kulhydrater dannes i grønne planter ved fotosyntese, som er den kemiske kombination eller “fiksering” af kulsyre og vand ved udnyttelse af energi fra absorption af synligt lys. Det samlede resultat er reduktionen af kulsyre til kulhydrat og dannelsen af ilt:

hvis det dannede kulhydrat er cellulose, er reaktionen i virkeligheden det modsatte af brændingen af træ og kræver naturligvis betydelig energiindgang.

på grund af dets vitale karakter til livet, som vi kender det, er fotosyntese blevet undersøgt intensivt, og de generelle træk ved processen er nu ret godt forstået. De væsentligste mangler i vores viden omfatter, hvordan det lys, der absorberes af planterne, omdannes til kemisk energi og detaljerne om, hvordan de mange komplekse reaktioner, der er involveret, finder sted.

ingredienserne i grønne planter, der udfører fotosyntesens arbejde, er indeholdt i højt organiserede, membranbelagte enheder kaldet kloroplaster. De specifikke stoffer, der absorberer lyset, er plantepigmenterne, klorofyl A og klorofyl b, hvis strukturer er vist i figur 20-6. Disse stærkt konjugerede stoffer er meget effektive lysabsorbenter, og den således opnåede energi bruges i to separate processer, som er repræsenteret diagrammatisk i figur 20-7.

en fotoproces reducerer nikotinamidadenindinukleotidphosphat \(\venstre( \ce{NADP}^\oplus \højre)\) til \(\ce{NADPH}\). Disse dinukleotider, vist nedenfor, adskiller sig fra \(\ce{NAD}^ \ oplus\) og \(\ce{NADH}\) (afsnit 15-6c) ved at have en fosfatgruppe ved \(\ce{C_2}\) af en af riboseenhederne. Den oksidiserede form, \(\ce{NADP}^\oplus\), opfører sig som \(\ce{NAD}^\oplus\) og modtager ækvivalenten af \(\ce{H}^\ominus\) ved \(\ce{C_4}\) af nikotinamidringen til dannelse \(\ce{NADPH}\):

den anden vigtige fotoreaktion er iltning af vand til ilt ved reaktionen:

\

det dannede ilt kommer tydeligt fra \(\ce{H_2O}\) og ikke fra \(\ce{CO_2}\), fordi fotosyntese i nærvær af vand mærket med \(\ce{^{18}o}\) producerer ilt mærket med \(\ce{^{18}o}\), mens kulsyre mærket med \(\ce{^{18}o}\) ikke giver ilt mærket med \(\ce{^{18}o}\). Bemærk, at iltningen af vandet producerer to elektroner, og at dannelsen af \(\ce{NADPH}\) fra \(\ce{NADP}^\oplus\) kræver to elektroner. Disse reaktioner forekommer på forskellige steder i kloroplasterne, og i processen med at overføre elektroner fra vandoksideringsstedet til reduktionsstedet \(\ce{NADP}^\oplus\) omdannes adenosindiphosphat (ADP) til adenosintriphosphat (ATP; se Afsnit 15-5F for diskussion mellem vigtigheden af sådanne phosphoryleringer). Således er elektrontransport mellem de to fotoprocesser koblet til phosphorylering. Denne proces kaldes fotophosphorylering (figur 20-7).

slutresultatet af den fotokemiske del af fotosyntese er dannelsen af \(\ce{O_2}\), \(\ce{NADPH}\) og ATP. Meget af iltet frigives til atmosfæren, men \(\ce{NADPH}\) og ATP anvendes i en række mørke reaktioner, der opnår reduktion af kulsyre til niveauet af et a-kulhydrat (fruktose). En afbalanceret ligning er

\

den cyklus af reaktioner, der omdanner kulsyre til kulhydrater kaldes Calvin cyklus, efter M. Calvin, der modtog Nobelprisen i kemi i 1961 for sit arbejde med at bestemme kulstofvejen i fotosyntese.

