2. Solu on toimiva kokonaisuus
2. Johdanto
Kaikki eliöt koostuvat soluista. Useimmat solut ovat pienikokoisia eikä niitä voi nähdä paljaalla silmällä.
Solun sisälle kätkeytyy kuitenkin suuri määrä soluelimiä, joissa tapahtuu valtava määrä monimutkaisia toimintoja.
Yksinkertaisinkin eliö tuottaa satoja eri proteiineja, jotka toimittavat erilaisia aineenvaihduntaan ja lisääntymiseen liittyviä tehtäviä.
2.1 Kaikilla soluilla on yhteisiä piirteitä
Kasvi-, eläin- ja bakteerisolu vaikuttavat ensi silmäykseltä erilaisilta. Niiden muoto, koko ja tehtävä voivat poiketa toisistaan hyvinkin paljon. Niillä kaikilla on kuitenkin samoja rakenteellisia osasia, jotka yhdistävät kaikkia soluja.
Esitumaisten eli prokaryoottien solut ovat yksinkertaisia verrattuna aitotumaisten eli eukaryoottien soluihin. Esitumaisiin kuuluvat bakteerit ja arkit. Ne ovat yksisoluisia eliöitä, joilla ei ole tumaa. Niiden solua ympäröi solukalvo, joka erottaa solun sen ympäristöstä (luku 5). Solukalvon ulkopuolella solua suojaa usein myös soluseinä. Joillakin esitumaisilla soluseinän ulkopuolella on myös toinen solukalvo. Esitumaisilla on vähemmän erityisiä tehtäviä suorittavia soluelimiä. Solujen toimintaa ohjaa dna, joka sijaitsee kromosomissa tai kromosomeissa.
Aitotumaisten soluissa on samoja piirteitä kuin esitumaisilla. Niillä on kuitenkin rakenteita ja ominaisuuksia, jotka puuttuvat alkeellisimmilta esitumaisilta. Aitotumaisilla dna on säilötty kaksinkertaisen kalvon päällystämän tuman sisään. Solun perimä sijaitsee kromosomeissa, jotka koostuvat dna:n lisäksi proteiineista.
Tuman ulkopuolista tilaa kutsutaan solulimaksi. Solulima koostuu soluelimistä sekä nestemäisestä sytosolista. Sytosolin neste sisältää veden lisäksi paljon suoloja, proteiineja ja aminohappoja.
Tuman lisäksi aitotumaisia erottavat esitumaisista kalvorakenteiset soluelimet eli organellit. Tällaisia soluelimiä ovat esimerkiksi solun energiatehtaana toimivat mitokondriot sekä kasveilla yhteyttämisessä toimivat viherhiukkaset. Lisäksi aitotumaisilla on solulimassa ribosomeja sekä solun tukirangan rakenteita. Kasvisoluja ympäröi selluloosasta rakentuva soluseinä.
2.2 Tuma
Aitotumaisilla tuma toimii perimäaineksen eli dna:n säilytyspaikkana. Sitä ympäröi tumakalvo, joka koostuu kahdesta kaksoiskalvosta. Tumakalvossa on pieniä reikiä eli tumahuokosia, joiden kautta aineet pääsevät kulkeutumaan tuman sisään ja sieltä ulos.
Tuman sisällä sijaitsee tumalima, jossa kromosomit sijaitsevat. Tumajyvänen on tummempana erottuva alue tumassa. Siellä tuotetaan esimerkiksi proteiinien valmistamiseen tarvittavia ribosomien osia.
Kromosomit koostuvat proteiineista ja dna:sta. Dna:ssa sijaitsevat geenit, jotka ohjaavat solun toimintaa. Geeni on tietty jakso dna:ta, joka saa solun tuottamaan sen toimintaan vaikuttavaa tuotetta. Useimpien geenien tuottama lopputuote on proteiini.
Aitotumaisilla kromosomeja on yleensä useita ja ne ovat lineaarisia eli suoria rakenteita. Kromosomeissa dna on pakkautunut proteiinien kanssa tiiviiksi kromatiiniksi. Esitumaisilla kromosomit ovat usein rengasmaisia ja niiden pakkaus on löyhempää. Lisäksi esitumaisilla voi olla pieniä, rengasmaisia dna-molekyylejä, plasmideja.
