยงั ส่ งผลกระทบต่อเอนไซม์ ซึ่งจะกระทบต่ออัตราการ สังเคราะห์แสงทางอ้อมด้วย 1.5 การจัดเรี ยงตัวและการเคลื่อนไหวของใบ ถ้าพืชมีการจัดเรี ยงตัวของใบ ตั้งฉากกับแสง และไม่มีการเคลื่อนไหว ใบพืชจะดูดกลืนแสงได้มากในช่วงเวลาสั้นๆของ แต่ละวันเท่านั้น แต่พืชบาง ชนิดสามารถเคลื่อนไหวใบไปตามแสงที่เรี ยกว่า การดักแสง (solar tracking) ใบพืชชนิดนี้ จะมีการ เคลื่อนไหวของใบไปตามการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์ในความเร็ วที่พอเหมาะ กล่าวคือจะมีตาำ แหน่ง ของใบอยูแ่ นวดิ่งในเวลาดวงอาทิตย์ตก โดยหันหน้าใบไปทางทิศตะวันตก ส่ วนเวลากลางคืนใบจะอยู่ แนวนอน และจะหันผิวหน้าใบไปทางทิศตะวันออกในเวลาเช้าเมื่อดวงอาทิตย์ข้ึ น เช่น แอลฟัลฟา ฝ้ าย พืชตระกูลถัว่ เป็ นต้น

การสังเคราะห์แสง 75

พืชบางชนิดมีโคนก้านใบป่ อง (pulvinus) ซึ่งประกอบด้วยมอเตอร์ เซลล์ (motor cell)ที่ทาำ ให้เกิด แรงกลช่วยให้เกิดการเคลื่อนที่ของใบ การเคลื่อนไหวเบนตามแสง (heliotropism)ของพืช โดยใบพืชบางชนิดเคลื่อนที่เบนขวางแสง (diaheliotropism) แต่ใบพืชบางชนิดเบนหนีแสง (paraheliotropism) เพราะฉะนั้นจะเห็นได้ว่า ปั จจัยภายในทั้ง 5 ประการ รวมทั้งเอนไซม์มีผลทำาให้ความสามารถใน การสั ง เคราะห์ แ สงของพื ช ต่ า งชนิ ด (species) ต่ า งกัน เมื่ อ เจริ ญเติ บ โตในสิ่ ง แวดล้อ มเดี ย วกัน 2. ปัจจัยภายนอก หรื อปัจจัยทางสิ่ งแวดล้อมของพืช ได้แก่ ำ 2.1 แสง มีอิทธิพลต่อการสังเคราะห์แสงด้านความเข้มของแสง พบว่าแสงที่มีความเข้มต่าจะ ทำาให้ประสิ ทธิภาพการสังเคราะห์แสงดีข้ ึน ในกรณี ที่อุณหภูมิพอเหมาะมี CO2 เพียงพอ อัตราการ สังเคราะห์แสงจะเพิ่มขึ้นเมื่อความเข้มของแสงเพิ่มขึ้นจนถึงจุดหนึ่ง เรี ยก ความเข้มแสงที่เหมาะสม (optimum light intensity) คือประมาณ 2,000-3,000 ฟุต-แคนเดิล (foot-candle) แต่ถา้ ความเข้มของแสง สูงกว่า 2,000 ฟุต-แคนเดิล อัตราการสังเคราะห์แสงไม่เพิม่ ขึ้นแสดงว่าความเข้มของแสงจำากัดปริ มาณ CO2 หรื อจำากัดอัตราการสังเคราะห์แสง ทั้งนี้เพราะเอนไซม์ไม่สามารถเร่ งปฏิกิริยาคาร์ บอกซิเลชันได้ และความเข้มของแสงที่มากเกินจะทำาให้เกิดโฟโตออกซิเดชันของสารสี ที่ใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ แสง ทำาให้ใบไหม้เนื่องจากสูญเสี ยคลอโรฟิ ลล์ ความเข้มของแสงที่ทาำ ให้ลกั ษณะและคุณสมบัติของ คลอโรฟิ ลล์เสี ยไปมีค่าประมาณ 8,000-10,000 ฟุต-แคนเดิล ซึ่งความเข้มของแสงในบริ เวณที่แห้งแล้ง มักมีค่าสูงกว่าความเข้มแสงที่เหมาะสมสำาหรับการเกิดกระบวนการสังเคราะห์แสงของพืชทัว่ ๆไปหลาย ชนิด ปรากฏการณ์ที่อตั ราการสังเคราะห์แสงสู งขึ้น เมื่อเพิ่มความเข้มของแสงจนถึงจุดๆหนึ่งที่เมื่อ เพิ่มความเข้มของแสงแล้วอัตราการสังเคราะห์แสงไม่เพิ่มตามไปด้วย เรี ยกปรากฏการณ์น้ ีวา่ จุดที่แสง ำ าพืชซี 4) อิ่มตัว (light saturation point-lsp) ซึ่งพืชแต่ละชนิดจะมีค่า lsp ไม่เท่ากัน (พืชซี3 มี lsp ต่ากว่ ความเข้มของแสงที่ทาำ ให้อตั ราการสังเคราะห์แสงเท่ากับศูนย์จะทำาให้อตั ราการสังเคราะห์แสง เท่ากับอัตราการหายใจ เรี ยกจุดนี้วา่ ไลท์คอมเพนเซชันพอยต์ (light compensation point) ำ นไปจะส่ งผลกระทบต่อการทำางานของเอนไซม์ หรื อ 2.2 อุณหภูมิ อุณหภูมิสูงหรื อต่าเกิ เอนไซม์น้ นั อาจถูกทำาลายไป โดยอุณหภูมิที่เหมาะสมสำาหรับการทำางานของเอนไซม์อยูร่ ะหว่าง 30-35 องศาเซลเซียส นอกจากนี้อุณหภูมิยงั มีผลทางอ้อมด้วย คือถ้าอุณหภูมิสูงประมาณ 40-50 องศาเซลเซียส ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิที่เหมาะสมสำาหรับการสังเคราะห์แสงจะทำาให้อตั ราการสังเคราะห์แสงลดลงอย่าง ำ รวดเร็ ว เพราะพืชจะนำาแป้ งและน้าตาลจากกระบวนการสั งเคราะห์แสงมาใช้ในการหายใจ

