Når endrer en plante sukker til stivelse?

Tas et glukosemolekyl fra stivelsesmolekylet for å brytes ned for den lagrede energien
Når planten trenger energi, tas et glukosemolekyl fra stivelsesmolekylet for å brytes ned for den lagrede energien.

Elever som studerer fotosyntese kan lure på hvorfor noen planter er søtere enn andre når alle planter lager sukker. Mens spørsmålet er enkelt og logisk, går det riktige svaret inn i den komplekse prosessen som planter lager, lagrer og bruker sukkeret på. Hvordan planter lager sukker begynner med fotosyntese, mens omdannelse av sukker til stivelse avhenger av plantenes metabolske behov når den vokser. Bare det overflødige sukkeret vil gjennomgå dehydreringssyntese, som er betegnelsen på omdannelsen av glukose til stivelse i blader.

Energi og fotosyntese

Fotosyntesen begynner med jordens ultimate energikilde: solen. Klorofyllet i planter bruker solens energi til å kombinere karbondioksid med vann for å danne et enkelt sukkermolekyl mens det frigjør oksygen som et biprodukt, ifølge University of Michigan. Kjemisk representerer den fotosyntetiske ligningen kombinasjonen av seks karbondioksid (CO 2) molekyler med seks vann (H 2 O) molekyler for å danne ett sukker (C 6 H 12 O 6) molekyl, som frigjør seks oksygen (O 2) molekyler. Denne prosessen forkortes vanligvis som 6CO 2 + 6H 2 O = C 6 H 12 O 6+ 6O 2, der plusstegnet (+) skiller kjemikaliene i prosessen. Lik-tegnet (=) leses som "gir", som indikerer at reaksjonen finner sted. Bare rundt 1 prosent av solens energi som treffer bladet driver prosessen med fotosyntese, men den enkelte prosenten støtter det meste livet på jorden.

Bladet bruker umiddelbart noe av sukkeret som dannes under denne reaksjonen som energi for bladet for å opprettholde sine metabolske prosesser. Noe av sukkeret omdannes umiddelbart til stivelsesgranulat, som lagres i bladet eller omdannes til cellulose for å danne cellevegger etter hvert som planten vokser. Overskytende mengder sukker beveger seg gjennom planten for å gi energi til metabolske prosesser i andre deler av planten. Sukkeret som ikke er nødvendig for energi eller bygge cellulose omdannes til stivelse som er lagret i stilker, blader, røtter og frø. Prosessen der glukose omdannes til stivelse er kjent som "dehydreringssyntese." Et vannmolekyl frigjøres når hvert av de enkle sukkermolekylene av glukose tilsettes stivelsesmolekylet, ifølge Biology online.

Overskytende mengder sukker beveger seg gjennom planten for å gi energi til metabolske prosesser i andre
Overskytende mengder sukker beveger seg gjennom planten for å gi energi til metabolske prosesser i andre deler av planten.

Cellulær respirasjon, også referert til som "mørkesyklusen", begynner når sollys ikke er tilgjengelig. Planter trenger fortsatt å fortsette sine metabolske prosesser i disse tider, så stivelseskornene som er lagret i bladet gir den nødvendige energien. Den lagrede stivelsen i bladet konverterer tilbake til sukker, som kombineres med oksygen for å frigjøre karbondioksid, vann og energi i form av adenosintrifosfat (ATP). I hovedsak det motsatte av fotosyntese, er denne kjemiske ligningen skrevet som C 6 H 12 O 6 + 6O 2 = 6H 2 0 + 6CO 2 + ATP, som betyr at ett glukosemolekyl kombineres med seks oksygenmolekyler, og bryter sukkermolekylet i seks vannmolekyler og seks karbondioksidmolekyler for å frigjøre solens lagrede energi, rapporterer Georgia State Universitys hyperfysikk.

Karbohydrater: sukker, sukker og stivelse

Sukkeret som skapes gjennom prosessen med fotosyntese er glukose, enten enkelt eller monosakkarid. Når glukose kombineres med fruktose, er et annet monosakkarid, disakkarid sukrose resultatet. Som forklart av The sugar Association refererer begrepet "sukker" til både mono- og disakkarider, de enkleste typene karbohydrater. Monosakkarider inkluderer glukose, fruktose og galaktose, mens disakkarider inkluderer sukrose, laktose, maltose og trehalose. Planter inneholder glukose, fruktose og sukrose i varierende mengder, ifølge Det kanadiske sukkerinstituttet. Planter bruker disse sukkerene som energikilder for å bygge cellulose eller lagre dem for senere bruk.

