Перша фаза - карбоксилирование. Ця реакція каталізується специфічним для процесу фотосинтезу ферментом рібулозобісфосфат-карбоксилази / оксигенази (скорочено РБФ-карбоксилаза / оксигенази), в науковій літературі останніх років частіше зустрічається під назвою Rubisco, від ribulosobiphosphatecarboxylase / oxygenase. Вперше Rubisco був виділений і очищений в 1955 році. Особливістю ферменту є те, що каталізується їм реакція є самою повільною стадією в циклі фіксації вуглекислоти. У листі Rubisco міститься у великих кількостях і є основною фракцією білка хлоропластів. Більш того, можна почути думку, що це найпоширеніший білок-фермент на земній кулі. В активний стан фермент переходить при освітленні хлоропластів. Вже зазначалося, що формування цього ферменту відбувається під контролем двох геномів: великі субодиниці (54 кДа) кодуються в ядрі, синтезуються в цитоплазмі; малі - кодуються і синтезуються в хлоропласті. При взаємодії РБФ з С02 утворюється спочатку проміжне нестійке шестіуглеродних з'єднання, яке потім розпадається на дві молекули ФГК. Новоутворена ФГК - це органічна кислота, і її енергетичний рівень нижче рівня Сахаров. Тому ця сполука не може безпосередньо перетворюватися в вуглеводи. Необхідно перетворення його в трехуглеродний цукор - фосфогліцеріновий альдегід (ФГА).
Друга фаза - відновлення. Подальші перетворення ФГК вимагають участі продуктів світловий фази фотосинтезу: АТФ і НАДФН + Н +. Реакція йде в два етапи. Перш за все, відбувається реакція фосфорилювання 3-ФГК. Донором фосфатної групи є АТФ. АТФ потрібно тут в якості додаткового джерела енергії. Утворюється 1,3-дифосфогліцеринова кислота. Реакція каталізується ферментом фосфогліцерокіназой:
Утворене в цій реакції з'єднання - дифосфогліцеринова кислота - володіє більш високою реакційною здатністю, містить макроергічних зв'язків, отриману від АТФ. Потім карбоксильная угруповання цього з'єднання відновлюється до альдегідної за допомогою тріозофосфатдегідрогенази, коферментом якої служить НАДФ.
Утворився ФГА є за рівнем відновленим углеводом. Це з'єднання вступає в дві останні фази. П'ять молекул ФГА використовується на регенерацію акцептора РБФ для того, щоб фіксація С02 могла знову здійснюватися. Частина, що залишилася шоста молекула вступає в фазу «синтезу продуктів», де перетворюється в більш складні з'єднання (вуглеводи, амінокислоти та ін.
Третя фаза - регенерація. У процесі регенерації акцептора використовується п'ять молекул ФГА, в результаті чого утворюються три молекули рібулезо-5-фос-фата. Цей процес йде через освіту 4-, 5-, 6-, 7-вуглецевих сполук. Перш за все, перша молекула ФГА изомеризуется до фосфодіоксиацетон. Процес каталізується ферментом тріозофосфатізомерази. Від ФДФ отщепляется фосфат, і ФДФ перетворюється у фруктозо-6-фосфат (ф-6-Ф). Далі від Ф-6-Ф (С6) відщеплюється 2-вуглецевий фрагмент (СО-СН 2 ОН), який переноситься на наступну (третю) триоз. Це транскетолазная реакція йде за участю ферменту транскетолази. В результаті утворюється перша пентоза (С5) -рібулезофосфат. Від Ф-6-Ф залишається 4-вуглецевий цукор ерітрозофосфат фосфорилирование. Для цього використовуються три молекули АТФ, що утворилися в результаті світлових реакцій. Всі реакції, що входять в цикл Утворився тріозофосфат (ФГА) вступає в четверту стадію темнова реакцій - стадію утворення продуктів фотосинтезу. (С4), який конденсується з четвертої триоз з утворенням седогептулезодіфосфата (С7). Після відщеплення фосфату седогептулезодіфосфат перетворюється в седогептулезофосфат. Далі знову відбувається транскетолазная реакція, в результаті якої від седогептулезофосфата отщепляется 2-вуглецевий фрагмент, який переноситься на п'яту триоз Утворюються ще дві молекули рібулезофосфата. Таким чином, в результаті розглянутих реакцій виходять 3 молекули рібулезофосфата. При проходженні двох циклів з 12 молекул утворився ФГА дві молекули виходять з них, утворюючи одну молекулу фруктозодіфосфата (ФДФ). З двох молекул фруктозодіфосфата (Ф-1, 6-ДІФ) утворюються фруктозо-6-фосфат (ф-6-Ф) і глюкозо-1-фосфат (Г-1-Ф). Глюкозо-1-фосфат, взаємодіючи з урідінтріфосфатом (УТФ), дає урідіндіфосфоглюкозу (УДФГ). У свою чергу УДФГ, реагуючи з Ф-6-Ф, дає сахарозофосфат. Мабуть, саме сахароза є першим вільним цукром, що утворюється в процесі фотосинтезу. З сахарози утворюються нефосфорілірованние моносахара (глюкоза і фруктоза). Крохмаль утворюється з аденозіндіфосфоглюкози (АДФГ) або урідіндіфосфоглюкози (УДФГ), процес каталізується ферментом амілосінтетазой. Серед перших продуктів фотосинтезу виявлено амінокислоти. Мабуть, ФГК, що утворилася на першому етапі циклу Кальвіна, може перетворюватися в пировиноградную кислоту. Цей процес йде особливо інтенсивно при нестачі НАДФН, через що затримується перетворення ФГК в ФГА (звичайний шлях в циклі Кальвіна). Піровиноградна кислота в присутності NH3 дає амінокислоту аланін. Показано, що швидкість включення 14 С02 в аланин в клітинах хлорели при деяких умовах може навіть перевищувати швидкість її включення в сахарозу. З піровиноградної кислоти може утворитися ще ряд органічних кислот (в циклі Кребса).
