hiilihydraatteja muodostuu vihreissä kasveissa yhteyttämällä, mikä on hiilidioksidin ja veden kemiallinen yhdistelmä eli ”kiinnittyminen” hyödyntämällä näkyvän valon absorptiosta saatavaa energiaa. Kokonaistulos on hiilidioksidin pelkistyminen hiilihydraatiksi ja hapen muodostuminen:

jos muodostunut hiilihydraatti on selluloosaa, niin voimassa oleva reaktio on puun polton vastakohta ja vaatii ilmeisesti huomattavaa energiapanosta.

koska fotosynteesi on elintärkeä elämälle sellaisena kuin me sen tunnemme, sitä on tutkittu intensiivisesti ja prosessin yleiset piirteet ymmärretään nykyään melko hyvin. Suurimmat puutteet tiedossamme ovat se, miten kasvien absorboima valo muuttuu kemialliseksi energiaksi ja miten monet monimutkaiset entsyymireaktiot tapahtuvat.

yhteyttämistyötä harjoittavat viherkasvien ainesosat ovat hyvin järjestäytyneissä, kalvopäällysteisissä yksiköissä, joita kutsutaan kloroplasteiksi. Erityisiä valoa absorboivia aineita ovat kasvipigmentit, klorofylli a ja klorofylli b, joiden rakenteet on esitetty kuvassa 20-6. Nämä erittäin konjugoituneet aineet ovat erittäin tehokkaita valon absorboivia aineita, ja näin saatu energia käytetään kahdessa erillisessä prosessissa, jotka esitetään kaaviossa Kuvassa 20-7.

yksi valoprosessi pienentää nikotiiniamidiadeniinidinukleotidifosfaatin \(\left (\ce {NADP}^\oplus \ right)\) arvoksi \(\ce{NADPH}\). Nämä dinukleotidit, jotka on esitetty alla, eroavat \(\ce{nad}^\oplus\) ja \(\ce{NADH}\) (Jakso 15-6c) siinä, että jonkin riboosiyksikön fosfaattiryhmä on \(\ce{c_2}\). Hapetettu muoto \(\ce{NADP}^\oplus\) käyttäytyy kuten \(\ce {NAD}^\oplus\) ja saa nikotiiniamidirenkaan \(\ce{h}^\ ominus\) vastineen \(\ce{c_4}\) muodostaen \(\ce {NADPH}\):

toinen tärkeä fotoreaktio on veden hapettuminen hapeksi reaktiolla:

\

muodostuva happi tulee selvästi \(\ce{h_2o}\) eikä \(\ce{CO_2}\), koska fotosynteesi \(\ce{^{18}o}\) veden läsnä ollessa tuottaa happea, joka on merkitty \(\ce{^{18}o}\), kun taas hiilidioksidi, joka on merkitty \(\ce{^{18}o}\), ei anna happea, joka on merkitty \(\ce{^{18}o}\). Huomaa, että veden hapettuminen tuottaa kaksi elektronia ja että \(\ce{NADPH}\): n muodostuminen \(\ce{NADP}^\oplus\) vaatii kaksi elektronia. Nämä reaktiot tapahtuvat eri paikoissa kloroplasteissa ja prosessissa, jossa elektroneja siirretään veden hapettumispaikalta \(\ce{NADP}^\oplus\) pelkistysalueelle, adenosiinidifosfaatti (ADP) muuttuu adenosiinitrifosfaatiksi (ATP; KS.kohta 15-5F tällaisten fosforylaatioiden tärkeydestä). Näin elektroninsiirto kahden valoprosessin välillä kytkeytyy fosforylaatioon. Tätä prosessia kutsutaan fotofosforylaatioksi (Kuva 20-7).

fotosynteesin valokemiallisen osan lopputuloksena muodostuu \(\ce{O_2}\), \(\ce{NADPH}\) ja ATP. Suuri osa hapesta vapautuu ilmakehään, mutta \(\ce{NADPH}\) ja ATP: tä hyödynnetään sarjassa pimeitä reaktioita, jotka saavat hiilidioksidin pelkistymään a-hiilihydraatin (fruktoosin) tasolle. Tasapainoinen yhtälö on

\

reaktiokiertoa, joka muuttaa hiilidioksidin hiilihydraateiksi, kutsutaan Calvinin sykliksi M. Calvin sai Nobelin kemianpalkinnon vuonna 1961 työstään hiilen reitin määrittämiseksi fotosynteesissä.