Cellulose og stivelse er polysakkarid eller komplekse karbohydrater som inneholder flere sakkarider eller enkle karbohydrater. Alle karbohydrater inneholder karbon, hydrogen og oksygen, vanligvis i forholdet 1:2:1, eller ett karbon til to hydrogener til ett oksygen. Karbohydratkjeder inneholder imidlertid flere sammenkoblede enkle karbohydrater. Stivelse inneholder flere tilkoblede glukosemolekyler arrangert som amylose i lineære kjeder eller amylopektin i sterkt forgrenede kjeder. Orienteringen av disse kjedene avgjør om glukosekjedene danner stivelse for lagring eller cellulose for plantevekst og strukturell støtte, sier Polymer science learning center.

En glukosekjede med et oksygen- og hydrogenpar som peker nedover kalles en "alfaglukose", mens en glukosekjede med et oksygen- og hydrogenpar som peker utover kalles en "betaglukose". For å lage stivelse kombineres alfaglukosemolekyler ved oksygen-hydrogen-paret, og danner et krøllet stivelsesmolekyl med mange glukosemolekyler som forgrener seg fra hovedmolekylet. Når planten trenger energi, tas et glukosemolekyl fra stivelsesmolekylet for å brytes ned for den lagrede energien. Cellulose, på den annen side, dannes når beta-glukosemolekyler kobles sammen til lange kjeder som passer sammen som blokker for å skape strukturen til plantens cellevegger. Disse cellulosekjedene passer så tett sammen at vannmolekyler ikke kan passe mellom dem, noe som gjør cellulose i hovedsak vanntett.

Konvertering og lagring

Et vannmolekyl frigjøres når hvert av de enkle sukkermolekylene av glukose legges til stivelsesmolekylet
Et vannmolekyl frigjøres når hvert av de enkle sukkermolekylene av glukose legges til stivelsesmolekylet, ifølge Biology online.

Mens noe glukose forblir lagret i bladet som stivelseskorn der det ble dannet, kombineres mye av glukosen med fruktose for å danne sukrose før den beveger seg gjennom planten for å gi energi til metabolske prosesser i celler som ikke har tilgang til sollys. Sukrosen beveger seg på grunn av forskjeller i sukker- og vannkonsentrasjoner i cellene, opplyser Georgia State University. Spesielle celler som finnes i floemet frakter sukkeret fra bladene til de andre, ikke-fotosyntetiserende delene av planten, inkludert blomster, frukt, frø, grener og røtter. Når sukrosen når disse nye stedene, brukes noe av sukrosen umiddelbart mens overskuddet omdannes til stivelse eller cellulose.

Noen planter, som sukkerrør (Saccharum officinarum, US Department of Agriculture, plantehardhetssone 8 til 12; og sukkerroer (Beta vulgaris, sone 4 til 8), lagrer høyere konsentrasjoner av sukrose enn andre planter. Sukkerrør, for eksempel, inneholder ca. 14 prosent sukrose, mens sukkerroer inneholder ca. 19 prosent sukrose. Sukkerlagring i planter, spesielt i frukt, gir energi til frøet i utvikling. Frø inneholder imidlertid stivelse som gir næring til den nye planten til den nye planten får blader for å starte fotosyntesen.

Noe av overskuddet av sukrose i planten omdannes til små korn i cellene, men mange planter utvikler spesielle stivelseslagringsenheter som vil gi drivstoff til planten når fotosyntese ikke er mulig. Et enkelt stivelsesmolekyl kan inneholde alt fra 500 til 2 millioner glukoseenheter, og gir en veldig kompakt energikilde for planten på grunn av hvordan stivelsesmolekylet krøller seg rundt mens det dannes. Cellulose, på den annen side, inneholder 2000 til 14000 glukosemolekyler arrangert i lange tråder som bygger strukturen til planten når den vokser. Mennesker over hele verden er avhengige av de lagrede stivelsesmolekylene i matvarer som mais (mais), poteter, ris, taro og yams, men kan ikke fordøye de tettpakkede cellulosetrådene.