Утворилися органічні кислоти в процесі амінування або переаминирования дають амінокислоти. Сам по собі синтез амінокислот ще не означає утворення білків. Однак було показано, що між цими двома процесами є прямий зв'язок. Так, під впливом освітлення синіми променями (458-480 нм) посилюється фотосинтетичне освіту, як амінокислот, так і білків. У присутності інгібіторів синтезу білка дію синього світла не проявляється. Нарешті, з проміжних продуктів циклу Кальвіна можуть утворюватися жири, ліпіди та інші продукти. Склад продуктів, що утворюються при фотосинтезі, може бути визначений виходячи з величин фотосинтетичного коефіцієнта. Під фотосинтетичним коефіцієнтом розуміється відношення виділеного в процесі фотосинтезу кисню до поглиненому С02. Якщо в процесі фотосинтезу утворюються вуглеводи, то, згідно з наведеним сумарному рівнянню, фотосинтетичний коефіцієнт має дорівнювати одиниці: 602 / 6С02 = 1. При утворенні сполук, більш відновлених (що містять менше кисню) в порівнянні з вуглеводами, фотосинтетичний коефіцієнт повинен бути більше одиниці. У разі утворення білків фотосинтетичний коефіцієнт дорівнює 1,25, у разі жиру - 1,44. Середня величина фотосинтетичного коефіцієнта для 27 видів рослин виявилася рівною 1,04. Розрахунки показали, що така величина фотосинтетичного коефіцієнта вказує на освіту поряд з вуглеводами деякої кількості білка (приблизно 12%). Встановлено, що величина фотосинтетичного коефіцієнта змінюється в залежності від умов. Переважання синіх променів над червоними призводить до збільшення частки утворюються білків, тоді як червоне світло сприяє утворенню вуглеводів (Н.П. Воскресенська). Посилення постачання рослин азотом, природно, також призводить до підвищення фотосинтетичного коефіцієнта і збільшення первинного синтезу білка. Є дані, що на якість продуктів фотосинтезу впливає інтенсивність освітлення. При високій освітленості утворюється більше вуглеводів, а при зниженій - амінокислот.
Все ж основним продуктом фотосинтезу є цукру. У зв'язку з цим можна наступним чином розшифрувати сумарне рівняння фотосинтезу. На підставі наведених реакцій можна розрахувати енергетичний баланс циклу Кальвіна. Для відновлення шести молекул С02 до рівня вуглеводів (глюкози) потрібно 18 молекул АТФ і 12 НАДФН. Відповідно для відновлення до рівня вуглеводів однієї молекули С02 необхідні три молекули АТФ і дві НАДФН. Як ми бачили, для освіти двох молекул НАДФН і двох молекул АТФ необхідно 8 квантів світла. Відсутня кількість АТФ утворюється в процесі циклічного фотофосфорилування. Отже, для відновлення однієї молекули С02 до рівня вуглеводів має бути витрачено 8-9 квантів. Енергія квантів червоного світла дорівнює 168 кДж / моль. Таким чином, при використанні квантів червоного світла на відновлення однієї молекули С02 до рівня вуглеводів витрачається приблизно 1340- 1508 кДж. З цієї енергії в У6 моль гексози відкладається 478 кДж. ККД фотосинтезу в цьому випадку повинен скласти близько 30-35%. Однак в природних умовах коефіцієнт використання світла значно менше. На відміну від ферментів, які беруть участь в ланцюзі перенесення електронів (світлова фаза фотосинтезу), ферменти циклу Кальвіна локалізовані в стромі хлоропластів. Узгодженим здійсненню всіх реакцій сприяє те, що ці ферменти часто асоційовані на поверхні мембран і складають певні ансамблі. Шлях асиміляції вуглецю при фотосинтезі, встановлений Кальвіном і запропонований у вигляді циклу Кальвіна, є загальним для всіх автотрофніорганізмів. Однак існують різні шляхи передачі С02 в цикл Кальвіна. Так, австралійські вчені М.Д. Хетч і К.Р. Слек (1966) і радянський вчений Ю.С. КАРПИЛОВ (1960) показали, що у деяких рослин, переважно тропічних і субтропічних (в тому числі кукурудза, цукровий очерет, амарант, просо, сорго), фотосинтез йде трохи інакше. В цьому випадку першим продуктом карбоксилювання є з'єднання, що містить 4 атома вуглецю. Тому цей шлях отримав назву С4-шляху, на відміну від циклу Кальвіна, в якому утворюється ФГК, що містить 3 атома вуглецю (С3-шлях).