7. Solu tarvitsee toimintoihinsa energiaa

Johdanto

Kaikki solut kuluttavat jatkuvasti energiaa. Energiaa kuluttavat niin pikajuoksijan lihaskudos kuin kasvin yhteyttävä perussolukko. Energiaa tarvitaan muun muassa aineenvaihduntaan (luku 6), aineiden kuljetukseen, lisääntymiseen ja viestintään. Jos solu ei pystyisi käyttämään energiaa, se ei kykenisi myöskään ylläpitämään keskeisiä toimintojaan. Tämä johtaisi solun kuolemaan.

7.1 Solun energiantuotannon perusteet

Sekä omavaraiset (autotrofiset) että toisenvaraiset (heterotrofiset) eliöt käyttävät energiaa. Omavaraiset eliöt pystyvät tuottamaan energian itse foto- tai kemosynteesin avulla. Toisenvaraiset eliöt käyttävät omavaraisten eliöiden tuottamia yhdisteitä hyväkseen. Esimerkiksi ihminen käyttää sokeriruo’on tuottamaa ruokosokeria ravinnokseen.

Ihminen tarvitsee energiaa jatkuvasti. Lepotilassa aikuisen ihmisen aivot kuluttavat noin viidenneksen kaikesta energiasta. Luustolihakset kuluttavat levossa suunnilleen saman verran. Maksa ja munuaiset yhdessä kuluttavat yli kolmanneksen. Myös esimerkiksi ruoansulatus-, verenkierto- ja hengityselimistö ja immuunipuolustus kuluttavat energiaa.

Kuten monet muutkin eliöt, myös ihminen tuottaa pääosan energiastaan soluhengityksellä, mutta osan tarvittaessa myös käymisen avulla (maitohappokäyminen). Ihmisellä on energiankäyttöä varten runsaat energiavarastot. Lihaksessa ja maksassa energiaa on varastoitunut glykogeeniksi, jota hajottamalla glukoosiksi energiaa vapautuu nopeasti.  Glykogeeniä on varastoitunut elimistöön parin päivän käyttöä varten. Tätä suuremmat varastot sijaitsevat rasvakudoksissa. Lihava, rasvavarastoja kerännyt ihminen voisi elää useita kuukausia pelkästään rasvavarantojensa turvin! Tosin tällöinkin elimistö tarvitsee vettä sekä lisäksi useita vitamiineja. Pelkkää ”vesidieettiä” pidetäänkin usein terveydelle vaarallisena juuri vitamiinien puutteen vuoksi.

Sekä oma- että toisenvaraiset eliöt käyttävät suurienergisiä molekyylejä energian varastoimiseen. Tällainen molekyyli on esimerkiksi glukoosi eli rypälesokeri. Koska glukoosi on tyypillinen solussa käytettävä energianlähde, sitä käytetään usein mallina energia-aineenvaihdunnassa. Tärkkelys ja glykogeeni koostuvat yhteen liittyneistä glukoosiyksiköistä. Solu polttaa glukoosia energia-aineenvaihdunnassa joko soluhengityksen tai käymisen avulla ja varastoi näistä reaktioista saamansa energian ATP-molekyyleihin.

7.2 Soluhengitys

Soluhengitys on solujen tehokas tapa saada käyttöönsä orgaanisten aineiden, kuten sokereiden, sisältämää energiaa. Soluhengityksessä yhdestä glukoosimolekyylistä ja kuudesta happimolekyylistä syntyy kuusi hiilidioksidimolekyyliä ja kuusi vesimolekyyliä. Lisäksi muodostuu yli 30 ATP-molekyyliä.

SOLUHENGITYKSEN KAAVA:

C6H12O6 + 6 O2 ➞ 6 CO2 + 6 H2O (muodostuu > 30 ATP-molekyyliä)

Soluhengitys on happea kuluttava reaktiosarja ja lähes kaikki hapellisissa oloissa elävät eliöt hyödyntävätkin soluhengitystä. Näihin eliöihin kuuluvat kasvit, eläimet, alkueliöt sekä monet bakteerit. Aitotumaisilla eliöillä soluhengitys tapahtuu solulimassa ja mitokondriossa.  Bakteereilla soluhengitys tapahtuu solulimassa ja hengityskalvostolla.