76 พฤกษศาสตร์

2.3 ออกซิเจน ถ้ามีในบรรยากาศมากเกินไปจะลดอัตราการสังเคราะห์แสง (ออกซิเจนสูง ประมาณ 21% ถ้ามีมาก 60-70% พืชอาจเกิดการสังเคราะห์แสงไม่ได้เลย แต่เมื่อออกซิเจนลดลง อัตรา การสังเคราะห์แสงจะเพิ่มขึ้น) เพราะออกซิเจนจะดึงตัวรี ดกั แตนต์ที่ได้ในปฏิกิริยาแสง ปรากฏการณ์ที่ ออกซิเจนลดอัตราการสังเคราะห์แสงนี้ เรี ยกว่า วาร์ เบิร์กเอฟเฟก 2.4 คาร์ บ อนไดออกไซด์ จะแพร่ ผ่ า นปากใบเข้า สู่ ภ ายในใบและเข้า ไปยัง สโตรมาของ คลอโรพลาสต์ในรู ปของสารละลาย เพราะที่ผนังเซลล์ของแพลิเซด และ เซลล์สปองจีจะมีนาเป็ ้ ำ นองค์ ประกอบอยู่ ซึ่งบรรยากาศจะเป็ นแหล่งให้คาร์ บอนไดออกไซด์ โดยปริ มาณของคาร์ บอนไดออกไซด์ใน บรรยากาศจะมีอยูป่ ระมาณ 0.04% ซึ่งเดิมปริ มาณของคาร์ บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศจะคงที่ เพราะ มีความสมดุลระหว่างการสังเคราะห์แสงของพืชกับการหายใจของสัตว์ และการเผาผลาญเชื้ อเพลิง ซึ่ ง เพี ย งพอที่ พืช ทั่ว โลกจะใช้ใ นกระบวน การสังเคราะห์ แ สง แต่ ปี ค.ศ. 1958 เริ่ ม พบว่า ปริ ม าณของ คาร์ บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศสู งขึ้ นปี ละประมาณ 1 พีพีเอ็ม (ppm) เนื่ องจากการเจริ ญเติบโตทาง อุตสาหกรรม การเปลี่ยนสภาพจากชนบทเป็ นเมือง และการตัดไม้ทาำ ลายป่ า โดยแต่ละปี จะมีปริ มาณ ำ ดในเดื อนตุ ลาคม ปั จจุ บนั ปริ มาณของ ของคาร์ บอนไดออกไซด์สูงสุ ดในเดื อนพฤษภาคม และต่าสุ คาร์ บอนไดออกไซด์ ใ นบรรยากาศจึ งเพิ่ ม ขึ้ นมากกว่ า 10% อย่ า งไรก็ ต ามปริ มาณของ คาร์ บอนไดออกไซด์ที่ทาำ ให้อตั ราการสังเคราะห์แสงเพิ ่มขึ้ นสู งสุ ดนั้นขึ้นอยู่กบั ปั จจัยอื่ นๆอีกหลาย ประการ เช่ น ชนิ ด ของพื ช พื ช ชนิ ด เดี ย วกัน ถ้า ปลู ก ในที่ ที่ มี ค วามเข้ม ของแสงสู ง จะต้อ งการ ค า ร์ บ อ น ไ ด อ อ ก ไ ซ ด์ ม า ก ก ว่ า พื ช ที่ ป ลู ก ใ น ที่ ที่ มี ค ว า ม เ ข้ ม ข อ ง แ ส ง ต่ าำ ก ว่ า เ ป็ น ต้ น ได้มกี ารทดลองเพิม่ ปริมาณของคาร์บอนไดออกไซด์จาก 0.03% เป็ น 0.05% ในภาวะทีอ่ ณ ุ หภูมิ และ ความเข้มของแสงปกติ พบว่าอัตราการสังเคราะห์แสงเพิม่ ขึ้นในช่วงเวลาหนึ่งเท่านัน้ แต่เมือ่ ระยะเวลานานขึ้น (10 วันติดต่อกัน) พืชเกิดอันตรายและพบว่าเมือ่ ปริมาณของคาร์บอนไดออกไซด์เพิม่ สูงถึง 10,000 พีพเี อ็ม จะ ไปขัดขวางการทำางานของไซโทโครมซี และทำาให้ปากใบปิ ดด้วย แต่ถา้ มีปริ มาณของคาร์บอนไดออกไซด์ น้ อ ยเกิ น ไป พบว่ า มี ก ารสร้ า ง ไกลโคเลต ซึ่ งเป็ นสารมัธ ยัน ต์ ใ นวัฏ จั ก รซี 3 จำา นวนมาก ำ ผ่านจากดินเข้าสู่ เซลล์ขนราก และจะถูกลำาเลียงไปตามท่อน้าจนถึ ำ งใบเพื่อใช้ 2.5 น้าำ น้าแพร่ ำ นแหล่ งให้อีเล็กตรอนในการสร้ า งสาร เป็ นสารเริ่ ม ต้น ในกระบวนการสังเคราะห์ แสง เพราะน้าเป็ รี ดกั แตนต์ในปฏิกิริยาแสง นอกจากนี้ ยงั ทำาให้โพรโทพลาซึ มของเซลล์มีความชุ่ มชื้ น ซึ่ งมีผลต่อการ ทำางานของเอนไซม์ชนิดต่างๆในกระบวนการสังเคราะห์แสง แต่นาไม่ ้ ำ ใช่สารจำากัดอัตราการสังเคราะห์ แสง ยกเว้นกรณี ที่พืชขาดน้าำ พืชจะปิ ดปากใบ คาร์ บอนไดออกไซด์จะแพร่ เข้าใบได้นอ้ ยลง มีผลทำาให้ อั ต ร า ก า ร สั ง เ ค ร า ะ ห์ แ ส ง ล ด ล ง แ ล ะ ถ้ า พื ช ข า ด น้าำ เ ป็ น เ ว ล า น า น พื ช จ ะ ต า ย 2.6 ธาตุอาหาร ธาตุอาหารหลายชนิดเป็ นองค์ประกอบที่สาำ คัญของสารสี ที่ใช้ในกระบวนการ สังเคราะห์แสง เช่น Mg เป็ นองค์ประกอบของโมเลกุลคลอโรฟิ ลล์ Fe เป็ นองค์ประกอบของโมเลกุล ไ ซ โ ท โ ค ร ม Mn แ ล ะ Cl จำา เ ป็ น ต่ อ ป ฏิ กิ ริ ย า ก า ร แ ต ก ตั ว ข อ ง น้าำ

