Wat is zetmeelbiosynthese?
Zetmeel is een type polymeer dat bekend staat als een polysacharide dat bestaat uit ketens van glucosemoleculen en in relatief grote hoeveelheden door planten wordt gesynthetiseerd. Glucose is een eenvoudig type suiker - of saccharide - bekend als een monosaccharide. Polysachariden zijn opgebouwd uit vele monosacharide-eenheden, mogelijk duizenden, samengevoegd. Zetmeelbiosynthese in planten begint met suikers geproduceerd door fotosynthese en omvat een aantal enzymen, of organische katalysatoren.
Twee soorten zetmeel worden geproduceerd door planten. Amylose bestaat uit meestal onvertakte ketens van glucosemoleculen of glucanen, meestal 1.000 tot 4.400 in aantal. In amylopectine zijn de ketens meervertakt en bevatten ze in het algemeen tussen 10.000 en 100.000 glucanen. Ongeveer 70% van het zetmeel in de meeste planten is in de vorm van amylopectine, maar dit kan enigszins variëren tussen verschillende soorten. Planten slaan zetmeel op in de vorm van korrels in cellen.
Zetmeelbiosynthese vindt plaats in amyloplasten en tot op zekere hoogte ook in chloroplasten. Dit zijn beide soorten plastiden - lichamen in de plantencel die gespecialiseerde functies vervullen. Men denkt dat ze zijn ontstaan als symbiotische blauwgroene algen die in een vroeg stadium van de evolutie van planten in de cellen werden opgenomen. Binnen deze plastiden worden zetmeelmoleculen samengesteld uit glucosebouwstenen. De glucose komt in de vorm van een glucose-fosfaatverbinding die een indirect product van fotosynthese is.
Moleculen van glucose hebben hydroxyl (OH) groepen gebonden aan koolstofatomen. Glucose-eenheden binden aan elkaar wanneer een waterstofatoom wordt verwijderd uit een hydroxylgroep op het ene glucosemolecuul en een hele hydroxylgroep wordt verwijderd uit een andere, waardoor in feite water (H20) wordt verwijderd. Het resterende zuurstofatoom van het ene molecuul bindt zich vervolgens aan het koolstofatoom waaruit de hydroxylgroep op het andere is verwijderd - de reactie kan worden weergegeven als: R-OH + HO-R → ROR + H20, waarbij R staat voor de rest van het glucosemolecuul. Op deze manier worden lange ketens van glucosemoleculen opgebouwd. Dit type binding tussen saccharidemoleculen staat bekend als een glycosidebinding.
De details van het proces zijn echter ingewikkelder dan dit - met een aantal enzymen - maar kunnen als volgt worden samengevat. Het proces begint met het combineren van glucose-1-fosfaat met adenosinetrifosfaat (ATP) om adenosinedifosfaatglucose (ADP-glucose) te vormen, gekatalyseerd door het enzym AGPase. ADP-glucose kan dan zijn glucosemolecuul toevoegen aan een bestaand glucosemolecuul, waardoor een glycosidebinding wordt gevormd en dus, door vele herhalingen van dit proces, een amylosemolecuul wordt opgebouwd. Deze reactie wordt gekatalyseerd door zetmeelsynthase-enzymen. Amylopectine wordt gevormd door de werking van zetmeelvertakkende enzymen (SBE's) die verbindingen tussen bestaande ketens van glucosemoleculen smeden om een vertakt polymeer te vormen.
Het doel van zetmeelbiosynthese in planten is om energie op te slaan. Glucose, geproduceerd door fotosynthese, voorziet in onmiddellijke energiebehoeften, maar een reserve van energie die moet worden gebruikt wanneer omstandigheden de synthese van voldoende glucose verhinderen, heeft een duidelijke overlevingswaarde. Veel planten zijn geëvolueerd om grote hoeveelheden zetmeel in knollen op te slaan; in aardappelen bestaat bijvoorbeeld 60-80% van het droge gewicht uit zetmeel. Vanaf 2011 is er een aanzienlijke hoeveelheid onderzoek gaande naar zetmeelbiosynthese in planten, met het oog op het verhogen van de zetmeelproductie van bepaalde voedselgewassen.