5. Solukalvo erottaa solun ympäristöstä
Johdanto
Kaikkia soluja ympäröi solukalvo. Se ympäröi niin kuumissa lähteissä eläviä bakteereita kuin ihmisenkin soluja. Tämä viittaa siihen, että solukalvolla on erittäin tärkeä merkitys solun toiminnalle. Se eristää solun ympäristöstä sekä huolehtii aineiden kuljetuksesta soluun ja solusta ulos. Solun sisällä on myös muita kalvorakenteita, jotka toimivat vastaavalla tavalla kuin solukalvo. Lisäksi esimerkiksi sieni- ja kasvisoluilla on soluseinä, joka tukee ja suojaa kasvia solukalvon ohella (luku 2).
5.1 Solukalvon rakenne
Solukalvo koostuu kalvolipideistä (luku 4), joiden toinen pää hakeutuu vedestä poispäin ja toinen pää kohti vettä. Kalvolipidien hydrofobiset osat pakkautuvat siis yhteen ja hydrofiiliset osat kääntyvät kohti vesiliuosta. Tämä saa aikaan kaksoiskalvorakenteen, jossa kalvon sisällä ovat yhteen pakkautuneet hydrofobiset osat ja kalvon ulkopinnalla hydrofiiliset osat hakeutuvat kohti vettä. Kalvolipidimolekyylejä on solukalvossa kaksi kerrosta ja kalvoon on uppoutuneena myös proteiineja.
Solukalvo on taipuisa mutta tiivis rakenne. Joustavat kalvolipidit ovat kiinnittyneet toisiinsa heikoilla sidoksilla, mikä mahdollistaa niiden liikkumisen toistensa lomitse. Solukalvon liikkuvuus on kasvirasvan luokkaa, sillä se sisältää runsaasti tyydyttymättömiä rasvahappoja (luku 4).
Solukalvo voikin liikkua huomattavasti ennen kun se rikkoontuu. Solukalvo voi myös muodostaa poimuja ja rakkuloita, joita voi myös kuroutua irti kalvosta. Solu voi myös ottaa aineita tai jopa toisia soluja sisäänsä tai poistaa niitä kalvorakkuloiden avulla. Esimerkiksi valkosolu pystyy nielemään bakteereja solusyönnin eli endosytoosin avulla. Solu ympäröi sisään otettavan kappaleen solukalvolla, joka kuroutuu solun sisään. Vastaavasti solu voi erittää suurikokoisia molekyylejä käänteisen ilmiön, eksosytoosin avulla (käänteinen solusyönti).
Kalvorakenteet ovat yleisiä myös solun sisällä. Esimerkiksi mitokondrio, viherhiukkanen, solulimakalvosto ja Golgin laite sisältävät kalvorakenteita (luku 2). Solukalvo sisältää myös kolesterolia, jonka tehtävänä on jäykistää solukalvoa. Lisäksi solukalvolla on kalvoproteiineja, jotka voivat olla kalvon pinnalla tai uppoutua koko kalvon lävitse. Kalvoproteiinit toimivat muun muassa aineiden kuljettajina, entsyymeinä ja viestinvälittäjinä.
Galleria 5.1 Kalvolipidit
5.2 Diffuusio
Molekyylit ovat lämpöliikkeensä vuoksi jatkuvassa liikkeessä. Diffuusiolla tarkoitetaan molekyylien liikkumista siten, että ne leviävät suuremman pitoisuuden puolelta kohti pienempää pitoisuutta. Diffuusion voi havaita helposti esimerkiksi tiputtamalla pisaran väriainetta nesteeseen. Aluksi väriainemolekyylit pysyttelevät lähellä lähtöpistettään, mutta leviävät hitaasti koko nesteeseen tasaisesti. Lopulta koko neste on väriltään tasakoosteista eikä paikallisia väriainekeskittymiä voi erottaa.
Diffuusiota tapahtuu jatkuvasti kaikilla solukalvoilla. Esimerkiksi soluun siirtyy happea ympäröivästä verisuonesta, sillä solun sisällä hapen pitoisuus on pienempi kuin verisuonessa. Vastaavasti hiilidioksidi kulkee solusta verisuoneen saman mekanismin avulla.
Kuva: Esimerkki diffuusiosta. Kun väriainepisara tiputetaan veteen, se leviää vähitellen tasaisesti koko nesteeseen. Tämä johtuu molekyylien lämpöliikkeestä.
5.3 Osmoosi
Solukalvo on puoliläpäisevä. Tällä tarkoitetaan sitä, että se päästää suhteellisen helposti lävitseen pieniä molekyylejä, kuten kaasumolekyylejä, sekä rasvaliukoisia molekyylejä. Vesiliukoiset aineet sen sijaan vaativat avustusta kulkeakseen solukalvon lävitse.