การสังเคราะห์แสง 77

2.7 อายุใบพืช ใบพืชที่เจริ ญเต็มที่ จะมีอตั ราการสังเคราะห์แสงดี กว่าใบอ่อน และใบแก่ เ พ ร า ะ ใ บ อ่ อ น ค ล อ โ ร ฟิ ล ล์ ยั ง มี จำา น ว น น้ อ ย ส่ ว น ใ บ แ ก่ เ ต็ ม ที่ ก ร า น า จ ะ ส ล า ย ตั ว ก า ร วั ด อั ต ร า ก า ร สั ง เ ค ร า ะ ห์ แ ส ง การวัด อั ต ราการสั ง เคราะห์ แ สงสามารถทำา ได้ ห ลายวิ ธี แต่ โ ดยทั่ ว ไปจะวั ด ปริ มาณ คาร์ บอนไดออกไซด์ที่พืชดูดเข้าไปในใบ หรื อปริ มาณออกซิเจนที่พืชคายออกมาต่อหนึ่ งหน่ วยพื้นที่ต่อ หนึ่ งหน่ วยเวลา ปริ มาณคาร์ บอนไดออกไซด์ที่วดั ได้เป็ นปริ มาณคาร์ บอนไดออกไซด์ที่หักปริ มาณ คาร์ บอนไดออกไซด์ที่ใช้ไปในการหายใจ ค่าที่ วดั ได้เรี ยกว่า แอพพาเรนต์โฟโทซิ นที ซิส (apparent photpsynthesis) หรื อการสั ง เคราะห์ แ สงสุ ท ธิ (net photpsynthesis) ซึ่ งจะมี ค่ า น้ อ ยกว่ า อัต ราการ สังเคราะห์แสงที่แท้จริ ง โดยค่าอัตราการสังเคราะห์แสงที่แท้จริ งจะเท่ากับค่าแอปพาเรนต์โฟโทซินทีซิส รวมกับ อัต ราการหายใจ เมื่ อ อัต ราการสั ง เคราะห์ แ สงเท่ า กับ ศู น ย์ (ที่ ไ ลท์ค อมเพนเซชัน พอยต์ ) 1. บั บ เ บิ ล เ ค า น์ ทิ ง (bubble counting) ำ ่ มี เป็ นการวัดโดยการนับฟองอากาศของออกซิ เจนที่ ผุดขึ้ นมาจากส่ วนของพืชที่ จมอยู่ในน้าที ส า ร ล ะ ล า ย ด่ า ง เ จื อ จ า ง อ ยู่ เ ล็ ก น้ อ ย ต่ อ ห น่ ว ย เ ว ล า 2. ม า โ น มิ เ ต อ ร์ (manometer) ใ ช้ ว า ร์ เ บิ ร์ ก แ อ พ พ า ร า ทั ส (warburg apparatus) 3. วัดปริมาณคาร์ บอนไดออกไซด์ ที่พชื ดูดเข้ าใปในใบ โดยให้คาร์ บอนไดออกไซด์กบั พืชที่อยูใ่ น ครอบแก้ว แล้ววัดคาร์ บอนไดออกไซด์ที่เหลือโดยวัดอิ นฟาร์ เรดแอบซอร์ ปชัน (infarred absorption) สรุ ป

กระบวนการสังเคราะห์แสงเป็ นกระบวนการที่ สาำ คัญสำา หรั บการอยู่รอดของสิ ่ งมีชีวิตทั้งพืช และสัตว์ โดยพืช จะเป็ นสิ่ งมี ชีวิตกลุ่ม ใหญ่ ที่ สามารถนำา พลังงานแสงจากดวงอาทิ ต ย์ซ่ ึ งเป็ นแหล่ ง พลังงานที่ใหญ่ที่สุดของโลกมาใช้ได้โดยการเปลี่ยนรู ปจากพลังงานแสงเป็ นพลังงานเคมี กระบวนการ ดังกล่าวมี CO2, H2O, แสงและสารสี เป็ นองค์ประกอบที่ สาำ คัญ องค์ประกอบเหล่านี้ จะทำาให้เกิดการ เปลี่ยนแปลงในขั้นตอนใหญ่ๆ 2 ขั้นตอนคือขั้นตอนของปฏิกิริยาแสงและขั้นตอนของปฏิกิริยามืด โดย ในขั้นตอนของปฏิกิริยาแสงจะเป็ นขั้นตอนของการดูดจับพลังงานแสงและเปลี่ยนให้อยู่ในรู ปพลังงาน เคมีเพื่อให้ได้ ATP และ NADP+ H+ สำาหรับใช้ในการรี ดิวซ์ CO2 ในปฏิกิริยามืดให้เป็ นสารประกอบ ำ ประเภทน้าตาลในกระบวนการสั งเคราะห์แสงซึ่ งเป็ นกระบวนการที่สาำ คัญสำาหรับสิ ่ งมีชีวิตทุกชนิ ดใน โลก เพราะเป็ นเพียงวิถีทางเดียวที่สิ่งมีชีวิตสามารถนำาพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ซ่ ึงเป็ นแหล่งพลังงาน ใหญ่ที่สุดของโลกมาใช้ได้ นอกจากนี้ กระบวนการดังกล่าวยังก่อให้เกิ ดผลดี กบั บรรยากาศของโลก กล่ า วคื อ ให้แ ก๊ ส ออกซิ เ จนที่ สิ่ ง มี ชี วิ ต อื่ น สามารถนำา ไปใช้เ พื่ อ การดำา รงชี วิ ต ต่ อ ไป ดัง นั้น ถ้า หาก ก ร ะ บ ว น ก า ร สั ง เ ค ร า ะ ห์ แ ส ง ห ยุ ด ช ะ งั ก ล ง ย่ อ ม มี ผ ล ก ร ะ ท บ ต่ อ สิ่ ง มี ชี วิ ต อื่ น ด้ ว ย

