4. Solut rakentuvat molekyyleistä
Johdanto
Kaikki Maassa tavatut eliöt koostuvat pohjimmiltaan samoista orgaanisista rakennusaineista: hiilihydraateista, lipideista, proteiineista ja nukleiinihapoista. Kun NASA:n tutkijat vuonna 2010 ilmoittivat löytäneensä bakteerin, joka käyttää dna:ssa fosforin sijasta arseenia, ajateltiin löydön romuttavan vanhat biologian perusperiaatteet. Kuitenkin vuonna 2011 osoittautui, että bakteerin dna:ssa on fosforia kuten muillakin eliöillä. Se tulee kuitenkin toimeen korkeammassa arseenipitoisuudessa kuin muut eliöt. Tämä löytö vahvistaa nykyistä käsitystä: eliöt voivat elää monenlaisissa olosuhteissa, mutta niiden kemiallinen koostumus on pohjimmiltaan samankaltainen.
4.1 Solun alkuaineet ja yhdisteet
Kaikissa eliöissä on runsaasti hiiltä (C), happea (O), vetyä (H) ja typpeä (N), joita ne tarvitsevat aineenvaihduntaansa. Esimerkiksi ihmisen kehon koostumuksesta yli 96% on näitä alkuaineita.
Hiili on kemiallisesti ainutlaatuinen alkuaine. Se pystyy muodostamaan kovalenttisen sidoksen jopa neljään muuhun alkuaineeseen, kuten toiseen hiileen, typpeen, vetyyn ja happeen. Koska hiiliatomit voivat liittyä toisiinsa hyvin monella eri tavoin, ne voivat muodostaa suuria ja monimutkaisia yhdisteitä. Tällaisia yhdisteitä kutsutaan orgaanisiksi yhdisteiksi. Kaikki elävässä luonnossa tavattavat monimutkaiset molekyylit ovat orgaanisia. Tähän joukkoon kuuluvat niin hiilihydraatit, proteiinit kuin lipiditkin.
Lisäksi elimistö tarvitsee toimintaansa monia hivenaineita. Niin sanottuihin makrokivennäisiin kuuluvat kalsium (Ca), fosfori (P), kalium (K), rikki (S), natrium (Na), kloori (Cl) ja magnesium (Mg). Niitä tarvitaan enemmän kuin mikrokivennäisiä, joihin kuuluvat muun rauta (Fe) ja jodi (I).
Solulle tärkeimmät alkuaineet voi muistaa helposti seuraavasta muistilauseesta: C HOPKN’S CaFe Mg (Hiili, vety, happi, fosfori, kalium, typpi, rikki, kalsium, rauta, magnesium).
4.2 Kemialliset vuorovaikutukset ja reaktiot ovat elämälle tärkeitä
Soluissa tapahtuu jatkuvasti erilaisia monivaiheisia kemiallisia reaktioita, jotka pitävät yllä elämää. Kemiallisten reaktioiden avulla solu voi hyödyntää ympäristöstä ottamiaan aineita. Esimerkiksi glukoosin palaminen lihaksessa koostuu sarjasta kemiallisia reaktioita, jotka tuottavat solulle energiaa soluhengityksessä tai käymisessä.
Kemialliset reaktiot ovat elämälle välttämättömiä. Mikäli reaktiot lakkaisivat, eliöt eivät pystyisi aineenvaihduntaan, liikkumiseen, lisääntymiseen tai kasvuun. Eliöt pyrkivät kaikin tavoin siihen, että niiden tarvitsemat kemialliset reaktiot voisivat jatkua. Jos riittävän moni kemiallinen reaktio lakkaa, eliö kuolee.
Lisätietoa kemiallisista sidoksista.