Veden kulkeutumista puoliläpäisevän kalvon lävitse kutsutaan osmoosiksi. Itse solukalvo läpäisee melko huonosti vettä, mutta siinä on veden kuljetukseen erikoistuneita proteiineja, akvaporiineja, jotka mahdollistavat veden kulkemisen molempiin suuntiin. Veden kulkeutumisen suunta riippuu siitä, kummalla puolella on enemmän veteen liuenneita aineita. Vesi pyrkii aina liikkumaan laimeammasta liuoksesta väkevämpään, koska veden pitoisuus väkevämmässä liuoksessa on pienempi kuin laimeammassa.
Punasoluja käytetään usein havainnollistamaan osmoosin merkitystä, sillä vesi pääsee kulkeutumaan helposti punasolun kalvon lävitse akvaporiinien kautta. Jos punasolu laitetaan väkevään liuokseen (hypertoninen liuos), pyrkii vesi siirtymään solusta ulos, sillä punasolun sisäpuolella aineiden pitoisuus on pienempi kuin solun ulkopuolella. Punasolu kutistuu, koska sieltä siirtyy pois vettä.
Tavallisessa veressä aineiden pitoisuus on sama kuin punasolun sisällä (isotoninen liuos). Tämän vuoksi vesi kulkee molempiin suuntiin yhtä nopeasti, eikä solusta siirry kokonaisuudessaan pois vettä. Esimerkiksi sairaalassa tiputuksessa potilaaseen annetaan isotonista suolaliuosta (0,9% NaCl, fysiologinen suolaliuos), jotta potilaan punasolut eivät vaurioituisi.
Jos punasolun ulkopuolella aineiden pitoisuus on pienempi kuin solun sisällä (hypotoninen liuos), vesi pyrkii siirtymään solun sisään. Solu turpoaa ja voi lopulta haljeta. Tämän vuoksi liiallinen veden juonti on haitallista. Vedenjuontikilpailut voivat johtaa hengenvaaralliseen tilaan, kun veren punasolut hajoavat alhaisen suolapitoisuuden vaikutuksesta.
Kasvisolua suojaa tukeva soluseinä, joten solukalvot eivät pääse halkeamaan. Useimmat kasvit voivat hyvin laimeassa liuoksessa, sillä solut pysyvät muodossaan soluseinien tukemana. Sen sijaan väkevämmässä liuoksessa (hypertoninen liuos) kasvisolun solukalvo irtoaa soluseinästä (plasmolyysi). Esimerkiksi jos kasvia lannoittaa liikaa, se voi nuutua, sillä vesi siirtyy soluista ulos osmoosin vaikutuksesta.
5.4 Aineiden kuljetus solukalvolla
Solun aineidenotto ja kuljetus jaetaan passiiviseen ja aktiiviseen. Aktiivinen aineiden kuljetus vaatii energiaa (ATP). Aineet voivat kulkeutua myös passiivisesti solukalvon lävitse, jolloin niiden kuljettamiseen ei vaadita energiaa.
Passiiviseen kuljetukseen kuuluu passiivinen kulkeutuminen ja avustettu diffuusio. Diffuusiota solukalvon lävitse kutsutaan passiiviseksi kulkeutumiseksi. Solukalvo eristää solun sen ympäristöstä ja useimmat molekyylit eivät pysty läpäisemään sitä ilman avustusta. Toisaalta rasvaliukoiset aineet ja kaasut kulkeutuvat solukalvon lävitse passiivisesti eli se ei vaadi energiaa (ATP).
Vesiliukoiset aineet eivät kuitenkaan pääse solukalvon lävitse itsestään. Tämän vuoksi solukalvolla on kanava- ja kuljettajaproteiineja, jotka voivat avustaa aineiden kulkeutumisessa. Tämä on myös passiivista kulkeutumista ja sitä kutsutaan avustetuksi diffuusioksi.
Joitain aineita solu pystyy kuljettamaan pienemmän pitoisuuden puolelta suuremman pitoisuuden puolelle. Tätä ilmiötä kutsutaan aktiiviseksi kuljetukseksi. Solu pystyy esimerkiksi kuljettamaan sisäänsä glukoosia, vaikka sen ulkopuolella glukoosin pitoisuus olisi pienempi kuin sisäpuolella. Tähän solu käyttää ATP:n sisältämää kemiallista energiaa (luku 6). Ioneja kuljettavia proteiineja kutsutaan ionipumpuiksi. Hermosolun toiminnalle on tärkeää pitää ionipitoisuusero solukalvon ulko- ja sisäpuolen välillä. Tähän tehtävään solu käyttää jatkuvasti toimivia ionipumppuja. Jotkin kalvoproteiineista aktivoituvat tietyn signaalin vaikutuksesta. Esimerkiksi hermosolun ionikanavat aukeavat jännitteen muutoksesta, mikä saa aikaan ionien virtaamisen soluun ja sieltä ulos.