78 พฤกษศาสตร์

กิ

จ ก ร ร ม ท้ า ย บ ท 1.บทปฏิบัติการสรีรวิทยา การสังเคราะห์แสงของพืชเป็ นกระบวนการทางเคมีแสงและชีวเคมีที่เปลี่ยนแสงเป็ นพลังงานที่ สะสมอยูใ่ นรู ปของสารเคมี ซึ่งต้องประกอบด้วยหลายองค์ประกอบ (มนตรี เพชรทองคำา, 2531, หน้า ำ 251-262) ได้แก่ สารสี แสง น้าและคาร์ บอนไดออกไซด์ สารสี ที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสงสามารถแบ่งออกได้เป็ น 3 ประเภท คือ คลอโรฟิ ลล์ แคโรทีนอยด์และไฟโคบิลิน แต่ละชนิดมีสีแตกต่างกันและทำาหน้าที่ในการสังเคราะห์แสงต่างกัน โดย ทัว่ ไปสารสี ดงั กล่าวจะสามารถรับพลังงานแสงได้และสามารถส่ งพลังงานดังกล่าวไปใช้ใน กระบวนการทางชีวเคมีได้ท้ งั ทางตรงและทางอ้อม เราสามารถแยกสารสี ออกจากใบพืชได้หลายวิธี แต่ วิธีที่ง่ายและทำาได้ผลในเวลาจำากัดคือ แยกโดยกระดาษ โครมาโตกราฟฟี (paper chromatography) ซึ่ง สามารถแยกสารสี สีต่างๆได้ชดั เจนอย่างน้อย 3-4 ชนิด วัตถุประสงค์ 1. ให้ผปู้ ฏิบตั ิสามารถตรวจสอบปัจจัยต่าง ๆ ที่มีผลต่อการสังเคราะห์แสงของพืชได้ 2. ให้ผปู้ ฏิบตั ิสามารถแยกสารสี สีต่าง ๆ ออกจากใบพืชได้ 1.1 เรื่องอิทธิพลของแสงและ CO2 ต่ อการสั งเคราะห์ แสง วัสดุอุปกรณ์ 1. หลอดทดลองขนาดกว้างประมาณ 150 มม. 4 หลอด ำ น่ หรื อน้าประปา ำ 2. น้ากลั 3. สารละลายฟี นอลเรด (หน้า henol red )10 มล.

4. สาหร่ ายหางกระรอก 5. ตูม้ ืด 1 ตู้ 6. ชั้นวางหลอดทดลอง 1 อัน 7. แสงแดดหรื อโคมไฟฟ้ าให้แสง 8. สารละลาย HCL 0.1 N 10 ml.

9. สารละลาย NaOH 0.1 N 20 ml.

10. นาฬิกาจับเวลา 11. หลอดกาแฟหรื อปิ เปตต์ 1 หลอด วิธีการศึกษา ำ 1. เติมน้าลงในหลอดทดลองทั ้ ง 4 หลอดๆละประมาณครึ่ งหนึ่ง

การสังเคราะห์แสง 79

2. เติมสารฟี นอลเรดลงในสารละลายในหลอดทดลอง หลอดละประมาณ 2-3 หยด ถ้าสารละลาย(น้า)ำ เปลี่ยนเป็ นสี ชมพูสารละลายจะมีฤทธิ์ เป็ นด่าง ถ้าสารละลายเปลี่ยนเป็ นสี เหลือง สารละลายจะมีฤทธิ์เป็ นกรด 3. ทำาสารละลายในหลอดทดลองทั้ง 4 หลอด ให้มีฤทธิ์ เป็ นด่าง โดยเติม สารละลาย NaOH 0.1 N (ทีละหยด) จนกระทัง่ สารละลายเปลี่ยนเป็ นสี ชมพู 4. เขียนข้างหลอดทดลองที่ 1 ว่า A1 หลอดทดลองที่ 2 ว่า A2 หลอดทดลองที่ 3 ว่า B1 หลอดทดลองที่ 4 ว่า B2 5. เป่ าอากาศลงในสารละลายของหลอด A1 และ A2 จนกระทัง่ สารละลาย เปลี่ยนเป็ นสี เหลือง 6. เลือกสาหร่ ายหางกระรอกที่มีลกั ษณะคล้ายคลึงกันมาใส่ ลงในหลอดทดลอง ทั้ง 4 หลอด ๆ ละ 1 ท่อน (ความยาวของสาหร่ ายหางกระรอกให้พอดี กบั ความสู งของสารละลายใน ห ล อ ด ท ด ล อ ง ) 7. นำาหลอดทดลองที่ A1 และ B1 (สี เหลืองและสี ชมพู) ไปไว้ในที่ที่มีแสงและ นำาหลอดทดลอง A2 และ B2 ไว้ ในที่มืด(ตูม้ ืด) 8. จับเวลาที่เริ่ มการทดลอง (เริ่ มเมื่อนำา หลอดทดลองไปไว้ในที่ มีแสงและใน ตู ้ มื ด ) 9. บันทึกเวลาสิ้ นสุ ดการทดลอง (สิ้ นสุ ดเมื่อสารละลายในหลอดทดลองหลอด ใ ด ห ล อ ด ห นึ่ ง เ ป ลี่ ย น สี ) ดั ง นี้ 9.1 สารละลาย (น้า)ำ ที่เติมฟี นอลเรด มีสี………… เวลาที่ใช้ในการทดลอง…………….. นาที 9.2 สารละลายในหลอด A1 เปลี่ยนเป็ นสี ………..…

