a szénhidrátok a zöld növényekben fotoszintézis útján képződnek, amely a szén-dioxid és a víz kémiai kombinációja vagy “rögzítése” a látható fény abszorpciójából származó energia felhasználásával. A teljes eredmény a szén-dioxid szénhidrátdá történő csökkentése és az oxigén képződése:

ha a képződött szénhidrát cellulóz, akkor a reakció valójában a fa elégetésének fordítottja, és nyilvánvalóan jelentős energiabevitelt igényel.

az általunk ismert élet létfontosságú jellege miatt a fotoszintézist intenzíven vizsgálták, és a folyamat általános jellemzői ma már meglehetősen jól ismertek. Ismereteink fő hiányosságai közé tartozik, hogy a növények által elnyelt fény hogyan alakul át kémiai energiává, valamint annak részletei, hogy a sok összetett enzim által kiváltott reakció hogyan zajlik le.

a fotoszintézis munkáját végző zöld növények összetevőit magasan szervezett, membránnal borított egységek tartalmazzák, amelyeket kloroplasztoknak neveznek. A fényt elnyelő speciális anyagok a növényi pigmentek, a klorofill A és a klorofill b, amelyek szerkezetét a 20-6. ábra mutatja. Ezek az erősen konjugált anyagok nagyon hatékony fényelnyelők, és az így nyert energiát két különböző folyamatban használják fel, amelyeket a 20-7.

egy fotoprocesszor csökkenti a nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfátot \(\balra( \ce{NADP}^\Opus \jobbra)\) \(\ce{NADPH}\) – ra. Ezek az alább látható dinukleotidok abban különböznek a \(\ce{NAD}^\Opus\) és \(\ce{NADH}\) (15-6c szakasz) – tól, hogy foszfátcsoportjuk van az egyik ribózegység \(\ce{C_2}\) – nél. Az oxidált forma, \(\ce{NADP}^ \ Opus\), úgy viselkedik, mint \(\ce{NAD}^ \ Opus\), és a nikotinamid gyűrű \(\ce{H}^\ominus\) megfelelőjét kapja \(\ce{C_4}\) formában \(\ce{NADPH}\):

a másik fontos fotoreakció a víz oxigénné történő oxidációja a reakcióval:

\

a képződött oxigén egyértelműen \(\ce{H_2O}\) – ból származik, nem pedig \(\ce{CO_2}\) – ból, mert a \(\ce{^{18}O}\) – val jelölt víz jelenlétében végzett fotoszintézis \(\ce{^{18}O}\) – val jelölt oxigént termel, míg a \(\ce{^{18}O}\) – val jelölt szén-dioxid nem ad \(\ce{^{18}O}\) – val jelölt oxigént. Figyeljük meg, hogy a víz oxidációja két elektront hoz létre, és hogy a \(\ce{NADPH}\) képződéséhez \(\ce{NADP}^\Opus\) – ból két elektron szükséges. Ezek a reakciók a kloroplasztokon belül különböző helyeken fordulnak elő, és az elektronok átvitele során a víz oxidációs helyéről a \(\ce{NADP}^\oplus\) redukciós helyre az adenozin-difoszfát (ADP) adenozin-trifoszfáttá alakul (ATP; lásd a 15-5f szakaszt az ilyen foszforilációk fontosságának megvitatására). Így a két fotoprocesszus közötti elektrontranszport foszforilációhoz kapcsolódik. Ezt a folyamatot fotofoszforilációnak nevezzük(20-7.

a fotoszintézis fotokémiai részének végeredménye \(\ce{O_2}\), \(\ce{NADPH}\) és ATP képződése. Az oxigén nagy része a légkörbe kerül, de a \(\ce{NADPH}\) és az ATP egy sor sötét reakcióban hasznosítható, amelyek a szén-dioxid szénhidrát (fruktóz) szintre történő csökkentését eredményezik. A kiegyensúlyozott egyenlet

\

a szén-dioxidot szénhidrátokká alakító reakciók ciklusát Calvin-ciklusnak nevezzük, m után. Calvin, aki 1961-ben kémiai Nobel-díjat kapott a szén fotoszintézis útjának meghatározásáért végzett munkájáért.