hiili tulee kiertoon hiilidioksidina. Avainreaktiossa, jolla \(\ce {CO_2}\) on” kiinteä”, tapahtuu pentoosin, \(D\)-ribuloosi-1,5-fosfaatin entsymaattinen karboksylaatio.\(^8\)

karboksylaatiotuotteen \(\ce{C_2}\)-\(\ce{c_3}\) sidoksen hydrolyyttinen pilkkominen (tämä tarkoittaa käänteistä Claisen-kondensaatiota; jakso 18-8B) tuottaa kaksi molekyyliä \(D\)-3-fosfoglyseraattia.\(^9\)

myöhemmissä vaiheissa ATP: tä hyödynnetään fosforyloimaan 3-fosfoglyseraatin karboksyyliryhmä, jolloin syntyy 1,3-difosfoglyseraatti (glyseriini-ja fosforihappojen sekaanhydridi). Tämän jälkeen aine pelkistyy \(\ce{NADPH}\) glyseraldehydi-3-fosfaatiksi:

kahta glyseraldehydi-3-fosfaattia käytetään fruktoosin kuuden hiilen ketjun rakentamiseen aldolikondensaatiolla \(\left( \ce{C_3} + \ce{C_3} \rightarrow \ce{C_6} \right)\), mutta luovuttajan nukleofiili tässä reaktiossa on dihydroksipropanonin fosfaattiesteri, joka on glyseraldehydi-3-fosfaatin isomeeri. \(\Ce{c_3}\) aldoosin uudelleenjärjestäminen \(\ce{c_3}\) ketoosiksi (jota kuvataan kohdassa 20-2D) edeltää siis aldolin yhteenlaskua. (Entsymaattisen aldolireaktion mekanismia käsitellään kohdassa 17-3F.) Muodostunut fruktoosi-1,6-difosfaatti hydrolysoidaan fruktoosi-6-fosfaatiksi:

tähän mennessä kuvaamamme perusteella ilmakehästä on lisätty vain yksi hiiliatomi, ja vaikka olemme saavuttaneet fruktoosin, prosessissa kului viisi aiemmin pelkistettyä hiiltä. Kasvin on siis saatava takaisin viiden hiilen sokeri kuuden hiilen sokerista pitääkseen kiertokulun yllä. Sen sijaan, että halkaisisi yhden hiilen ja käyttäisi sitä rakennuspalikkana muiden sokerien rakentamiseen, tapahtuu hämmästyttävä muunnossarja, joka voidaan tiivistää seuraaviin yhtälöihin:

näillä reaktioilla on useita yhteisiä piirteitä. Niissä kaikissa on mukana aldoosien tai ketoosien fosfaattiestereitä, ja ne muistuttavat aldoli – tai käänteisaldolikondensaatioita. Niiden mekanismeja ei käsitellä tässä, vaan niitä käsitellään tarkemmin kohdissa 20-10a, 20-10b ja 25-10. Niiden yhteenlasku on \(\ce{C_6} + 3 \ce{C_3} \rightarrow 3 \ce{C_5}\), mikä tarkoittaa, että fruktoosi-6-fosfaatti \(\ce{c_6}\)-komponenttina reagoi yhteensä kolmen \(\ce{c_3}\) yksikön kanssa (kaksi glyseraldehydi-3-fosfaattia ja yksi dihydroksipropanonifosfaatti) antaen lopulta kolme ribuloosi-5-fosfaattia. Vaikka sekvenssi voi vaikuttaa monimutkaiselta, se välttää pentoosi-tai heksoosiketjujen muodostamisen yksi hiili kerrallaan yhden hiilen välituotteista.

Calvinin sykli saadaan päätökseen \(D\)-ribuloosi-5-fosfaatin fosforyloinnilla ATP: n kanssa. Tällöin syntyvää \(d\)-ribuloosi-1,5-difosfaattia käytetään kierron aloittamiseen uudelleen yhdistymällä hiilidioksidin kanssa. On kuudesosa enemmän fruktoosia käytetään rakentamaan muita hiilihydraatteja, erityisesti glukoosi, tärkkelys, ja selluloosa.

\(^8\)kaikki käsittelemämme reaktiot välittyvät entsyymien välityksellä,ja jätämme tämän tosiasian mainitsematta. Ei kuitenkaan pidä unohtaa, että nämä kaikki ovat entsyymien aiheuttamia prosesseja, joita varten meillä on vain vähän, jos lainkaan, laboratorioreagensseja, jotka voidaan kopioida kyseisiin yhdisteisiin.

\(^9\)vastedes nimeämme kohtaamamme erilaiset hapot yhtälöissä fosfaatti-ja karboksylaattianioneiksi, vaikka tämä tuskin on järkevää elävien solujen normaaleilla pH-arvoilla. Glyseriini-ja fosforihapot ionisoituvat vain osittain pH: ssa 7-8. Olisi kuitenkin yhtä epärealistista esittää hapot täysin sekoittumattomina.