9.3 สารละลายในหลอด A2 เปลี่ยนเป็ นสี ……………

9.4 สารละลายในหลอด B1 เปลี่ยนเป็ นสี ……………

9.5 สารละลายในหลอด B2 เปลี่ยนเป็ นสี …………… คำาถาม 1. สารละลาย (น้า)ำ เริ่ มต้นมีฤทธิ์ เป็ นกรดหรื อด่างเพราะเหตุใด 2. การเป่ าอากาศลงในหลอดทดลอง A1 และ A2 เพื่ออะไร 3. สารละลายในหลอดทดลอง A1 และ B1 เปลี่ยนสี หรื อไม่ เพราะเหตุใด 4. สารละลายในหลอดทดลอง A2 และ B2 เปลี่ยนสี หรื อไม่ เพราะเหตุใด 5.ถ้าหากระยะเวลาการทดลองนานออกไป เช่น ประมาณ 2 วัน และมีสภาพการ ทดลองตามข้อ 7 ท่านคิดว่าสารละลายในหลอดทดลอง A2 และ B2 จะเปลี่ยนสี อะไร เพราะอะไร

80 พฤกษศาสตร์

1.2 อิทธิพลของรงควัตถุต่าง ๆ ต่ อการสั งเคราะห์ แสง วัสดุอุปกรณ์ 1. ใบพืชที่มีสีต่าง ๆ กัน (เช่นใบโกศลหรื อใบฤาษีผสม) จากต้นพืชที่ปลูกไว้ใน ที่ มี แ ส ง ำ น่ หรื อน้าประปา ำ 2. น้ากลั ำ อถาดอลูมิเนียมขนาดประมาณ 1x1 ฟุต 1 ใบ 3. อ่างน้าหรื 4. เมธิ ลแอลกอฮอลล์ ห รื ออซิ โตนหรื อเอธิ ลแอลกอฮอลล์ 200 มล.

5. บิกเกอร์ขนาด 1,000 มล. 2 ใบ 6. เพตริ ดิช (petridish) 1 คู่ 7. สารละลาย I2/KI 8. เตาความร้อน (hotplate) หรื อเตาแก๊ส 1 ชุด วิธีการศึกษา 1. เด็ดใบพืชตัวอย่างจากต้นพืชที่ปลูกไว้ในที่มีแสงจำานวน 1 ใบ 2. วาดรู ป ใบพื ช ตัว อย่า งพร้ อ มทั้ง แสดงตำา แหน่ ง ของสี ต่ า ง ๆ ที่ เ ห็ น บนใบ 3. นำา ใบพื ช ไปต้ม ในน้าำ เดื อ ดประมาณ 2-3 นาที แล้ว นำา ขึ้ นจากน้าำ เดื อ ด 4. นำาใบพืชที่ตม้ แล้วไปต้มในแอลกอฮอลล์ (นำาแอลกอฮอลล์ใส่ ลงในบิกเกอร์ ำ อด อย่านำาบิกเกอร์ ที่มีแอลกอฮอลล์ไปวางบนเตาไฟที่มีเปลวเพราะจะทำาให้ แล้วนำาลงไปวางในอ่างน้าเดื แ อ ล ก อ ฮ อ ล ล์ ติ ด ไ ฟ ไ ด้ ) 5. นำาใบพืชไปวางแผ่ลงในเพรตริ ดิช 6. หยดสารละลาย I2/KI ลงบนใบพืช 3-4 หยด จนทัว่ ใบ 7. สังเกตสี ที่เกิดขึ้นบนใบพืช 8. บันทึกผลการศึกษา และวาดรู ปของใบตัวอย่าง หลังการทดลองเปรี ยบเทียบ กั บ รู ป ใ บ ตั ว อ ย่ า ง ก่ อ น ก า ร ท ด ล อ ง ดั ง นี้ 8.1 วาดรู ปใบพืชตัวอย่างพร้อมทั้งแสดงตำาแหน่งของสี ต่างๆบนใบ ก่อนการทดลอง

หลังการทดลอง

8.2 บันทึกสี ของใบพืชที่เปลี่ยนไปลงในตาราง

การสังเคราะห์แสง 81

ก่ อนการทดลอง สี เขียว

หลังการทดลอง

สี เหลือง สี ชมพู สี ……… สี ……… สี ………

1.3 อิทธิพลของแสงต่ อการสั งเคราะห์ แสง วัสดุอุปกรณ์ 1. ใบพืชสดชนิดเดียวกับที่ใช้ในการทดลองที่ 2 แต่ตอ้ งเก็บมาจากต้นที่ปลูกใน ที่ มื ด เ ป็ น เ ว ล า 3-7 วั น 2. วัสดุอุปกรณ์อื่นๆที่ใช้ร่วมกับการทดลองที่ 2 วิธีการศึกษา 1. นำาใบพืชที่ได้จากที่มืดไปทำาการทดลองเช่นเดียวกับการทดลองที่ 2 (ควร ทำาการทดลองทั้ง 2 พร้อมกัน เพื่อลดเวลาที่ใช้ในการทดลอง และควรทำาเครื่ องหมายไว้ที่ใบ เช่นตัด ำ อด แล้วต้มในแอลกอฮอล์ และ ปลายใบพืชที่มาจากที่มีดอกเล็กน้อย เป็ นต้น) แล้วจึงนำาไปต้มในน้าเดื ทดสอบด้วยสารละลาย I2/ KI ตามลำาดับพร้อมกับใบพืชที่ได้จากที่มีแสง 2. บันทึกผลการทดลองดังนี้ 2.1 วาดรู ปใบพืชตัวอย่าง พร้อมทั้งแสดงตำาแหน่งของสี ก่อนการทดลอง 2.2 บันทึกสี ของใบพืชที่เปลี่ยนแปลงไป

หลังการทดลอง

82 พฤกษศาสตร์

ก่ อนการทดลอง สี เขียว

หลังการทดลอง

สี เหลือง สี ชมพู สี ……… สี ……… สี ………

1.4 การแยกสารสีสีต่างๆจากพืช วัสดุอุปกรณ์ 1. ใบพืชสดที่มีสีเขียว 1-2 กรัม 2. โกร่ งพร้อมที่บดหรื อครกไฟฟ้ าขนาดเล็ก 1 ชุด 3. แอซีโตน 10 มล.