4.3 Vesi on elämän edellytys
Maapallon ulkopuolista elämää tutkivat astrobiologit ovat pohtineet, millaisia ekosysteemejä Aurinkokunnan ulkopuolella voisi olla. Vaikka vesi on Maan elämälle välttämätöntä, on esitetty, että esimerkiksi metaani voisi korvata sen toisenlaisessa elinympäristössä. Vedellä on kuitenkin useita sellaisia ominaisuuksia, joita ei ole tavattu muilla molekyyleillä. Sen vuoksi elämää etsittäessä halutaan ensiksi löytää usein vettä.
Vesi koostuu maailmankaikkeuden yleisimmästä (vety) ja kolmanneksi yleisimmästä alkuaineesta (happi). Se on melko yksinkertainen, pienikokoinen ja kestävä molekyyli, jota muodostuu vedyn reagoidessa hapen kanssa (palamisreaktio). Veden ainesosista ei siis ole puutetta. Vettä esiintyy runsaasti myös maapallon ulkopuolella.
Vesi on poolinen molekyyli. Se pystyy muodostamaan vetysidoksia ja heikkoja sidoksia muiden molekyylien kanssa, mikä tekee siitä hyvän liuottimen. Elämälle tärkeät kemialliset reaktiot tapahtuvat vesiliuoksessa. Vesi osallistuu myös itse monenlaisiin reaktioihin. Esimerkiksi fotosynteesissä vedestä ja hiilidioksidista muodostuu glukoosia. Vesi pystyy toimimaan liuoksessa sekä happona että emäksenä. Se siis voi sekä vastaanottaa että luovuttaa elektroneita. Näistä syistä vesi liittyy moniin elämälle tärkeisiin reaktioihin.
Veden poolisuus aiheuttaa monet veden tutut ominaisuudet. Vesi pystyy sitoutumaan toisiin vesimolekyyleihin (koheesio), mikä näkyy muun muassa veden suurena pintajännityksenä. Vesimolekyylit pystyvät myös sitoutumaan muihin pintoihin (adheesio), mikä edesauttaa veden kulkeutumista kasvin puuosassa.
Koska vesi on poolinen molekyyli, se ei pysty liuottamaan poolittomia molekyylejä, kuten rasvoja. Vesimolekyylit muodostavat sidoksia mieluummin keskenään kuin poolittomien molekyylien kanssa. Tätä ilmiötä kutsutaan hydrofobiseksi vuorovaikutukseksi ja se saa aikaan esimerkiksi solukalvolle tyypillisen kaksoiskalvorakenteen (luku 5).
Vedellä on suuri ominaislämpökapasiteetti. Mitä suurempi ominaislämpökapasiteetti on, sitä enemmän energiaa tarvitaan muuttamaan vettä sisältävän kappaleen lämpötilaa. Vesi siis lämpenee ja jäähtyy hitaammin kuin muut aineet. Tämä mahdollistaa suhteellisen tasaisen ilmaston ja hitaat muutokset ekosysteemeissä. Hitaat lämpötilamuutokset mahdollistavat elämän tasaisen kehityksen.
Vedellä on myös suuri sulamis- ja höyrystymislämpö, joten jään sulattamiseen ja veden haihtumiseen vaaditaan paljon energiaa. Toisaalta myös veden jäätyminen ja tiivistyminen vapauttaa paljon energiaa. Myös tämä tasaa lämpötilanvaihteluita maapallolla. Hikoilussa hyödynnetään veden suurta höyrystymislämpöä, sillä hien haihtuminen iholta sitoo lämpöenergiaa. Näin elimistö jäähtyy.
Vesi käyttäytyy fysikaalisesti toisin kuin monet muut aineet. Esimerkiksi paineen nostaminen saa jään sulamaan, kun yleensä aineet kiinteytyvät painetta nostettaessa. Lisäksi nestemäinen vesi on tiheintä +4 °C:ssa. Tästä syystä esimerkiksi järvet ja meret eivät jäädy pohjasta, vaikka pinnalla olisi paksukin jääkerros.
