Hvad er stivelsesbiosyntese?
Stivelse er en type polymer kendt som et polysaccharid, der består af kæder af glukosemolekyler og syntetiseres i relativt store mængder af planter. Glukose er en simpel type sukker - eller saccharid - kendt som et monosaccharid. Polysaccharider er bygget af mange monosaccharidenheder, muligvis tusinder, der er sammenføjet. Stivelsesbiosyntese i planter begynder med sukkerarter produceret ved fotosyntesen og involverer et antal enzymer eller organiske katalysatorer.
To typer stivelse produceres af planter. Amylose består af for det meste uforgrenede kæder af glukosemolekyler eller glukaner, typisk 1.000 til 4.400 i antal. I amylopectin er kæderne flergrenede og indeholder generelt mellem 10.000 og 100.000 glukaner. Cirka 70% af stivelsen i de fleste planter er i form af amylopectin, men dette kan variere noget mellem forskellige arter. Planter opbevarer stivelse i form af granuler i celler.
Stivelsesbiosyntese finder sted i amyloplaster og også til en vis grad i chloroplaster. Disse er begge typer plastider - organer i plantecellen, der udfører specialiserede funktioner. Det menes, at de har oprindelse som symbiotiske blågrønne alger, der blev indarbejdet i cellerne på et tidligt tidspunkt i udviklingen af planter. Inden for disse plastider er stivelsesmolekyler samlet fra glukose-byggesten. Glukosen kommer i form af en glukose-fosfatforbindelse, der er et indirekte produkt af fotosyntesen.
Molekyler af glukose har hydroxylgrupper (OH) bundet til carbonatomer. Glucoseenheder binder sig sammen, når et hydrogenatom fjernes fra en hydroxylgruppe på et glukosemolekyle, og en hel hydroxylgruppe fjernes fra en anden, der faktisk fjerner vand (H20). Det resterende iltatom fra det ene molekyle binder derefter til det carbonatom, hvorfra hydroxylgruppen blev fjernet på det andet - reaktionen kan repræsenteres som: R-OH + HO-R → ROR + H20, hvor R står for resten af glukosemolekylet. På denne måde er lange kæder af glukosemolekyler opbygget. Denne type binding mellem saccharidmolekyler er kendt som en glycosidbinding.
Detaljerne i processen er imidlertid mere komplicerede end dette - involverende et antal enzymer - men kan sammenfattes som følger. Processen starter med at kombinere glucose-1-phosphat med adenosintrifosfat (ATP) til dannelse af adenosindiphosphatglukose (ADP-glucose), katalyseret af enzymet AGPase. ADP-glukose kan derefter tilføje dets glukosemolekyle til et eksisterende glukosemolekyle og danne en glykosidbinding og således gennem mange gentagelser af denne proces opbygge et amylosemolekyle. Denne reaktion katalyseres af stivelsesynthase-enzymer. Amylopectin dannes ved virkningen af stivelsesforgreningsenzymer (SBE'er), der smeder forbindelser mellem eksisterende kæder af glukosemolekyler for at skabe en forgrenet polymer.
Formålet med stivelsesbiosyntese i planter er at tilvejebringe et lager af energi. Glukose, der er produceret ved fotosyntesen, sørger for øjeblikkelige energibehov, men en energireserve, der skal bruges, når forholdene forhindrer syntesen af tilstrækkelig glukose, har en klar overlevelsesværdi. Mange planter har udviklet sig til at opbevare store mængder stivelse i knolde; i kartofler består for eksempel 60-80% af tørvægten af stivelse. Fra 2011 er der en betydelig mængde forskning i gang med stivelsesbiosyntese i planter med henblik på at øge stivelsesproduktionen af visse fødevareafgrøder.