kulstof går ind i cyklussen som kulsyre. Den centrale reaktion, hvormed \(\ce{CO_2}\) er “fast”, involverer en pentose, \(D\)-ribulose 1,5-phosphat.\(^8\)

en efterfølgende hydrolytisk spaltning af\(\ce{C_2}\)-\ (\ce{C_3}\) bindingen af carboksyleringsproduktet(dette svarer til en omvendt Claisen-kondensation; afsnit 18-8b) giver to molekyler af \ (D\)-3-phosphoglycerat.\(^9\)

i efterfølgende trin anvendes ATP til phosphorylering af 3-phosphoglycerat-gruppen til dannelse af 1,3-diphosphoglycerat (et blandet anhydrid af glycere-og phosphorsyrer). Dette stof reduceres derefter med \(\ce{NADPH}\) til glyceraldehyd 3-phosphat:

to glyceraldehyd 3-fosfater anvendes til at opbygge seks-carbon-kæden af fructose ved en aldolkondensation \(\venstre( \ce{C_3} + \ce{C_3} \højre pil \ce{C_6} \højre)\), men donornukleofilen i denne reaktion er phosphatesteren af dihydroksypropanon, som er en isomer af glyceraldehyd 3-phosphat. Omlægning af \(\ce{C_3}\) aldose til \(\ce{C_3}\) ketose (af typen beskrevet i Afsnit 20-2D) går derfor forud for aldoltilsætningen. 17-3F.) Det dannede fructose 1,6-diphosphat hydrolyseres derefter til fructose 6-phosphat:

fra det, vi hidtil har beskrevet, er der kun tilsat et atom af kulstof fra atmosfæren, og selvom vi har nået fructose, blev fem tidligere reducerede carbon forbruges i processen. Således har anlægget at komme tilbage en fem-carbon sukker fra en seks-carbon sukker til at forevige cyklus. I stedet for at opdele et kulstof og bruge det som en byggesten til at konstruere andre sukkerarter, udføres en fantastisk række transformationer, der kan opsummeres ved hjælp af følgende ligninger:

disse reaktioner har flere funktioner til fælles. De involverer alle fosfatestere af aldoser eller ketoser, og de ligner aldol-eller omvendt aldol-kondensationer. Deres mekanismer vil ikke blive overvejet her, men diskuteres mere eksplicit i Afsnit 20-10a, 20-10B og 25-10. Deres summation er \(\ce{C_6} + 3 \ce{C_3} \højre pil 3\ ce{C_5}\), hvilket betyder, at fructose 6-phosphat som komponenten \(\ce{C_6}\) reagerer med i alt tre \(\ce{C_3}\) enheder (to glyceraldehyd 3-phosphater og et dihydroksypropanonphosphat) for i sidste ende at give tre ribulose 5-phosphater. Selvom sekvensen kan virke kompleks, undgår den at opbygge pentose-eller sekskantkæder et kulstof ad gangen fra mellemprodukter med et kulstof.

Calvin-cyklussen afsluttes ved phosphorylering af \(D\)-ribulose 5-phosphat med ATP. Det resulterende \(D\)-ribulose 1,5-diphosphat bruges derefter til at starte cyklussen igen ved at kombinere med kulsyre. Der er en sjettedel mere fruktose bruges til at opbygge andre kulhydrater, især glukose, stivelse og cellulose.

\(^8\)alle de reaktioner, vi vil diskutere, er formidlet af ord, og vi vil fremover udelade eksplicit omtale af denne kendsgerning. Men det må ikke glemmes, at dette alle er processer, som vi har få, hvis nogen, laboratoriereagenser til at duplikere på de involverede forbindelser.

\(^9\)Vi vil fremover i ligninger betegne de forskellige syrer, vi støder på, som fosfat og carboksylat-anioner, selvom dette næppe er rimeligt ved pH-værdierne, der er normale i levende celler. Glycere – og phosphorsyrer ioniseres kun delvist ved pH 7-8. Det ville imidlertid være lige så urealistisk at repræsentere syrerne som helt uforskammet.