Karbohydrater dannes i grønne planter ved fotosyntese, som er den kjemiske kombinasjonen, eller «fiksering», av karbondioksid og vann ved utnyttelse av energi fra absorpsjon av synlig lys. Det samlede resultatet er reduksjon av karbondioksid til karbohydrat og dannelse av oksygen:

hvis det dannede karbohydratet er cellulose, er reaksjonen i virkeligheten omvendt av brenning av tre, og krever åpenbart betydelig energiinngang.

på grunn av sin vitale karakter til livet som vi kjenner det, har fotosyntese blitt undersøkt intensivt, og de generelle egenskapene til prosessen er nå ganske godt forstått. De viktigste manglene i vår kunnskap inkluderer bare hvordan lyset absorbert av plantene omdannes til kjemisk energi og detaljene om hvordan de mange komplekse enzyminduserte reaksjonene som er involvert, finner sted.

ingrediensene i grønne planter som driver arbeidet med fotosyntese, finnes i høyt organiserte membrandekkede enheter kalt kloroplaster. De spesifikke stoffene som absorberer lyset er plantepigmentene, klorofyll a og klorofyll b, hvis strukturer er vist I Figur 20-6. Disse svært konjugerte stoffene er svært effektive lysabsorbenter, og energien som oppnås, brukes i to separate prosesser, som er representert skjematisk i Figur 20-7.

En fotoprosess reduserer nikotinamid-adenindinukleotidfosfat \(\venstre( \ce{NADP}^\oplus \høyre)\) til \(\ce{NADPH}\). Disse dinukleotidene, vist nedenfor, skiller seg fra \(\ce{NAD}^\oplus\) og \(\ce{NADH}\) (Seksjon 15-6c) ved å ha en fosfatgruppe på \(\ce{C_2}\) av en av riboseenhetene. Den oksiderte formen,\(\ce{NADP}^\oplus\), oppfører seg som\(\ce{NAD}^ \ oplus\) og mottar ekvivalenten av \(\ce{H}^\ominus\) ved\ (\ce{C_4}\) av nikotinamidringen for å danne \(\ce{NADPH}\):

den andre viktige fotoreaksjonen er oksidasjon av vann til oksygen ved reaksjonen:

\

oksygenet som dannes kommer tydelig fra \(\ce{H_2O}\) og ikke fra \(\ce{CO_2}\), fordi fotosyntese i nærvær av vann merket med \(\ce{^{18}o}\) produserer oksygen merket med \(\ce{^{18}o}\), mens karbondioksid merket med \(\ce{^{18}o}\) ikke gir oksygen merket med \(\ce{^{18}o}\). Legg merke til at oksidasjonen av vannet produserer to elektroner, og at dannelsen av \(\ce{NADPH}\) fra \(\ce{NADP}^\oplus\) krever to elektroner. Disse reaksjonene forekommer på forskjellige steder i kloroplastene, og i prosessen med å overføre elektroner fra vannoksidasjonsstedet til reduksjonsstedet \(\ce{NADP}^\oplus\) omdannes adenosindifosfat (ADP) til adenosintrifosfat (ATP; se Avsnitt 15-5F for diskusjon mellom betydningen av slike fosforyleringer). Dermed er elektrontransport mellom de to fotoprosessene koblet til fosforylering. Denne prosessen kalles fotofosforylering (Figur 20-7).

sluttresultatet av den fotokjemiske delen av fotosyntese er dannelsen av \(\ce{O_2}\), \(\ce{NADPH}\) og ATP. Mye av oksygenet frigjøres til atmosfæren, men \(\ce{NADPH}\) og ATP benyttes i en rekke mørke reaksjoner som oppnår reduksjon av karbondioksid til nivået av a karbohydrat (fruktose). En balansert ligning er

\

syklusen av reaksjoner som omdanner karbondioksid til karbohydrater kalles Calvin-syklusen, Etter M. Calvin, som mottok Nobelprisen i kjemi i 1961 for sitt arbeid med å bestemme karbonbanen i fotosyntese.

