Hva er stivelsesbiosyntese?

Stivelse er en type polymer kjent som et polysakkarid som består av kjeder av glukosemolekyler og er syntetisert i relativt store mengder av planter. Glukose er en enkel type sukker - eller sakkarid - kjent som et monosakkarid. Polysakkarider er bygd fra mange monosakkaridenheter, muligens tusenvis, sammen. Stivelsesbiosyntese i planter begynner med sukker produsert ved fotosyntesen og involverer en rekke enzymer, eller organiske katalysatorer.

To typer stivelse produseres av planter. Amylose består av for det meste uforgrenede kjeder av glukosemolekyler, eller glukaner, typisk 1.000 til 4.400 i antall. I amylopectin er kjedene flergrenede og inneholder vanligvis mellom 10.000 og 100.000 glukaner. Omtrent 70% av stivelsen i de fleste planter er i form av amylopektin, men dette kan variere noe mellom forskjellige arter. Planter lagrer stivelse i form av granuler i celler.

Stivelsesbiosyntese foregår i amyloplaster og også til en viss grad i kloroplaster. Dette er begge typer plastider - kropper i plantecellen som utfører spesialiserte funksjoner. De antas å ha sin opprinnelse som symbiotiske blågrønne alger som ble innlemmet i cellene på et tidlig stadium i utviklingen av planter. Innenfor disse plastidene er stivelsesmolekyler satt sammen fra glukose-byggesteiner. Glukosen kommer i form av en glukose-fosfatforbindelse som er et indirekte produkt av fotosyntesen.

Molekyler av glukose har hydroksylgrupper (OH) bundet til karbonatomer. Glukoseenheter binder seg sammen når et hydrogenatom fjernes fra en hydroksylgruppe på ett glukosemolekyl og en hel hydroksylgruppe fjernes fra en annen, og fjerner faktisk vann (H20). Det gjenværende oksygenatom fra det ene molekylet bindes deretter til karbonatomet som hydroksylgruppen ble fjernet fra på det andre - reaksjonen kan representeres som: R-OH + HO-R → ROR + H20, hvor R står for resten av glukosemolekylet. På denne måten bygges det opp lange kjeder med glukosemolekyler. Denne typen binding mellom sakkaridmolekyler er kjent som en glykosidbinding.

Detaljer om prosessen er imidlertid mer kompliserte enn dette - involverer en rekke enzymer - men kan oppsummeres som følger. Prosessen starter med å kombinere glukose-1-fosfat med adenosintrifosfat (ATP) for å danne adenosindifosfatglukose (ADP-glukose), katalysert av enzymet AGPase. ADP-glukose kan deretter legge glukosemolekylet til et eksisterende glukosemolekyl, og danne en glykosidbinding og dermed, gjennom mange repetisjoner av denne prosessen, bygge opp et amylosemolekyl. Denne reaksjonen blir katalysert av stivelsesynthase-enzymer. Amylopektin dannes ved virkningen av stivelsesforgrenende enzymer (SBE) som smitter koblinger mellom eksisterende kjeder av glukosemolekyler for å lage en forgrenet polymer.

Hensikten med stivelsesbiosyntese i planter er å skaffe en energilager. Glukose, produsert ved fotosyntesen, gir øyeblikkelig energibehov, men en energireserve som skal brukes når forholdene forhindrer syntesen av tilstrekkelig glukose har en klar overlevelsesverdi. Mange planter har utviklet seg for å lagre store mengder stivelse i knoller; i poteter består for eksempel 60-80% av tørrvekten av stivelse. Fra 2011 pågår det en betydelig mengde forskning på stivelsesbiosyntese i planter, med tanke på å øke stivelsesproduksjonen til visse matavlinger.