Galleria 4.3 Veden ominaisuudet
4.4 Hiilihydraatit
Hiilihydraatit muodostuvat enimmäkseen hiilestä, hapesta ja vedystä. Alun perin niiden ajateltiin olevan veden ja hiilen muodostamia yhdisteitä, sillä niiden molekyylikaava koostuu yhdestä hiiliatomista ja yhdestä vesimolekyylistä (C·H2O)n. Esimerkiksi glukoosin (C6H12O6) voidaan ajatella olevan hiilihydraatti (C·H2O)6. Nykyään tiedetään, että hiilihydraatit voivat sisältää myös muita alkuaineita ja ne eivät muodostu suoraan liittämällä vettä hiileen. Hiilihydraatit voidaan jakaa rakenteen perusteella mono-, di- ja polysakkarideiksi.
Monosakkarideilla tarkoitetaan yksinkertaisimpia hiilihydraatteja, joissa on ainakin kolme hiiliatomia. Niistä tyypillisimpiä ovat kuusihiiliset glukoosi, fruktoosi ja galaktoosi. Glukoosi eli rypälesokeri on useimpien solujen perusenergianlähde. Fruktoosia eli hedelmäsokeria löytyy nimensä mukaisesti monista hedelmistä. Myös dna:ssa ja rna:ssa olevat deoksiriboosi ja riboosi ovat monosakkarideja.
Monosakkaridit muodostavat vesiliuoksessa usein rengasmaisia rakenteita, jotka voivat liittyä toisiinsa. Kun kaksi monosakkaridia liittyy toisiinsa kiinni glykosidisella sidoksella, syntyy disakkaridi. Disakkarideja ovat esimerkiksi sakkaroosi (ruokosokeri) ja laktoosi (maitosokeri). Sakkaroosi koostuu yhdestä glukoosista ja yhdestä fruktoosista ja laktoosi glukoosista ja galaktoosista. Monosakkarideja ja disakkarideja voidaan kutsua sokereiksi.
Jos useat monosakkaridiyksiköt liittyvät toisiinsa, syntyy polysakkaridi. Esimerkiksi glukoosin muodostamia polysakkarideja ovat muun muassa selluloosa, tärkkelys ja glykogeeni.
Solut voivat käyttää polysakkarideja rakennusaineina. Niiden tehtävänä on rakenteen tukeminen, veden sitominen ja solukalvon sisäpuolisen osan suojaaminen. Rakennepolysakkaridit ovat usein kemiallisesti kestäviä ja sen vuoksi sopivat huonosti ravinnoksi.
Rakennepolysakkarideja ovat esimerkiksi kasvien selluloosa ja levien agaroosi. Selluloosa on suoraketjuinen, peräkkäisistä glukoosimolekyyleistä koostuva kestävä makromolekyyli. Esimerkiksi kasvien soluseinä on selluloosaa.
Solu voi käyttää polysakkarideja myös energian varastoimiseen. Varastopolysakkaridit ovat yleensä helpommin hajoavia kuin rakennepolysakkaridit ja sen vuoksi sopivat paremmin ravinnoksi.
Varastopolysakkarideista yleisiä ovat tärkkelys ja glykogeeni. Tärkkelys on kahdesta glukoosin polysakkaridista koostuva kasvien varastomolekyyli. Glykogeeni on tärkkelystä vastaava varastomolekyyli eläimillä. Sitä löytyy muun muassa lihaksesta ja maksasta.
Myös monissa muissa molekyyleissä, kuten dna:ssa ja rna:ssa, on sokeriosia. ATP eli adenosiinitrifosfaatti on solun väliaikainen energiamuoto, joka sisältää riboosia. Myös monissa proteiineissa ja lipideissä on kiinni hiilihydraattiosia.
Polysakkaridit
4.5 Lipidit
Lipidit eli rasva-aineet ovat joukko veteen liukenemattomia aineita. Niihin kuuluvat esimerkiksi rasvat, kalvolipidit ja steroidit. Lipidit koostuvat pääasiassa hiilestä, vedystä ja hapesta. Joissakin lipideissä on myös fosforia, typpeä ja rikkiä.
