El almidón es un tipo de polímero conocido como polisacárido que consta de cadenas de moléculas de glucosa y es sintetizado en cantidades relativamente grandes por las plantas. La glucosa es un tipo simple de azúcar, o sacárido, conocido como monosacárido. Los polisacáridos se forman a partir de muchas unidades de monosacáridos, posiblemente miles, unidas. La biosíntesis del almidón en las plantas comienza con los azúcares producidos por la fotosíntesis e involucra una serie de enzimas o catalizadores orgánicos.
Las plantas producen dos tipos de almidón. La amilosa consiste en su mayoría en cadenas no ramificadas de moléculas de glucosa, o glucanos, típicamente de 1,000 a 4,400 en número. En la amilopectina, las cadenas son multirramificadas y generalmente contienen entre 10,000 y 100,000 glucanos. Aproximadamente el 70% del almidón en la mayoría de las plantas está en forma de amilopectina, pero esto puede variar un poco entre diferentes especies. Las plantas almacenan almidón en forma de gránulos dentro de las células.
La biosíntesis de almidón tiene lugar en amiloplastos y también, en cierta medida, en cloroplastos. Ambos son tipos de plastidios: cuerpos dentro de la célula vegetal que realizan funciones especializadas. Se cree que se originaron como algas simbióticas de color verde azulado que se incorporaron a las células en una etapa temprana de la evolución de las plantas. Dentro de estos plástidos, las moléculas de almidón se ensamblan a partir de bloques de construcción de glucosa. La glucosa viene en forma de un compuesto de glucosa-fosfato que es un producto indirecto de la fotosíntesis.
Las moléculas de glucosa tienen grupos hidroxilo (OH) unidos a átomos de carbono. Las unidades de glucosa se unen cuando se elimina un átomo de hidrógeno de un grupo hidroxilo en una molécula de glucosa y se elimina un grupo hidroxilo completo de otra, eliminando de hecho agua (H2O). El átomo de oxígeno restante de una molécula se une al átomo de carbono del que se eliminó el grupo hidroxilo en la otra; la reacción se puede representar como: R-OH + HO-R → ROR + H2O, donde R representa el resto de la molécula de glucosa. De esta forma, se forman largas cadenas de moléculas de glucosa. Este tipo de enlace entre moléculas de sacárido se conoce como enlace glicosídico.
Sin embargo, los detalles del proceso son más complicados que esto, que involucran varias enzimas, pero se pueden resumir de la siguiente manera. El proceso comienza con la combinación de glucosa-1-fosfato con trifosfato de adenosina (ATP) para formar glucosa difosfato de adenosina (ADP-glucosa), catalizada por la enzima AGPasa. La ADP-glucosa puede agregar su molécula de glucosa a una molécula de glucosa existente, formando un enlace glicosídico y, por lo tanto, a través de muchas repeticiones de este proceso, formando una molécula de amilosa. Esta reacción es catalizada por enzimas almidón sintasa. La amilopectina se forma mediante la acción de enzimas ramificadoras del almidón (SBE) que forjan enlaces entre las cadenas existentes de moléculas de glucosa para crear un polímero ramificado.
El propósito de la biosíntesis del almidón en las plantas es proporcionar una reserva de energía. La glucosa, producida por la fotosíntesis, proporciona necesidades energéticas inmediatas, pero una reserva de energía que se utilizará cuando las condiciones impidan la síntesis de glucosa suficiente tiene un valor claro de supervivencia. Muchas plantas han evolucionado para almacenar grandes cantidades de almidón en tubérculos; en las patatas, por ejemplo, el 60-80% del peso seco consiste en almidón. A partir de 2011, hay una cantidad considerable de investigación en curso sobre la biosíntesis de almidón en plantas, con miras a aumentar la producción de almidón de ciertos cultivos alimentarios.