Soluhengitys koostuu kolmesta vaiheesta: glykolyysistä, sitruunahappokierrosta ja elektroninsiirtoketjusta.

7.3 Glykolyysi

Glykolyysi on solulimassa tapahtuva monivaiheinen reaktiosarja, jossa glukoosimolekyyli hajotetaan kahdeksi pyruvaattimolekyyliksi. Reaktiosarjan tuotteena syntyy yhteensä kaksi ATP-molekyyliä, vettä ja pelkistyneitä elektroninsiirtäjiä (NADH:a). Glykolyysi tapahtuu solulimassa.

Glykolyysissä solu ei käytä happea, joten se on anaerobinen reaktiosarja. Se tuottaa kuitenkin vain vähän energiaa. Glykolyysissä tuotetut pyruvaatit hajotetaan sitruunahappokierrossa.

Jos happea on käytettävissä, pyruvaatit pilkotaan sitruunahappokierrossa ja elektroninsiirtoketjussa. Tällöin vapautuu paljon energiaa. Vaihtoehtoisesti pyruvaatit voidaan käsitellä käymisen avulla.

Lisätietoa glykolyysistä.

7.5 Elektroninsiirtoketju

Elektroninsiirtoketju on soluhengityksen vaihe, jossa solu käyttää happea. Se tuottaa huomattavasti enemmän energiaa kuin edeltävät soluhengityksen vaiheet (glykolyysi tai sitruunahappokierto). Glykolyysi ja sitruunahappokierto tuottavat kukin vain kaksi ATP-molekyyliä yhtä glukoosimolekyyliä kohden. Elektroninsiirtoketjussa niitä syntyy jopa yli 30.

Lisätietoa elektroninsiirtoketjusta.

7.6 Soluhengityksen lopputulos

Soluhengityksessä syntyy runsaasti ATP-muotoon varastoitunutta energiaa, hiilidioksidia ja vettä. Yhdestä glukoosimolekyylistä syntyy glykolyysissä kaksi, sitruunahappokierrossa kaksi ja elektroninsiirtoketjussa jopa yli 30 ATP-molekyyliä. Suurin osa syntyneestä ATP:stä syntyy siis elektroninsiirtoketjussa. Soluhengityksen hyötysuhde ei ole kuitenkaan täydellinen. Osaa vapautuvasta energiasta ei saada sidottua ATP-molekyyleihin vaan se vapautuu lämpönä ympäristöön.

Vaikka sitruunahappokierrossa ei suoraan tarvitakaan happea, se pysähtyy, jos happi solusta loppuu. Tämä johtuu siitä, että solussa olevat pelkistyneet elektroninsiirtäjät (NADH) eivät pääse luovuttamaan elektronejaan elektroninsiirtoketjulle. Kun sitruunahappokierron entsyymeillä ei ole saatavilla hapettuneita elektroninsiirtäjiä (NAD+), reaktiosarja pysähtyy. Solu voi tosin kierrättää pelkistyneet elektroninsiirtäjät hapettuneiksi käymisen avulla.

7.7 Käyminen

Solu käyttää ATP-varantonsa nopeasti loppuun, joten energiantuotannon on jatkuttava yhtäjaksoisesti. Jos solulla tulee pulaa hapesta, se joutuu turvautumaan käymiseen, joka on tehottomampi energiantuotantomuoto.  Tällainen tilanne voi syntyä esimerkiksi kovan urheilusuorituksen aikana, kun elimistö ei pysty toimittamaan riittävän nopeasti happea kudoksille. Myös monet hapettomissa oloissa elävät pieneliöt hyödyntävät käymistä.

Käymisessä solu pelkistää glykolyysissä syntyneen pyruvaatin toiseksi yhdisteeksi. Käyminen on energiantuotannon kannalta tehoton vaihtoehto, sillä sen lopputuotteisiin jää jäljelle runsaasti energiaa. Energiaa siis vapautuu vain vähän solun käyttöön. Kuitenkin hapettomissa oloissa elävät eliöt joutuvat usein käyttämään käymistä energianlähteenään. Tässä käymisen muodoista esitellään maitohappokäyminen ja etanolikäyminen.