4. สารละลายโครมาโทกราฟิ ก 20 มล.(ปี โทรเลียมอีเทอร์ ผสมกับแอซีโตน ในอัตราส่ วน 9:1) 5. กระดาษกรอง เช่น whatman #1 6. หลอดทดลองพร้อมจุกคอร์ กขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 150 มม.

7. เข็มหมุด 1 เล่ม 8. ก้านไม้ขนาดเล็กปลายแหลม 1 ก้าน 9. ที่ใส่หลอดทดลอง 1 อัน วิธีการศึกษา 1. วิธีแยกสารสี ออกจากใบพืช นำาใบพืชประมาณ 1-2 กรัมมาฉี กให้เป็ นชิ้น เล็ก ๆ แล้วบดกับแอซีโตน 5-6 มล. ให้ละเอียด สารสี ในใบพืชจะละลายอยูใ่ นแอซีโตน สารละลายนี้ เรี ยกว่าสารสกัดแอซีโตน (acetone extract)

การสังเคราะห์แสง 83

2. การเตรี ยมกระดาษโครมาโทกราฟฟี 2.1 ตัดกระดาษกรองยาวประมาณ 10 ซม. กว้าง 1 ซม. 1 แผ่น และตัดปลาย กระดาษด้านหนึ่งให้แหลม 2.2 งอเข็มหมุดแล้วปั กที่จุกคอร์ ก นำาแผ่นกระดาษกรองมาแขวนกับเข็มหมุด แล้วนำาไปใส่ในหลอดทดลอง โดยให้ปลายกระดาษกรองด้านปลายแหลม เหนือก้นหลอดทดลองขึ้นมา เล็กน้อยพร้อมกับทำาเครื่ องหมายตำาแหน่งปลายกระดาษกรองไว้ที่ขา้ งหลอดทดลอง 2.3 ใส่สารละลายโครมาโทกราฟิ กลงในหลอดทดลองในระดับผิวของสาร สูงกว่าขีดที่ทาำ เครื่ องหมายไว้ประมาณ 0.5 ซม.

3. วิธีแยกสารสี ต่างๆ 3.1 นำาก้านไม้จุ่มในสารสกัดแอซี โตน แล้วนำา มาหยดบนกระดาษกรองให้ ห่างจากปลายแหลมขึ้นมาประมาณ 1-1.5 ซม. แล้วทิ้งไว้ให้แห้ง ทำาเช่นนี้ 2-3 ครั้ง จนได้ขนาดของสาร ส กั ด แ อ ซี โ ต น ก ว้ า ง ป ร ะ ม า ณ 0.3-0.5 ซ ม .

3.2 เมื่อสารสกัดแอซี โตนแห้งบนกระดาษกรองดี แล้ว นำา มาใส่ ในหลอด ทดลอง ให้ปลายกระดาษจุ่มอยู่ในสารละลายโครมาโทกราฟิ ก แต่ให้จุดสารสกัดแอซี โตนแทรกอยู่ เหนื อระดับสารละลายโครมาโทกราฟิ กพอประมาณ นำาหลอดทดลองไปตั้งไว้ในที่ใส่ หลอดทดลองใน แ น ว ดิ่ ง ตั้ ง ต ร ง ร ะ วั ง อ ย่ า ใ ห้ ก ร ะ ด า ษ ก ร อ ง สั ม ผั ส กั บ ข้ า ง ห ล อ ด ท ด ล อ ง 3.3 ปล่อยให้สารละลายโครมาโทกราฟิ กขึ้ นมาตามกระดาษกรองจนกระทัง่ แถบสารสี ต่างๆขึ้นมาบนกระดาษกรองสู งประมาณ 5-7 ซม. นำากระดาษกรองออกจากหลอดทดลอง แ ล ะ ทิ้ ง ไ ว้ ใ ห้ แ ห้ ง 4. การบันทึกผล ให้วาดรู ปแถบสี ของสารสี สีต่างๆที่ เกิ ดขึ้ นบนกระดาษกรอง คำา ถ า ม 1. ส า ร สี ที่ เ กิ ด ขึ้ น บ น ก ร ะ ด า ษ ก ร อ ง มี กี่ ช นิ ด อ ะ ไ ร บ้ า ง 2. ส า ร สี สี ใ ด อ ยู่ สู ง สุ ด เ พ ร า ะ อ ะ ไ ร 3. ส า ร สี สี ใ ด อ ยู่ ต่าำ สุ ด เ พ ร า ะ อ ะ ไ ร 2.ให้นกั ศึกษาตอบคำาถามหรื ออธิ บายความต่อไปนี้ 2.1 จงอธิบายความหมายของกระบวนการสังเคราะห์แสง 2.2 การสังเคราะห์แสงมีความสำาคัญต่อการมีชีวิตของพืช และสิ่ งมีชีวิตอื่น อย่างไร 2.3 กระบวนการสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นได้อย่างไร 2.4 ทำาไมจึงกล่าวว่าพืชเป็ นผูส้ ร้างอากาศดีให้กบั บรรยากาศ 2.5 สารสี มีการจัดเรี ยงตัวอย่างไร