Lipideillä on lukuisa joukko biologisia tehtäviä. Ne muodostavat solun kalvorakenteet, jotka eristävät solun ympäristöstä. Jotkin lipidit toimivat energian varastomolekyyleinä ja toiset viestimolekyyleinä kuten hormoneina.
Rasvat eli triglyseridit toimivat eliöiden energian varastomuotona ja ne sisältävät runsaasti energiaa painoonsa nähden. Rasvat toimivat lisäksi myös lämmöneristeenä ja suojaavat elimiä mekaaniselta ärsytykseltä. Kasveilla rasvoja on esimerkiksi siemenissä energianlähteenä. Jotkin eläimet, kuten kaskelotti, käyttävät rasvavarastojaan kelluvuuden säätelyyn.
Kalvolipidit ovat tärkeitä solukalvon rakennusosia ja ne muodostuvat fosfolipideistä ja glykolipideistä. Kalvolipidit ovat toisesta päästä vesihakuisia eli hydrofiilisia ja toisesta päästä vesipakoisia eli hydrofobisia. Tällaisia molekyylejä kutsutaan amfipaattisiksi. Amfipaattiset molekyylit muodostavat vesiliuoksessa kaksoiskalvoja. Kaksoiskalvossa hydrofobiset rasvahappopäät ovat pakkautuneet yhteen poispäin vesiliuoksesta. Sen sijaan hydrofiiliset päät osoittavat kohti vesipitoista solulimaa tai solun ulkopuolista nestettä.
Steroideilla on tyypillinen useasta hiilirenkaasta koostunut rakenne, mikä tekee rakenteesta jäykän ja joustamattoman. Kolesteroli on eräs steroidi, ja sitä esiintyy kaikilla solukalvoilla. Sillä on tärkeä tehtävä solukalvon rakenteen jäykistäjänä. Lisäksi steroideihin kuuluvat monet hormonit ja vitamiinit, kuten D-vitamiini. Myös monet sukupuolihormonit, kuten testosteroni ja estradioli, ovat steroideja.
4.6 Proteiinit
Proteiinit eli valkuaisaineet ovat solun toiminnan kannalta keskeisiä rakennusosia. Monet proteiinit ovat entsyymejä, jotka mahdollistavat nopeat biologiset reaktiot. Lisäksi monet proteiinit toimivat rakenteen ja liikkumisen kannalta tärkeissä tehtävissä. Ihmisen elinaikana elimistössä valmistetaan satojatuhansia erilaisia proteiineja.
Proteiinit koostuvat aminohapoista. Ihmisellä proteiineissa aminohappoja on 20 erilaista, ja ne koostuvat pääasiassa hiilestä, vedystä, hapesta ja typestä. Proteiineissa aminohapot ovat kiinnittyneet toisiinsa peptidisidoksella. Tällaista aminohapoista muodostunutta ketjua kutsutaan polypeptidiksi. Proteiinissa voi olla useita tällaisia polypeptidiketjuja, jotka ovat laskostuneet niille tyypilliseen kolmiulotteiseen muotoon. Pienimmissä proteiineissa on muutamia kymmeniä aminohappoja ja suurimmissa jopa kymmeniä tuhansia. Proteiinissa olevaa aminohappoa kutsutaan aminohappotähteeksi, sillä peptidisidoksen muodostuessa aminohappojen välistä lohkeaa pois yksi vesimolekyyli.
Proteiinin rakenne voidaan luokitella neljään luokkaan. Primäärirakenteella tarkoitetaan aminohapoista muodostuvaa polypeptidiketjua. Se kuvaa, millaisia aminohappotähteitä proteiinissa on ja missä järjestyksessä. Koska aminohappoja on 20 erilaista, on erilaisia primäärirakenteita äärettömän monia. Esimerkiksi viiden aminohapon mittaisia peptidejä voi olla 205=3 200 000 erilaista. Pienehkö proteiini, jossa on 100 aminohappoa voi siis koostua jopa 20100 eri tavalla. (Tässä luvussa on 130 numeroa.) Proteiinin primäärirakenne on siis ainutlaatuinen ja se määrittää myös muut proteiinirakenteen tasot.
