Luku 7

B1. Fotosynteesi ja soluhengitys

Fotosynteesi ja soluhengitys

Ohessa on esitetty fotosynteesin ja soluhengityksen kokonaisreaktio. Kun sokeria tuotetaan fotosynteesissä, auringon valoenergiaa sidotaan kemialliseksi energiaksi. Vastaavasti kun sokeria kulutetaan soluhengityksessä, kemiallinen energia vapautuu ympäristöön esimerkiksi lämpöenergiana.

Fotosynteesin kokonaisreaktio: 6 CO<sub>2</sub> + 6 H<sub>2</sub>O -> C<sub>6</sub>H<sub>12</sub>O<sub>6</sub> + 6 O<sub>2</sub>
Soluhengityksen kokonaisreaktio C<sub>6</sub>H<sub>12</sub>O<sub>6</sub> + 6 O<sub>2</sub> -> 6 CO<sub>2</sub> + 6 H<sub>2</sub>O

a) Mikä seuraavista väitteistä on oikein? Perustele.

Fotosynteesissä orgaanisiin yhdisteisiin sidotun energian määrä on yhtä suuri kuin soluhengityksessä solun käyttöön vapautuneen energian määrä. VÄÄRIN
Fotosynteesissä orgaanisiin yhdisteisiin sidotun energian määrä on suurempi kuin soluhengityksessä solun käyttöön vapautuneen energian määrä. OIKEIN. Sokerin sitomiseen käytetään enemmän ATP:ta kuin mitä sitä polttamalla saadaan solun käyttöön. Seurausta termodynamiikan II pääsäännöstä.
Fotosynteesissä orgaanisiin yhdisteisiin sidotun energian määrä on pienempi kuin soluhengityksessä solun käyttöön vapautuneen energian määrä. VÄÄRIN

b) Mistä kasvi saa fotosynteesiin tarvitsemansa energian? V: auringon säteilyenergia
c) Mihin kasvi sitoo fotosynteesissä energiaa? V: orgaaniset yhdisteet, kuten glukoosi

----------------
B2. Fotosynteesin pigmentit

Oheisessa kaaviossa on esitetty fotosynteesin pigmenttien (klorofylli ja karotenoidit) absorptiospektri eri valon aallonpituuksilla.

a) Perustele kaavion avulla, miksi lehdet ovat vihreitä. V: lehdet heijastavat vihreän valon pois.
b) Perustele kaavion avulla, miksi lehdet muuttavat syksyllä väriään. V: Lehdissä oleva klorofylli hajoaa ja karotenoidien värit tulevat esille. Karotenoidit heijastavat keltaisen ja punaisen pois, joten lehdet ovat tämän värisiä.
c) Ota selvää, mihin kasvi käyttää karotenoideja. V: Ne auttavat absorboimaan säteilyenergiaa klorofyllien ohella.

----------------
B3. Energian vapauttaminen

Solun on huolehdittava energiataloudestaan. Soluissa sidotaan ja vapautetaan energiaa.

a) Mikä soluelin liittyy energian vapauttamiseen? V: mitokondrio.
b) Mikä kemiallinen reaktio siellä tapahtuu? V: Soluhengitys (sitruunahappokierto ja elektroninsiirtoketju)
c) Entä mikä soluelin vastaa energian sitomisesta? V: Viherhiukkanen
d) Mikä kemiallinen reaktio tapahtuu tässä soluelimessä? V: Fotosynteesi
e) Mitkä ovat näiden reaktioiden merkitykset eliöille? V: Tuottavat ATP:ta ja ravintoaineita solun käyttöön
f) Miten solujen energiatalous eroaa kasvi- ja eläinsolussa? V: Kasvisolut saavat energian auringonvalosta, eläinsolut ravinnon orgaanisista yhdisteistä

--------------------------
B4. Kloroplastit ja mitokondriot ovat soluelimiä, joiden tehtävät ovat peruspiirteiltään vastakkaiset. Selitä, mitä nämä tehtävät ovat.

