Stärke ist eine Polymerart, die als Polysaccharid bekannt ist und aus Ketten von Glucosemolekülen besteht und von Pflanzen in relativ großen Mengen synthetisiert wird. Glukose ist eine einfache Art von Zucker – oder Saccharid – bekannt als Monosaccharid. Polysaccharide bestehen aus vielen Monosaccharid-Einheiten, möglicherweise Tausenden, die miteinander verbunden sind. Die Stärkebiosynthese in Pflanzen beginnt mit Zuckern, die durch Photosynthese hergestellt werden, und umfasst eine Reihe von Enzymen oder organischen Katalysatoren.
Zwei Arten von Stärke werden von Pflanzen produziert. Amylose besteht aus meist unverzweigten Ketten von Glucosemolekülen oder Glucanen, typischerweise 1,000 bis 4,400 an der Zahl. Bei Amylopektin sind die Ketten mehrfach verzweigt und enthalten im Allgemeinen zwischen 10,000 und 100,000 Glucane. Ungefähr 70 % der Stärke in den meisten Pflanzen liegt in Form von Amylopektin vor, dies kann jedoch zwischen verschiedenen Arten etwas variieren. Pflanzen speichern Stärke in Form von Körnchen in Zellen.
Die Stärkebiosynthese findet in Amyloplasten und teilweise auch in Chloroplasten statt. Dies sind beide Arten von Plastiden – Körper innerhalb der Pflanzenzelle, die spezialisierte Funktionen ausführen. Es wird angenommen, dass sie als symbiotische Blaualgen entstanden sind, die in einem frühen Stadium der Pflanzenevolution in die Zellen eingebaut wurden. Innerhalb dieser Plastiden werden Stärkemoleküle aus Glukosebausteinen aufgebaut. Die Glucose liegt in Form einer Glucose-Phosphat-Verbindung vor, die ein indirektes Produkt der Photosynthese ist.
Glucosemoleküle haben an Kohlenstoffatome gebundene Hydroxylgruppen (OH). Glucoseeinheiten binden sich zusammen, wenn ein Wasserstoffatom von einer Hydroxylgruppe an einem Glucosemolekül und eine ganze Hydroxylgruppe von einem anderen entfernt wird, wodurch Wasser (H2O) entfernt wird. Das verbleibende Sauerstoffatom eines Moleküls bindet sich dann an das Kohlenstoffatom, von dem die Hydroxylgruppe entfernt wurde, am anderen — die Reaktion kann dargestellt werden als: R-OH + HO-R → ROR + H2O, wobei R für den Rest steht das Glukosemolekül. Auf diese Weise werden lange Ketten von Glucosemolekülen aufgebaut. Diese Art der Bindung zwischen Saccharidmolekülen wird als glykosidische Bindung bezeichnet.
Die Details des Prozesses sind jedoch komplizierter – mit einer Reihe von Enzymen –, können aber wie folgt zusammengefasst werden. Der Prozess beginnt mit der Kombination von Glucose-1-Phosphat mit Adenosintriphosphat (ATP) zu Adenosindiphosphat-Glucose (ADP-Glucose), katalysiert durch das Enzym AGPase. ADP-Glukose kann dann ihr Glukosemolekül an ein vorhandenes Glukosemolekül anlagern, eine glykosidische Bindung eingehen und so durch viele Wiederholungen dieses Prozesses ein Amylosemolekül aufbauen. Diese Reaktion wird durch Stärkesynthase-Enzyme katalysiert. Amylopektin wird durch die Wirkung von Stärkeverzweigungsenzymen (SBEs) gebildet, die Verbindungen zwischen bestehenden Glukosemolekülketten schmieden, um ein verzweigtes Polymer zu bilden.
Die Stärkebiosynthese in Pflanzen dient der Energiespeicherung. Glukose, die durch Photosynthese produziert wird, stellt den unmittelbaren Energiebedarf bereit, aber eine Energiereserve, die verwendet wird, wenn Bedingungen die Synthese von ausreichend Glukose verhindern, hat einen klaren Überlebenswert. Viele Pflanzen haben sich so entwickelt, dass sie große Mengen Stärke in Knollen speichern; bei Kartoffeln beispielsweise bestehen 60-80% des Trockengewichts aus Stärke. Seit 2011 wird intensiv an der Stärkebiosynthese in Pflanzen geforscht, um die Stärkeproduktion bestimmter Nahrungspflanzen zu steigern.