Proteiinit aminohappoketju alkaa heti muodostuessaan laskostumaan eli muodostamaan kolmiulotteista rakennetta, sillä aminohappotähteet sitoutuvat toisiinsa ja ympäröiviin molekyyleihin heikoilla sidoksilla. Sekundäärirakenteella tarkoitetaan paikallisia kolmiulotteisia rakenteita proteiinissa. Aminohappoketju muodostaa usein kierteitä (α-kierre) tai levymäisiä rakenteita (β-levy). Tämä johtuu siitä, että aminohapot muodostavat välilleen heikkoja sidoksia ja aminohappoketjut laskostuvat helpoimmin näihin rakenteisiin.
Tertiäärirakenteella tarkoitetaan lopullista proteiinin ottamaa kolmiulotteista rakennetta. Se koostuu sekundäärirakenteista, jotka ovat liittyneet toisiinsa. Kolmiulotteiseen rakenteeseen vaikuttavat esimerkiksi lukuiset heikot sidokset ja niin sanotut rikkisillat. Proteiinin primäärirakenne määrää, millaiseen rakenteeseen proteiini laskostuu. Useimmiten kaikki solun valmistamat polypeptidiketjut laskostuvat siis samankaltaiseen kolmiulotteiseen muotoon.
Monet proteiinit koostuvat useammasta kuin yhdestä polypeptidiketjusta. Tällaista usean polypeptidin muodostamaa rakennetta kutsutaan kvaternäärirakenteeksi.
Laskostumisen aikana tai sen jälkeen proteiinia voidaan muokata. Siihen voidaan liittää esimerkiksi lipidi- ja sokeriosia sekä muun muassa fosfaattia. Lipidiosia sisältäviä proteiineja kutsutaan lipoproteiineiksi. Esimerkiksi veressä kolesterolia kuljettavat HDL- ja LDL-proteiinit ovat lipoproteiineja. Sokeriosia sisältäviä proteiineja eli glykoproteiineja tavataan etenkin solukalvolla ja solun ulkopuolella.
Proteiineilla on ääretön määrä erilaisia tehtäviä. Monet proteiinit toimivat entsyymeinä eli kemiallisia reaktioita nopeuttavina biologisina katalyytteinä. Toiset proteiinit, kuten soluväliaineen kollageeni ja elastiini, ovat tärkeitä solun ja eliön rakenteen kannalta. Proteiini voi olla kiinnittynyt solukalvoon, jolloin sitä kutsutaan kalvoproteiiniksi. Kalvoproteiinit toimivat esimerkiksi viestinvälittäjinä, tunnistavat toisia soluja ja rakenteita sekä kuljettavat ravintoa. Käytännössä proteiinit osallistuvat lähes kaikkiin solun tehtäviin.
4.7 Nukleiinihapot
Vaikka proteiinit ovat solun toiminnalle välttämättömiä, ei niitä voida tuottaa ilman tietoa niiden rakenteesta. Tätä tietoa varastoivat ja välittävät nukleiinihapot dna (deoksiribonukleiinihappo) ja rna (ribonukleiinihappo).
Nukleiinihapoilla on monia yhteisiä piirteitä ja niiden rakenteet muistuttavat toisiaan läheisesti. Kaikissa nukleiinihapoissa on sokeri-, fosfaatti- ja emäsosa. Sokerin, emäksen ja fosfaatin muodostamaa kokonaisuutta kutsutaan nukleotidiksi. DNA:n sokeriosana on viisihiilinen deoksiriboosi ja emäksinä tymiini (T), adeniini (A), guaniini (G) ja sytosiini (C).
