Что такое биосинтез крахмала?

Крахмал представляет собой тип полимера, известный как полисахарид, который состоит из цепей молекул глюкозы и синтезируется растениями в относительно больших количествах. Глюкоза - это простой тип сахара или сахарида, известный как моносахарид. Полисахариды состоят из множества моносахаридных единиц, возможно тысяч, соединенных вместе. Биосинтез крахмала в растениях начинается с сахаров, образующихся при фотосинтезе, и включает ряд ферментов или органических катализаторов.

Два типа крахмала производятся растениями. Амилоза состоит в основном из неразветвленных цепочек молекул глюкозы или глюканов, обычно от 1000 до 4400. В амилопектине цепи являются разветвленными и обычно содержат от 10000 до 100000 глюканов. Около 70% крахмала у большинства растений находится в форме амилопектина, но это может несколько отличаться у разных видов. Растения хранят крахмал в форме гранул внутри клеток.

Биосинтез крахмала происходит в амилопластах, а также в некоторой степени в хлоропластах. Это оба типа пластид - органов внутри растительной клетки, которые выполняют специализированные функции. Считается, что они возникли как симбиотические сине-зеленые водоросли, которые были включены в клетки на ранней стадии эволюции растений. Внутри этих пластид молекулы крахмала собираются из строительных блоков глюкозы. Глюкоза поступает в форме глюкозо-фосфатного соединения, которое является косвенным продуктом фотосинтеза.

Молекулы глюкозы имеют гидроксильные (ОН) группы, связанные с атомами углерода. Глюкозные звенья связываются вместе, когда атом водорода удаляется из гидроксильной группы на одной молекуле глюкозы, а целая гидроксильная группа удаляется из другой, фактически удаляя воду (H ₂ O). Оставшийся атом кислорода из одной молекулы затем связывается с атомом углерода, из которого гидроксильная группа была удалена, с другой - реакция может быть представлена ​​как: R-OH + HO-R → ROR + H ₂ O, где R обозначает Остальная часть молекулы глюкозы. Таким образом, длинные цепи молекул глюкозы накапливаются. Этот тип связи между молекулами сахарида известен как гликозидная связь.

Детали этого процесса, однако, более сложны, чем это - с участием ряда ферментов - но их можно суммировать следующим образом. Процесс начинается с объединения глюкозо-1-фосфата с аденозинтрифосфатом (АТФ) с образованием аденозиндифосфат глюкозы (АДФ-глюкоза), катализируемой ферментом AGPase. АДФ-глюкоза может затем добавить свою молекулу глюкозы к существующей молекуле глюкозы, образуя гликозидную связь и, таким образом, посредством многих повторений этого процесса, наращивая молекулу амилозы. Эта реакция катализируется ферментами синтазы крахмала. Амилопектин образуется под действием ферментов, разветвляющих крахмал (SBE), которые формируют связи между существующими цепями молекул глюкозы с образованием разветвленного полимера.

Целью биосинтеза крахмала в растениях является обеспечение запаса энергии. Глюкоза, образующаяся в результате фотосинтеза, обеспечивает непосредственные потребности в энергии, но запас энергии, который необходимо использовать, когда условия, препятствующие синтезу достаточного количества глюкозы, имеет очевидную ценность для выживания. Многие растения эволюционировали для хранения большого количества крахмала в клубнях; например, в картофеле 60-80% сухой массы состоит из крахмала. По состоянию на 2011 год проводится значительное количество исследований по биосинтезу крахмала в растениях с целью увеличения производства крахмала некоторых пищевых культур.