Karbon går inn i syklusen som karbondioksid. Nøkkelreaksjonen som \(\ce{CO_2}\) er» fast » innebærer enzymatisk karboksylering av en pentose, \(D\) – ribulose 1,5-fosfat.\(^8\)

en etterfølgende hydrolytisk spaltning av \(\ce{C_2}\)-\(\ce{C_3}\) bindingen av karboksyleringsproduktet(dette utgjør en omvendt Claisen-kondensasjon; Seksjon 18-8b) gir to molekyler av \(D\)-3-fosfoglyserat.\(^9\)

I etterfølgende trinn benyttes ATP til å fosforylere karboksylgruppen av 3-fosfoglyserat for å skape 1,3-difosfoglyserat(et blandet anhydrid av glyseriske og fosforsyre). Dette stoffet reduseres deretter med \(\ce{NADPH}\) til glyceraldehyd 3-fosfat:

To glyceraldehyd 3-fosfater benyttes for å bygge seks-karbonkjeden av fruktose ved en aldolkondensasjon \(\venstre (\ce{C_3} + \ ce{C_3} \rightarrow \ce{C_6} \ høyre)\), men donornukleofilen i denne reaksjonen er fosfatesteren av dihydroksypropanon, som er en isomer av glyceraldehyd 3-fosfat. Omorganisering av\ (\ce{C_3}\) aldosen til\ (\ce{C_3}\) ketosen (av typen beskrevet i Seksjon 20-2D) går derfor foran aldol-tillegget. (For en diskusjon av mekanismen for den enzymatiske aldolreaksjonen, se Avsnitt 17-3F.) Fruktose 1,6-difosfat dannet hydrolyseres deretter til fruktose 6-fosfat:

Fra det vi har beskrevet hittil, har bare ett karbonatom blitt tilsatt fra atmosfæren, og selv om vi har nådd fruktose, ble fem tidligere reduserte karboner konsumert i prosessen. Dermed må anlegget få tilbake et fem-karbon sukker fra et seks-karbon sukker for å opprettholde syklusen. I stedet for å dele av ett karbon og bruke det som en byggestein for å konstruere andre sukkerarter, utføres en fantastisk serie transformasjoner som kan oppsummeres av følgende ligninger:

disse reaksjonene har flere funksjoner til felles. De involverer alle fosfatestere av aldoser eller ketoser, og de ligner aldol eller omvendt-aldol kondensasjoner. Deres mekanismer vil ikke bli vurdert her, men diskuteres mer eksplisitt i Avsnittene 20-10a, 20-10b og 25-10. Deres summering er \(\ce{C_6} + 3 \ ce{C_3} \ rightarrow 3 \ ce{C_5}\), noe som betyr at fruktose 6-fosfat som\ (\ce{C_6}\) komponent reagerer med totalt tre\ (\ce{C_3}\) enheter (to glyceraldehyd 3-fosfater og ett dihydroxypropanonfosfat) for å gi til slutt tre ribulose 5-fosfater. Selv om sekvensen kan virke kompleks, unngår den å bygge opp pentose-eller heksosekjeder ett karbon om gangen fra en-karbon mellomprodukter.

Calvin-syklusen fullføres ved fosforylering av \(D\) – ribulose 5-fosfat MED ATP. Det resulterende \(D\)-ribulose 1,5-difosfat brukes da til å starte syklusen igjen ved å kombinere med karbondioksid. Det er en sjettedel mer fruktose brukes til å bygge andre karbohydrater, spesielt glukose, stivelse og cellulose.

\(^8\)alle reaksjonene vi skal diskutere er formidlet av enzymer, og vi vil heretter utelate eksplisitt omtale av dette faktum. Men det bør ikke glemmes at disse er alle enzyminducerte prosesser, som vi har få, om noen, laboratoriereagenser for å duplisere på de involverte forbindelsene.

\(^9\)vi vil fremover, i ligninger, betegne de forskjellige syrer vi møter som fosfat-og karboksylatanioner, selv om dette ikke er rimelig ved pH-verdiene som er normale i levende celler. Glyseriske og fosforsyre blir bare delvis ionisert ved pH 7-8. Det ville imidlertid være like urealistisk å representere syrene som helt uoppfordret.