V: Kloroplastien perustehtävä yhteyttävissä kasveissa on auringonvalon energian sitominen glukoosisokeriin lähtöaineina hiilidioksidi ja vesi. Auringonvalon energia sidotaan fotosynteesin valoreaktioissa, joissa hajotetaan vesimolekyylejä vedyksi ja hapeksi. Vapautunut vety siirretään vedynsiirtäjälle (NADPH) ja energia ATP:n fosfaattisidoksiin. ATP:n avulla hiili sidotaan pimeäreaktioissa lähtöaineena hiilidioksidi ja NADPH:n vety, jolloin lopputuotteena syntyy sokeria (C6H12O6). Eukaryoottisolujen sisältämien mitokondrioiden perustehtävä on energian vapauttaminen orgaanisista hiiliyhdisteistä solun aineenvaihdunnan ylläpitämiseksi. Lähtöaineena on palorypälehappo (pyruvaatti) ja lopputuotteina hiilidioksidi ja vesi. Palorypälehappo saadaan glukoosisokerin hajottamisesta glykolyysissä. Vapautunut energia sidotaan korkeaenergisen ATP:n fosfaattisidoksiin ja sitä voidaan käyttää solun monimutkaisten synteesien energian tarpeeseen. Tapahtumat ovat peruspiirteiltään vastakkaisia; toisessa auringon energian avulla hajotetaan vettä ja sidotaan hiilidioksidia, joilloin syntyy glukoosia. Toisessa taas hajotetaan glukoosia ja lopputuotteena syntyy hiilidioksidia ja vettä ja vapautuu energiaa. Vastakkaisena piirteenä voidaan myös pitää ATP:n kulutusta kloroplastissa ja ATP:n tuottoa mitokondriossa.

Lähde: YTL hyvän vastauksen piirteet: https://www.ylioppilastutkinto.fi/images/sivuston_tiedostot/Hyv_vast_piirt/FI_2014_K/2014_K_BI.pdf


--------------
B5. Viherhiukkaset ja mitokondriot (YO-tehtävä K2010)

Viherhiukkanen ja mitokondrio ovat keskeisiä soluelimiä. Tee taulukko näiden soluelinten tehtävistä, rakenteesta ja alkuperästä sekä totea, missä soluissa niitä esiintyy. Vastaukseen saat käyttää enintään yhden sivun.

viherhiukkanen mitokondrio
tehtävä valoenergian sitominen yhteyttämisreaktiossa eli fotosynteesissä (sokerin valmistus vedestä ja CO2:sta) energian vapauttaminen solun tarpeisiin soluhengityksessä (sokerin hajotus vedeksi + CO2)
rakenne kaksoiskalvorakenne: ulompi kalvo ympäröi, yhteyttäminen tapahtuu lehtivihreää sisältävissä kiekkopinoissa, DNA:ta ja ribosomeja kaksoiskalvo: ulompi kalvo ja poimuttunut sisäkalvo, jonka pinnoilla hengitysentsyymit, DNA:ta ja ribosomeja
alkuperä fotosyntetoiva syanobakteeri – endosymbioosi → osaksi aitotumallista solua soluhengitykseen pystynyt bakteeri - emdosymbioosi → osaksi aitotumallista solua
missä soluissa fotosynteesiin pystyvissä kasvi- ja leväsoluissa aitotumallisissa soluissa (sieni-, kasvi- ja eläinsoluissa)

--------------------------
C1. Kokeellinen tutkimus soluhengityksestä

Hengitä hetken ajan pienehköön muovipussiin. Sulje pussin suu tiiviisti ja katso, ettei pussi vuoda. Tarkkaile, mitä pussissa tapahtuu. Tarkkaile myös omaa hengitystäsi.

Noudata varovaisuutta pussiin hengittämisessä! Lopeta pussiin hengittäminen, jos tunnet huimausta tai heikkoa oloa.

a) Mitä hengitykselle tapahtuu ja miksi? V: hengitys tihentyy, sillä hengitysilmassa on enemmän hiilidioksidia ja vähemmän happea.

b) Mitä muovipussissa tapahtuu ja miksi? V: pintaan tiivistyy vettä. Vettä haihtuu keuhkopussien kautta.

c) Ota selvää, mitä on hyperventilaatio. Miksi pussiin hengittäminen helpottaa hyperventilaatiokohtausta? V: liian tiheä hengitys. Laskee liikaa veren hiilidioksidipitoisuutta, jolloin pH nousee. Pussiin hengittämällä nostetaan hiilidioksidipitoisuutta.


C2.


  1. noin 10-20 g. Liian vähän sokeria: hiivan on hajotettava tärkkelystä. Liikaa sokeria: hiivasolut joutuvat hypertoniseen liuokseen ja vesi poistuu niistä.
  2. Koska tällöin muodostuu liian väkevä (hypertoninen) liuos
  3. hiiva hajottaa tärkkelystä ravinnoksi.
  4. hiiva toimii parhaiten hieman happamassa. Toimintaa voidaan nopeuttaa nostamalla lämpötila +37°C:een.
  5. esimerkiksi vaihtelevat lämpötilat, erilaiset mittausastiat, mittausepätarkkuus.
  6. optimoidaan taikinan kohoaminen, ei hukata sokeria, ei liikaa makeutta.


C3.