84 พฤกษศาสตร์

2.6 สารสี แต่ละชนิดมีบทบาทต่อกระบวนการสังเคราะห์แสงอย่างไร 2.7 ทำาไมพืชจึงไม่สามารถดูดจับพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ได้ทุกช่วงคลื่น 2.8 พลัง งานแสงจากดวงอาทิ ต ย์แ ต่ ล ะช่ ว งคลื่ น มี ร ะดับ พลัง งานที่ แ ตกต่ า งกัน อย่ า งไร 2.9 คลอโรฟิ ลล์แต่ละชนิดมีโครงสร้างของโมเลกุลแตกต่างกันอย่างไร 2.10 กระบวนการสร้างสารพลังงานสูงในปฏิกิริยาแสงเกิดขึ้ นได้อย่างไร 2.11 การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนแบบเป็ นวัฏจักรกับแบบไม่เป็ นวัฏจักรแตกต่างกันอย่างไร 2.12 ทำาไมการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนแบบไม่เป็ นวัฏจักรจึงเกิด ATP ได้ 2 โมเลกุล ขณะที่ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนแบบเป็ นวัฏจักรได้เพียง 1 ATP 2.13 พลังงานกระตุน้ มีบทบาทอย่างไรต่ออิเล็กตรอนในโมเลกุลของคลอโรฟิ ลล์ 2.14 ศูนย์กลางปฏิกิริยาในระบบรับแสงที่ 1 และระบบรับแสงที่ 2 ประกอบด้วยชนิดของ สารสี แตกต่างกันอย่างไร 2.15 ทำาไมจึงทราบว่าคลอโรฟิ ลล์ และแสงกลุ่มสี แดงและสี นาเงิ ้ ำ นเป็ นองค์ประกอบที่มี บทบาทต่อกระบวนการสังเคราะห์แสง 2.16 ยาฆ่าวัชพืชสามารถใช้ทาำ ลายวัชพืชได้เพราะเหตุใด 2.17 ท่านคิดว่าพลังงานที่พืชสร้างขึ้นในปฏิกิริยาแสงนั้นมีประโยชน์ต่อชีวิตอื่น อย่างไร 2.18 ปฏิกิริยามืด หมายความว่าอย่างไร 2.19 เป้ าหมายของกระบวนการสังเคราะห์แสงคืออะไร 2.20 ปฏิกิริยามืดเกิดขึ้นได้อย่างไร 2.21 กระบวนการคาร์ บ อกซิ เ ลชัน รี ด ัก ชัน และรี เ จเนอเรชัน ในวัฏ จัก รซี 3 มี ก ลไกของ ป ฏิ กิ ริ ย า แ ต ก ต่ า ง กั น อ ย่ า ง ไ ร 2.22 ทำาไมพืชที่มีการตรึ งคาร์บอนไดออกไซด์โดยวัฏจักรแคลวินจึงเรี ยกว่า พืชซี 3 2.23 สารแรกที่ได้ของวัฏจักรซี 4 คือสารใด 2.24 จงยกตัวอย่างพืชที่มีการสังเคราะห์แสงแบบ ซี 3 ซี 4 และพืชแคมมาอย่างละ 5 ชนิด 2.25 พืชแคมมีการปิ ดเปิ ดปากใบแตกต่างจากพืชซี 3 และซี 4 อย่างไร 2.26 ปากใบมีผลต่อกระบวนการสังเคราะห์แสงอย่างไร 2.27 ปฏิกิริยาแสงต่างจากปฏิกิริยามืดอย่างไร 2.28 พืชซี 3 พืชซี 4 และพืชแคมมีประสิ ทธิ ภาพในการสังเคราะห์อาหารแตกต่างกันหรื อไม่ อย่างไร 2.29 เพราะเหตุใดพืชแต่ละชนิดจึงมีรูปแบบของการตรึ งแก๊สคาร์ บอนไดออกไซด์แตกต่างกัน 2.30 การสังเคราะห์นาตาลและแป้ ้ำ งเกิดขึ้นได้อย่างไร 2.31 การวัดอัตราการสังเคราะห์แสงทำาได้อย่างไร

การสังเคราะห์แสง 85

เหตุใด

2.32 ปัจจัยใดที่มีผลต่อกระบวนการสังเคราะห์แสง 2.33 พืชมีวธิ ีการลำาเลียงอาหารที่สร้างได้อย่างไร 2.34 ท่านคิดว่ากระบวนการสังเคราะห์แสงของพืชมีประโยชน์ต่อสิ่ งมีชีวิตชนิดใดบ้าง เพราะ

2.35 ปฏิกิริยามืด หมายความว่าอย่างไร 2.36 เป้ าหมายของกระบวนการสังเคราะห์แสงคืออะไร 2.37 ปฏิกิริยามืดเกิดขึ้นได้อย่างไร 2.38 กระบวนการคาร์ บ อกซิ เ ลชัน , รี ด ัก ชัน และรี เ จเนอเรชัน ในวัฏ จัก รซี 3 มี กลไกของ ป ฏิ กิ ริ ย า แ ต ก ต่ า ง กั น อ ย่ า ง ไ ร 2.39 ทำาไมพืชที่มีการตรึ งคาร์บอนไดออกไซด์โดยวัฏจักรแคลวินจึงเรี ยกว่า พืชซี3 2.40 สารแรกที่ได้ของวัฏจักรซี 4 คือสารใด 2.41 จงยกตัวอย่างพืชที่มีการสังเคราะห์แสงแบบ ซี3, ซี4 และพืชแคมมาอย่างละ 5 ชนิด 2.42 พืชแคมมีการปิ ดเปิ ดปากใบแตกต่างจากพืชซี 3 และซี 4 อย่างไร 2.43 ปากใบมีผลต่อกระบวนการสังเคราะห์แสงอย่างไร 2.44 ปฏิกิริยาแสงต่างจากปฏิกิริยามืดอย่างไร 2.45 พืชซี3, พืชซี4 และพืชแคมมีประสิ ทธิ ภาพในการสังเคราะห์อาหารแตกต่างกันหรื อไม่ อย่างไร 2.46 เพราะเหตุใดพืชแต่ละชนิดจึงมีรูปแบบของการตรึ งแก๊สคาร์ บอนไดออกไซด์แตกต่างกัน 2.47 การสังเคราะห์นาตาลและแป้ ้ำ งเกิดขึ้นได้อย่างไร 2.48 การวัดอัตราการสังเคราะห์แสงทำาได้อย่างไร 2.49 ปัจจัยใดที่มีผลต่อกระบวนการสังเคราะห์แสง 2.50 พืชมีวธิ ีการลำาเลียงอาหารที่สร้างได้อย่างไร 2.51 ท่านคิดว่ากระบวนการสังเคราะห์แสงของพืชมีประโยชน์ต่อสิ่ งมีชีวิตชนิดใดบ้าง เพราะ เหตุใด 3. การอภิปราย ให้นกั ศึกษาจัดกลุ่มเพื่อร่ วมกันอภิปรายในหัวข้อต่อไปนี้ (นักศึกษาสามารถเสนอเปลี่ยนแปลง หรื อเพิ่มเติมหัวข้อการอภิปรายได้) 1. พืชคือผูส้ ร้างโลก 2. ถ้าไม่มีพืช ก็ไม่มีสตั ว์ 3. พืชคือโรงงานอุตสาหกรรมที่ผลิตอาหารที่ใหญ่สุดของโลก