2.3 Mitokondrio
Mitokondriota voidaan kutsua solun voimalaitokseksi. Mitokondriossa tapahtuu useita solun energia-aineenvaihduntaan liittyviä reaktioita. Esimerkiksi soluhengitys ja rasvahappojen hapettaminen tapahtuvat mitokondriossa. Solu muuttaa mitokondriossa orgaanisten molekyylien sisältämää kemiallista energiaa solulle käyttökelpoiseen muotoon. (Katso luku 6, ATP)
Mitokondrio on pienikokoinen, kahden kalvon ympäröimä soluelin. Sen oletetaan olevan peräisin solun kanssa symbioosissa eläneestä bakteerista. Tämän endosymbioositeorian puolesta todistaa se, että mitokondriolla on esimerkiksi omaa dna:ta ja ribosomeja.
2.4 Viherhiukkanen
Viherhiukkanen eli kloroplasti on ravintoketjun tuottajien soluissa oleva soluelin. Viherhiukkaset sitovat sen avulla auringon säteilyenergiaa kemialliseksi energiaksi. Se on kahden kalvon ympäröimä kuten mitokondriokin, mutta sen sisällä on lisäksi kalvopusseja, jotka muodostavat yhteyttämiskalvostot. Yhteyttämiskalvostojen pinnalla tapahtuvat yhteyttämiseen liittyvät reaktiot.
Viherhiukkasissa tuotetaan hiilidioksidista ja vedestä valon avulla orgaanisia molekyylejä, kuten sokeria. Samalla vapautuu happea. Myös viherhiukkasella on omaa dna:ta ja ribosomeja. Niiden on arveltu olevan sukua syanobakteereille.
2.5 Solun kalvorakenteet
Solulla on tuman, mitokondrion ja viherhiukkasen lisäksi monia muita kalvorakenteisia osia, joita tarvitaan esimerkiksi aineiden kuljetukseen ja eritykseen. Kalvopäällysteiset soluelimet ovat tyypillisiä aitotumaisille eliöille. Myös bakteereilla ja arkeilla voi olla solukalvosta muodostuneita kalvostoja, joita ne käyttävät esimerkiksi mitokondrioiden tapaan energiantuotannossa.
Solulimakalvosto on yhtenäinen kalvojen ja rakkuloiden muodostama kokonaisuus. Siellä tuotetaan moniin soluelimiin kuljetettavat ja solusta ulos eritettävät proteiinit. Lisäksi solulimakalvostolla valmistetaan uutta solukalvoa ja hajotetaan vierasaineita kuten lääkkeitä. Solulimakalvosto voidaan jakaa karkeaan ja sileään solulimakalvostoon. Karkeassa solulimakalvostossa on kiinni ribosomeja, jotka tuottavat proteiineja kalvon sisään.
Golgin laite on eräänlainen solun tavaraliikennekeskus. Siellä lajitellaan kuljetettavat ja eritettävät proteiinit sekä muokataan niitä. Esimerkiksi proteiineihin voidaan liittää sokeriosia. Golgin laite liittyy läheisesti solulimakalvostoon. Niiden välillä liikkuu jatkuvasti pieniä kalvorakkuloita.
Golgin laitteesta proteiinit voidaan ohjata lysosomiin, jota voidaan kutsua solun kierrätyskeskukseksi. Lysosomissa voidaan pilkkoa tarpeettomia proteiineja ja vierasaineita. Sen sisällä pH on melko alhainen, mikä edesauttaa monien molekyylien pilkkomista. Lisäksi immuunipuolustuksen syöjäsolut tuhoavat haitalliset bakteerit happamassa lysosomissa.
Peroksisomi on kalvorakenne, jossa muun muassa hajotetaan rasvahappoja. Sivutuotteena niissä syntyy reaktiivista vetyperoksidia, josta peroksisomit ovat saaneet nimensä.
Vakuoli eli solunesterakkula on kasvisolun rakenne. Se on kalvopäällysteinen nesteen täyttämä rakkula, joka etenkin vanhoissa soluissa voi täyttää lähes koko solun. Kasvisolun kasvu perustuukin pitkälti vakuolin tilavuuden kasvamiseen. Vakuolissa säilötään ravintoaineita, suoloja ja jätteitä sekä hajotetaan joitakin makromolekyylejä.
2.6 Solun tukirakenteet
Solun sisäistä rakennetta pitävät koossa kolmenlaiset rakenteet: aktiinista koostuvat mikrofilamentit, keratiinista koostuvat välikokoiset säikeet sekä mikrotubulukset. Aktiinisäikeet liittyvät solun liikkeeseen ja lihassolussa ne saavat aikaan lihaksen liikkeen yhdessä myosiinisäikeiden kanssa. Mikrotubuluksista koostuva sentrosomi eli keskusjyvänen on keskeinen rakenne solun jakautumisessa. Solun tukirakenteista voi myös muodostua värekarvoja tai uintisiimoja, jotka auttavat solua liikkumaan ja tarttumaan erilaisiin pintoihin.