  1. lehdissä oli valmiiksi jo kaasua, solujen välisessä tilassa.
  2. näin poistetaan lehdissä oleva kaasu.
  3. Ne alkavat tuottaa happea, mikä havaitaan kaasun muodostumisessa lehdissä.
  4. esimerkiksi: tuotettu happikaasu nopeuttaa palamista. Voidaan esimerkiksi testata hehkuvalla puutikulla muodostuvaa kaasua.
--------------------

C4. Kemosynteesi.
a) Mistä kemosynteettiset eliöt saavat energiaa, jonka ne sitovat orgaanisiin yhdisteisiin? V: epäorgaanisten yhdisteiden hapettamisesta.
b) Kuuluvatko kemosynteettiset eliöt ekosysteemissä tuottajiin, kuluttajiin vai hajottajiin? V: tuottajiin.
c) Millaisissa ympäristöissä kemosynteettisiä eliöitä tavataan? V: jotkin hapettomat ympäristöt. Ympäristöt, joissa on hapetettavaksi kelpaavaa epäorgaanista materiaalia, esim. rikkilähteet.


C5.

Soluhengitys

Fotosynteesi

Lähtöaineet

Orgaaniset yhdisteet (esim. sokeri) + happi

Hiilidioksidi ja vesi

Lopputuotteet

Hiilidioksidi ja vesi

Orgaaniset yhdisteet (esim. sokeri)

Energia saadaan

Orgaanisiin yhdisteisiin on sitoutunut kemiallista energiaa

Auringonvalo

Tapahtumapaikka

Mitokondrio

Viherhiukkanen

Merkitys

Energian vapauttaminen orgaanisista yhdisteistä

Energian sitominen orgaanisiin yhdisteisiin
  1. b) Ks. taulukko
  2. c) Vety: vedestä; hiili: hiilidioksidista; happi: hiilidioksidista
  3. d) Valon määrä, veden määrä, lämpötila. Mittaamalla hapen / hiilidioksidin määrän muutoksia / veden happamuuden muutoksia.

C6.

  1. Fotosynteesi vaatii suhteellisen monimutkaista soluelinjärjestelmää, joten sitä on pitänyt edeltää yksinkertaisemmat energian tuotantotavat. Fotosynteesi tuottaa myös lopputuloksena happea, jonka ilmaantumisen pystyy ajoittamaan maaperän kerrostumista, ja tämä tapahtui huomattavasti myöhemmin kuin ensimmäisten solujen ilmaantuminen.
  2. Energian virtauksen aikana tapahtuu hävikkiä - siksi kaikki tuottajien tuottama energia ei etene kuluttajille, ja siksi tuottajia on oltava enemmän kuin kuluttajia.
  3. Tyypillisimmin metaani, vetysulfidi tai ammoniakki.
  4. Paikoissa, joissa fotosynteesi on syystä tai toisesta mahdotonta, eli pimeissä paikoissa, kuten valtamertenpohjissa tai luolastoissa.

C7.

  1. Syvemmälle mentäessä valon määrä vähenee ja fotosynteesi on vaikeampaa. Perustuotantovyöhykkeellä eli alueella, jossa levät ja vesikasvit kasvavat, on riittävä määrä auringonvaloa yhteyttämiseen. Itämeressä perustuotantovyöhyke voi ulottua jopa 30 metrin syvyyteen.
  2. Eri aallonpituudet läpäisevät vettä eri tavalla. Matalimmalle kulkeutuvat valon pitkät aallonpituudet eli punainen valo. Syvimmälle kulkeutuu sininen ja vihreä valo. Sinistä ja vihreää valoa hyödyntävät parhaiten punalevät, jotka ovat yleisiä syvimmällä.

C8.

a) Ilmiössä Mitä ilmiössä tapahtui? Lasipullossa happea, sokeria → hiivasolut käyttävät energianlähteenään sokeria (mitokondrioissa​ aerobista soluhengitystä​ (glykolyysi, mitokondrioiden sitruunahappokierto ja elektroninsiirtoketju) → ATP:ta (38 ATP-molekyyliä) ja hiilidioksidia​. Hiilidioksidi nousee ilmapalloon → laajenee. Syntyvä vesi​ jää nesteeseen. Hiivasolut lisääntyvät nopeasti jakautumalla. Kun happi loppuu → anaerobinen alkoholikäyminen → vähän ATP:tä, kun palorypälehappo muuttuu etanoliksi, vapautuu edelleen hiilidioksidia.

b) Sokerin loputtua alkohilikäyminen loppuu ja hiivasolut jopa kuolevat.


D1.

Keittämätön hiivaliuos → Elävät hiivasolut → Hapen kuluminen → Värin katoaminen