86 พฤกษศาสตร์

เอกสารอ้ างอิง กฤษฎี เกียรติชนก. 2542. สรีรวิทยาของพืช. กรุ งเทพมหานคร : สถาบันราชภัฏสวนสุ นนั ทา. ดนัย บุณยเกียรติ. 2550. สรีรวิทยาของพืช. Retrived October 17, 2007 from http://web.agri. cmu.ac.th/hort/course/359311/PPHY4_photosyn.htm บษกร ฉิ่ งเล็ก. 2542. สรีรวิทยาทัว่ ไป. บุรีรัมย์ : สถาบันราชภัฏบุรีรัมย์. พฤกษศาสตร์, ภาควิชา. คูม่ อื ปฏิบตั กิ ารสรีรวิทยาของพืช. กรุงเทพมหานคร : จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย. มนตรี เพ็ชรทองคำา. 2531. การสังเคราะห์แสง ใน คณะอนุกรรมการปรับปรุงหลักสูตรวิทยาศาสตร์สาขาวิชา ชีววิทยา (บก)., หนังสือปฏิบตั กิ ารชีววิทยา(หน้า 251-262). กรุงเทพมหานคร : ทบวง มหาวิทยาลัย วิสุทธิ์ ใบไม้. (บก.). 2530. ชีววิทยา. กรุ งเทพมหานคร : ทบวงมหาวิทยาลัย. ศิวพงศ์ จำารัสพันธุ์. 2542. การสังเคราะห์ แสง. อุดรธานี : สถาบันราชภัฏอุดรธานี สมบุญ เตชะภิญญาวัฒน์. 2535. สรีรวิทยาของพืช. กรุ งเทพมหานคร : ร้านธรรมบัณฑิต. สัมพันธ์ คัมภิรานนท์. 2529. สรีรวิทยาของพืช. พิมพ์ครัง้ ที่ 2. กรุงเทพมหานคร : มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์.

A comparison of photosynthetic characteristics of the three major plant groups. 2004 Retrived September 1, 2004 from : ttps://eee.uci.edu/99w/07350/Doc/C3C4CAM.html Adam, Z. 2007. Proteolysis in chloroplast. Retrived October 1, 2007 from http:// www. agri. huji .ac.il/~zacha/ Campbell,M.K. 1999. Biochemistry (3 rd.ed). New York : J/B Woolsey Associates.

Chew, J. 2005. higher energy state. Retrived October 17, 2007 from http://fig.cox. miami.edu /Faculty/Dana/eboost.jpg Crassulacean acid metabolism. 2007. Retrived October 3, 2007 from http://www.journaldunet. com/science/biologie/dossiers/06/0601-vie-extreme/cam.jpg) Dutch, J. 2004. Photosynthesis- making sugar from sunlight. Retrived October 17, 2007 from http://www.biology.iupui.edu/ biocourses/N100/ images/ch9chloroplast.jpg Eckwall, E.N. 2007. Photosynthesis. Retrived October 17, 2007. from http://138.192.68.68/ bio/Courses/biochem2/Photosynthesis/Photosynthesis1.html Farabee, M.J. 2001. Photosysnthesis. Retrived September 1, 2004 from http ://www. Gened. emc. maricopa.edu/bio/bio181/BIOBK/BioBookPS.html Govindjee, R. 2002. The Z-Scheme Diagram of Photosynthesis. Retrived September 1, 2004. from http ://www. Life.uiuc. edu/ govindjee/ ZschemeG.html.

การสังเคราะห์แสง 87

Harvest light energy. 2007. Retrived October 17, 2007 from http://fig.cox.miami.edu/ Faculty /Dana/harvest.jpg Lodish,H., et al. 2000. Molecular Cell Biology (4 th. ed). New York : W.H.Freeman and Company.

Moore, R., Clark, W.D., Stern, K.R., Vodopich, D. 1995. Botany. Dubuque IA : Win. C.Brown Communications.

Paselk, R.A.(2007. Chemiosmosis. Retrived October 17, 2007 from http://www.humboldt. edu/~rap1/ Bio chSupp/PathwayDiagrams/CalCyc.gif Photosynthesis. 1996. Retrived October 15, 2007 from http://www.uic.edu/ classes/ bios/ bios 100/ lecturesf04am/lect10.htm Photosynthesis. 2007 . Retrived October 15, 2007 from http://fig.cox. miami. edu/Faculty/ Dana/chloroplast1.jpg Pollock, C.J., Farrar,J.F., and Gordon, A.J., 1992. Carbon Partitioning Within and Between Organisms. Lancaster : BIOS Scientific.

Sengbusch, PV. 1999. The Light Reactions of Photosynthesis. Retrived September 1, 2005. from http ://www.biologie. uni-hamburg.de/b-online/e24/24c.htm . 2001. Absorption Spectra of Chlorophyll a (Light Green) and Chlorophyll b(Turquoise). Retrived September 1, 2005 from http//www.biologie.uni-hamburg. de/ bonline/ e24/3.htm . 2003. Photosynthesis. Retrived October 1, 2007 from http://www.biologie. unihamburg.de/b-online/e24/24.htm Stryer, L. 1981. Biochemistry (2 nd ed.). Sanfrancisco : W.H. Freemand and Company.

Storey, R.D. (1989). Textbook Errors & Misconceptions in Biology :Photosynthesis. The American Biology Teacher, 51(5), 271-273.

Taiz, L. and Zeiger, E. 1991. Plant Physiology. Red Wood City, California : The Benjamin/ Cummings. . 2002. Plant Physiology (3rd ed.). Sunderland, MA : Sinauer Associates.

The light dependent reaction. (2001). Retrived October 17, 2007 from http://www. biology corner. com/ resources/light-dependent.gif.

Vermaas, W. 2001. An Introduction to Photosynthesis and its Application. Retrived September 1, 2005 from http ://Photoscience. la.asu. edu/photosyn/ education /Photo intro.html