Dna ja rna eroavat kemialliselta rakenteeltaan toisistaan ainoastaan sokeriosan yhden hydroksyyliryhmän osalta. Lisäksi rna:ssa tymiiniemäksen korvaa samankaltainen urasiili (U). Dna ja rna ovat nukleotidien muodostamia nukleiinihappopolymeereja. Polymeerin rungon muodostavat sokeri- ja fosfaattiosat, ja sokeriosiin on kiinnittynyt emäksiä. Näiden erojen vuoksi rna:n rakenne poikkeaa dna:n kaksikierteisestä rakenteesta.
Dna muodostaa kaksoiskierteisen rakenteen eli heeliksin. Siinä kaksi nukleiinihappoketjua on kiinnittynyt toisiinsa. Vastakkaisten ketjujen emäsosat pariutuvat keskenään siten, että tymiiniä vastaa aina adeniini ja guaniinia sytosiini. Dna:n rakennetta ja toimintaa käsitellään tarkemmin luvussa 9.
Dna:n tehtävänä on säilöä ja välittää eteenpäin geneettistä informaatiota eli tietoa solun toiminnasta ja rakenteesta. Pääsääntöisesti eliön kaikissa soluissa oleva dna on samanlaista ja se periytyy myös jälkeläisille. Dna:n emäsjärjestys voi vaihdella ja sen vuoksi lajit ja niiden yksilöt eroavat toisistaan ominaisuuksiltaan.
Rna:n tehtävänä on välittää dna:n sisältämä tieto eteenpäin, jotta solu osaisi tuottaa proteiineja. Rna:n monipuolisia tehtäviä käsitellään tarkemmin luvussa 10.
Dna:n rakenne ja toiminta on osoittautunut olevan kaikilla tunnetuilla eliöillä samankaltaista. Tämä viittaa siihen, että kaikilla tuntemillamme eliöillä on yhteinen alkuperä. Myös dna:n emäsjärjestystä vertailemalla voidaan tutkia eliöiden välistä sukulaisuutta. Dna:n emäsjärjestyksen tutkiminen onkin osoittautunut hedelmälliseksi paitsi biologian myös lääketieteen kehityksen kannalta.
Dna:n kaksoiskierteessä kierteen rungon muodostavat sokeri- ja fosfaattiosat. Sokeri-fosfaattirungossa kiinni olevat emäkset ovat sitoutuneet vastinemäkseensä vetysidoksin (katkoviivat).
Testaa itsesi!
Luvun 4 tiivistelmä
- Solun yleisimmät alkuaineet ovat vety, happi, hiili ja typpi. Solut tarvitsevat myös mm. fosforia, rikkiä ja muita makro- ja mikrokivennäisiä.
- Kemialliset reaktiot pitävät solun toimintaa yllä.
- Veden ominaisuudet tekevät siitä elämän ehdon: se on yleinen aine, poolisena hyvä liuotin ja sillä on lämpötilaeroja tasoittava vaikutus.
- Hiilihydraatit koostuvat enimmäkseen vedystä, hapesta ja vedestä. Niiden molekyylikaavan voidaan ajatella olevan muotoa (C·H2O)n. Hiilihydraatit jaetaan mono- ja polysakkarideihin.
- Lipidit ovat joukko veteen liukenemattomia aineita. Niihin lukeutuvat esimerkiksi rasvat, kalvolipidit ja steroidit.
- Proteiineja tarvitaan solun kaikkiin toimintoihin. Ne koostuvat aminohapoista, jotka ovat peptidisidoksin kiinni toisissaan. Proteiini laskostuu solussa tiettyyn kolmiulotteiseen muotoon. Proteiinin rakenteesta voidaan erottaa neljä eri tasoa.
- Nukleiinihappoja ovat mm. tiedon säilönnän kannalta tärkeät dna ja rna. Niissä on sokeri-, fosfaatti- ja emäsosa.
Diat lukuun 4
Navigointi
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