Aktiivinen kuljetus voi olla primääristä tai sekundääristä. Primäärisessä aktiivisessa kuljetuksessa solu kuljettaa ainetta pitoisuuseron vastaisesti kohti suurempaa pitoisuutta ATP:n tarjoaman energian turvin. Esimerkiksi solu voi ottaa sisäänsä ulkopuolelta glukoosia pienemmästä pitoisuudesta käyttämällä energiaa. Sekundäärisessä aktiivisessa kuljetuksessa solu kuljettaa toista ainetta pitoisuuseron suuntaan ja toista sen vastaisesti. Esimerkiksi hermosolu kuljettaa yhden kalsiumionin solusta ulos (pitoisuuseroa vastaan), kun kolme natriumionia kulkee sisään (pitoisuuseron suuntaan).
Kuljetus solukalvolla
5.5 Kalvoproteiinit
Kalvoproteiineilla on monenlaisia tehtäviä. Osa niistä toimii kuljettaja- ja kanavaproteiineina, jotka auttavat aineiden kuljettamisessa solukalvon lävitse. Ioneja passiivisesti kuljettavia proteiineja kutsutaan kanaviksi ja aktiivisesti kuljettavia pumpuiksi. Kuljetus voi olla passiivista (avustettu diffuusio) tai aktiivista sen mukaan, tarvitaanko kuljetukseen energiaa vai ei.
Osa kalvoproteiineista voi toimia entsyymeinä (luku 6). Esimerkiksi hengitysketjun entsyymit ovat kalvoproteiineja. Kalvolla ollessaan ne voivat järjestäytyä ryppäisiin, jolloin entsyymitoiminta on tehokkaampaa.
Jotkin kalvoproteiinit toimivat viestinvälityksessä. Vesiliukoiset hormonit, kuten adrenaliini, eivät pääse kulkeutumaan solun sisälle. Solun pinnalla oleva kalvoproteiini (reseptori) pystyy kuitenkin tunnistamaan adrenaliinin. Kalvoproteiinissa tapahtuva muutos saa aikaan viestin välittymisen solun sisään toisiolähetin avulla.
Solut voivat tunnistaa toisiaan kalvoproteiinien avulla. Solut voivat myös liittyä toisiinsa proteiinien välityksellä. Useimmat solut kiinnittyvät soluväliaineeseen kalvoproteiinien avulla. Soluväliaineeseen kiinnittyneet kalvoproteiinit ovat usein tarttuneet myös solun sisäisiin tukirakenteisiin. Näin solu pysyy tiukasti paikallaan eikä pääse liikkumaan vapaasti kudoksessa. Esimerkiksi ihosolujen tulee liittyä toisiinsa ja soluväliaineeseen tiukasti, jotta ihon pinta olisi tiivis ja vettä läpäisemätön.
Testaa itsesi!
Luvun 5 tiivistelmä
- Solua erottaa ympäristöstä solukalvo. Siinä on kalvolipidien ja kolesterolin lisäksi runsaasti kalvoproteiineja.
- Solukalvo on mukautuva rakenne. Solu voi ottaa sisäänsä aineita endosytoosin eli solusyönnin avulla. Vastaavasti se voi poistaa aineita eksosytoosin avulla.
- Diffuusio saa aikaan molekyylien liikkumisen suuremman pitoisuuden puolelta kohti pienempää pitoisuutta.
- Osmoosi on veden diffuusiota puoliläpäisevän kalvon lävitse. Hypertoninen liuos on solua väkevämpi liuos ja hypotoninen laimeampi. Isotonisen liuoksen pitoisuus on sama kuin solun.
- Passiiviseen kuljetukseen kuuluu passiivinen kulkeutuminen ja avustettu diffuusio. Passiivinen kulkeutuminen on diffuusiota solukalvon lävitse. Avustetussa diffuusiossa kulkeutumista auttavat kalvoproteiinit.
- Aktiivisessa kuljetuksessa solu kuljettaa aineita pienemmästä pitoisuudesta suurempaan. Tähän solu joutuu käyttämään energiaa.
- Kalvoproteiinit voivat toimia esimerkiksi kuljettajina, entsyymeinä tai viestinvälittäjinä.
Diat lukuun 5
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