a szén szén-dioxidként lép be a ciklusba. A kulcsreakció, amellyel a \(\ce{CO_2}\)” rögzített”, magában foglalja a pentóz, \(D\)-ribulóz-1,5-foszfát enzimatikus karboxilezését.\(^8\)

a karboxilezési termék \(\ce{C_2}\)-\(\ce{C_3}\) kötésének ezt követő hidrolitikus hasítása (ez fordított Claisen-kondenzációnak felel meg; 18-8B szakasz) két \(D\)-3-foszfoglicerát molekulát eredményez.\(^9\)

a következő lépésekben az ATP – t a 3-foszfoglicerát karboxilcsoportjának foszforilezésére használják, hogy 1,3-difoszfoglicerátot (glicerin-és foszforsavak vegyes anhidridjét) hozzanak létre. Ezt az anyagot ezután \(\ce{NADPH}\) gliceraldehid-3-foszfáttá redukálják:

két gliceraldehid-3-foszfátot használnak a fruktóz hat szénláncának felépítésére aldol kondenzációval \ (\bal (\ce{C_3} + \ ce{C_3} \ rightarrow \ ce{C_6}\ right)\), de a donor nukleofil ebben a reakcióban a dihidroxi-propanon foszfát-észtere, amely a glicerinaldehid 3-foszfát izomerje. A \(\ce{C_3}\) aldóz átrendezése a \(\ce{C_3}\) ketózra (a 20-2D szakaszban leírt típus) tehát megelőzi az aldol hozzáadását. (Az enzimatikus aldol reakció mechanizmusának ismertetését lásd a 17-3F pontban.) A képződött fruktóz-1,6-difoszfátot ezután fruktóz-6-foszfáttá hidrolizálják:

az eddig leírtakból csak egy szénatomot adtak hozzá a légkörből, és bár elértük a fruktózt, öt korábban csökkentett szénatomot fogyasztottunk a folyamat során. Így a növénynek vissza kell szereznie egy öt szénatomos cukrot egy hat szénatomos cukorból, hogy állandósítsa a ciklust. Ahelyett, hogy szét egy szén-dioxid, és használja, hogy építőelemként építeni más cukrok, egy csodálatos sorozat transzformációk végzik, hogy lehet összefoglalni a következő egyenletek:

ezeknek a reakcióknak számos közös vonása van. Mindegyik aldózok vagy ketózok foszfát-észtereit foglalja magában, és hasonlítanak az aldol-vagy reverz-aldol-kondenzációkra. Mechanizmusaikat itt nem vesszük figyelembe, de a 20-10a, a 20-10b és a 25-10. Összegzésük \(\ce{C_6} + 3 \ ce{C_3} \ rightarrow 3 \ ce{C_5}\), ami azt jelenti, hogy a fruktóz-6-foszfát mint \(\ce{C_6}\) komponens összesen három \(\ce{C_3}\) egységgel (két gliceraldehid-3-foszfát és egy dihidroxi-propanon-foszfát) reagál, így végül három ribulóz-5-foszfátot kapunk. Bár a szekvencia összetettnek tűnhet, elkerüli a pentóz-vagy hexózláncok egy-egy szénből történő felépítését egy-szén köztitermékekből.

a Calvin-ciklust \(D\)-ribulóz-5-foszfát ATP-vel történő foszforilezésével fejezzük be. A kapott\(D\)-ribulóz-1,5-difoszfátot ezután a ciklus újbóli elindítására használják szén-dioxiddal kombinálva. Egy hatodával több fruktózt használnak más szénhidrátok, nevezetesen glükóz, keményítő és cellulóz előállítására.

\(^8\)az összes reakciót, amelyről beszélni fogunk, enzimek közvetítik, és a továbbiakban kihagyjuk ennek a ténynek a kifejezett említését. De nem szabad megfeledkeznünk arról, hogy ezek mind enzim által kiváltott folyamatok, amelyekhez kevés, ha van ilyen, laboratóriumi reagensünk van, hogy megismételjük az érintett vegyületeket.

\(^9\)mostantól az egyenletekben a különböző savakat foszfátnak és karboxilát anionoknak nevezzük, bár ez aligha ésszerű az élő sejtekben normális pH-értékeknél. A glicerin – és foszforsavak csak részben ionizálódnak 7-8 pH-n. Ugyanakkor ugyanolyan irreális lenne a savakat teljesen disszociálatlanként ábrázolni.