5탄당 물질과 화학 결합한 이후에야 비로소 토도당 합성이 시작된다. 이 과정은 순환 경로로서 캘빈회로(Calvin cycle)라 한다.
칼빈회로
캘빈회로는 일군의 효소들이 기질이 변할 때마다 차례로 작용하는 생화학적 경로로 구성된다. 회로가 종료될 때까지 기질은 각 단계를 거치면서 새로운 형태와 특징을 갖게 된다. 이 회로는 여러 개의 중요한 반응으로 구성되어 있다.
첫 번째 중요한 반응(반응 1)은 CO2가 첨가(혹은 고정)되는 카르복시화 반응(carboxylation)이다. 회로가 1회전 할 때마다 한 분자의 CO2가 고정된다. 반응 1에 관여하는 효소는 리블로오스이인산 카르복시화효소(ribulose-1,5 - bisphosphate carboxylase ; Rubisco)로서 CO2를 리블로오스 이인산(ribulose1,5-bisphosphate ; RUBP)에 결합시킴으로써 불안정한 6탄당 중간 대사물을 형성하며, 이 중간산물은 2개의 3탄당으로 분해된다.
두 번째 중요한 반응(반응 2)은 인산화로서 ATP의 고에너지 인산기가 2개의 3탄당 탄수화물로 전이된다.
다음의 중요한 반응(반응 3)은 환원이다. NADPH가 반응 2의 생성물이 갖고 있는 인산기 중 하나를 수소로 치환한다. 덜어진 인산은 NADP+ 및 ADP와 함께 명반응으로 되돌아간다.
이 단계에서 경로가 두 갈래로 나누어진다. 반응 3의 생성물인 글리세르알데히드-3-인산(glyceraldehy -de-3-phosphate ; G3P)은 두 경로 중 어느 경로로도 들어갈 수 있다. 두 경로 중 하나는 포도당 혹은 다른 생성물로 진행되며, 나머지 경로는 재생경로(regeneration pathway)로서 칼빈회로를 계속 유지시키는 일을 한다.
포도당과 기타 생성물
포도당의 생성 과정(반응 4)에서 G3P 두 분자가 과당-1,6이인산(fructose-1,6-disphosphate)으로 결합되고, 다시 포도당-1-인산(glucose-1-phosphate)으로 전환된 후 포도당이 형성된다. 이와는 별도로 G-1-P는 탈인산화되어 포도당으로 전환되고 그렇게 형성된 포도당은 탈수 중합 반응을 거쳐서 녹말이 될 수 있다. 그러나 G3P는 다른 경로를 통해서 지방산, 글리세롤, 혹은 아미노산의 합성에 이용될 수 있다. 또한 G3P는 미토콘드리아로 이동된 후 ATP 생성에도 이용된다.
G3P, 포도당, 칼빈회로의 유지
두 분자의 G3P가 포도당을 만들게 되면 회로가 종료되었다고 생각할 수 있다. 그러나 실제로 포도당은 칼빈회로가 여섯 바퀴 돌아야만 형성된다. 칼빈회로가 5회 돌은 결과 생성된 10 분자의 G3P는 재생에 이용되어 회로를 계속 돌게 한다. 그러나 6회 돌 때 생성된 두 분자의 G3P는 포도당 형성에 이용된다. 실제로 스트로마에는 수많은 회로가 동시에 가동되고 있어 기술한 바와 똑같지는 않다.
포도당 한 분자를 합성하려면 칼빈회로가 6번 돌아야 하므로 6개의 CO2, 12개의 NADPH와 H+, 그리고 18개의 ATP(12개는 주회로에, 6개는 재생회로에)가 필요하다.