Maitohappokäymistä tapahtuu ihmisen lihaksessa, jos hapesta syntyy äkillinen puute. Tätä tilannetta kutsutaan usein ”hapoille menemiseksi”. Maitohappokäymisessä solu pelkistää pyruvaatin NADH:n avulla laktaatiksi eli maitohapon ionimuodoksi. Tämä laktaatti kuljetetaan myöhemmin verenkierrossa maksaan, jossa se voidaan palauttaa pyruvaatiksi. Soluihin kertyvä laktaatti aiheuttaa lihasten väsymisen ja kipeytymisen.

Esimerkiksi leivinhiiva voi käyttää etanolikäymistä hapettomissa oloissa. Etanolikäymisessä pyruvaatista lohkeaa pois hiilidioksidia jolloin muodostuu asetaldehydimolekyylejä. Nämä molekyylit vastaanottavat pelkistyneiden elektroninsiirtäjien elektronit ja pelkistyvät etanoliksi. Etanolikäymistä hyödynnetään esimerkiksi leivonnassa ja alkoholituotannossa. Käytettäessä hiivaa leivonnassa etanolikäymisessä syntyvä hiilidioksidi nostattaa taikinan. Myös muutamat eläimet, kuten ruutana, voivat hyödyntää alkoholikäymistä hapettomissa oloissa.

Lisätietoa käymisestä.

Testaa itsesi!

Kirjaudu sisään lähettääksesi tämän lomakkeen

Soluhengityksessä tuotetaan






Soluhengityksessä eniten ATP:ta tuottaa






Käymisen lopputuote on




Kirjaudu sisään lähettääksesi tämän lomakkeen

Luvun 7 tiivistelmä

  • Sekä oma- että toisenvaraiset eliöt käyttävät energiaa.
  • Ihminen tuottaa energiansa pääosin soluhengityksen avulla. Soluhengitys koostuu kolmesta vaiheesta: glykolyysistä, sitruunahappokierrosta ja elektroninsiirtoketjusta.
  • SOLUHENGITYKSEN KAAVA: C6H12O6 + 6 O2 ➞ 6 CO2 + 6 H2O
  • Glykolyysi tapahtuu solulimassa eikä vaadi happea. Siinä glukoosi hajotetaan kahdeksi pyruvaattimolekyyliksi. Vapautuva energia sidotaan ATP:hen ja elektroninsiirtäjiin.
  • Sitruunahappokierto tapahtuu mitokondriossa. Siinä pyruvaatti hapetetaan hiilidioksidiksi. Vapautuva energia sidotaan ATP:hen ja elektroninsiirtäjiin.
  • Glykolyysissä ja sitruunahappokierrossa syntyneet elektroninsiirtäjät luovuttavat elektroninsa elektroninsiirtoketjulle. Tässä reaktiosarjassa vapautuu runsaasti energiaa, joka sidotaan ATP-muotoon. Elektroninsiirtoketju kuluttaa happea.
  • Käymisessä solu ei tarvitse happea energiantuotantoon. Siinä solu pelkistää glykolyysissä syntyneen pyruvaatin toiseksi yhdisteeksi. Käymistä ovat esimerkiksi maitohappo- ja etanolikäyminen.
Lue myös ravitsemusterapeutin haastattelu.

Navigointi

1. Eliöt koostuvat soluista
2. Solu on toimiva kokonaisuus
3. Solut muodostavat solukkoja ja kudoksia
4. Solut rakentuvat molekyyleistä
5. Solukalvo erottaa solun ympäristöstä
6. Solun toiminta on aineenvaihduntaa
7. Solu tarvitsee toimintoihinsa energiaa
8. Fotosynteesissä solu sitoo auringon valoenergiaa
9. Dna:n rakenne ja geenit
10. Dna ohjaa proteiinien valmistamista
11. Solun kasvu ja jakautuminen
12. Sukusolut ja sukupuoli
13. Ominaisuuksien periytyminen
14. Useamman ominaisuuden periytyminen
15. Muuntelu ja mutaatiot
16. Perinnöllisyys ja evoluutio