2.7 Muut solun rakenteet
Ribosomi on proteiineista ja rna:sta koostuva suurikokoinen molekyyli, jossa tuotetaan proteiineja dna:n koodaaman mallin mukaisesti. Ribosomit voivat olla vapaana solulimassa tai olla kiinnittyneitä solulimakalvostoon.
Proteasomi on useasta proteiinista rakentuva kokonaisuus, jonka tehtävänä on hajottaa tarpeettomia proteiineja. Proteasomi tunnistaa hajotettavaksi merkityt proteiinit ja pilkkoo ne pienemmiksi osiksi.
2.8 Solun ulkoiset rakenteet
Solu tarvitsee erilaisia rakenteita pitämään sen muodon koossa ja estämään sen hajoamista. Kaikkia soluja ympäröi solukalvo, joka erottaa solun sen ympäristöstä. Se myös säätelee aineiden kulkua soluun ja siitä ulos. Kasvi- ja sienisoluilla sekä useilla bakteereilla solua ympäröi soluseinä. Kasveilla se koostuu pääosin selluloosasta, sienillä kitiinistä ja bakteereilla muun muassa peptidoglykaanista. Eläinsoluilla ei ole soluseinää.
Monisoluisilla eläimillä soluja sitoo toisiinsa soluväliaine. Soluväliaineessa on esimerkiksi säiemäistä proteiinia, kollageenia, sekä pitkiä sokeriketjuja ja niihin liittyneitä proteiineja. Soluväliaine voi liittyä proteiini- ja sokeriosien avulla solukalvoihin.
Soluväliaineen merkityksestä hyvä esimerkki on C-vitamiinin puutteesta johtuva keripukki. C-vitamiinia tarvitaan kollageenin valmistamiseen. Jos kollageeniä ei muodostu, iho ja lihakset alkavat veltostua ja vuotaa verta. Tätä sairautta kutsutaan keripukiksi. Kun C-vitamiinin merkitystä ei tiedetty, merimiehet elivät pääosin lihapitoisella ravinnolla ja keripukki oli yleinen sairaus merenkävijöiden keskuudessa. 1600-luvulla huomattiin sipulin auttavan merimiesten selviämistä pitkistä merimatkoista. Tämän jälkeen osattiin vähitellen varata merimatkalle hyvin säilyviä vihanneksia, juureksia ja sitrusmehua suojaamaan keripukilta.
2.9 Mikroskooppia käytetään solujen tutkimiseen
1600-luvulla mikroskoopin kehittänyt Robert Hooke avasi myös väylän solubiologian kehitykselle. Aikaisemmin yksittäisiä soluja oli vaikea nähdä paljaalla silmällä. Mikroskoopin kehittymisen myötä havaittiin kaikkien eliöiden koostuvan soluista. Lisäksi löydettiin aiemmin tieteelle tuntemattomia yksisoluisia eliöitä, kuten bakteereja, leviä ja hiivoja. Vaikka esimerkiksi hiiva oli ollut käytössä ruoanvalmistuksessa jo tuhansia vuosia, sen ei tiedetty olevan elollinen eliö ennen mikroskoopin keksimistä.
Varhaisimmat mikroskoopit olivat valomikroskooppeja. Valomikroskoopissa näkyvä valo kulkee näytteen läpi, jonka jälkeen kuva näytteestä suurennetaan linssien avulla. Näytettä katsotaan mikroskoopin okulaarista.
Tavallista valomikroskooppia varten näyte tulee valmistella eli siitä tulee tehdä preparaatti. Pienimmistä kohteista voidaan tehdä preparaatti sellaisinaan esimerkiksi liuottamalla ne veteen. Suuremmista kohteista, kuten kasveista tehdään mikroskopiaa varten yleensä ohut leike, joka asetetaan kahden lasilevyn väliin.
Monia soluja voi olla vaikeaa havaita valomikroskoopilla, sillä ne ovat läpinäkyviä. Valomikroskopian tehokkuutta voidaankin parantaa värjäämällä näytettä. Tämä erottaa näytteen paremmin taustasta eli parantaa sen kontrastia. Yksi tunnetuimpia värjäysmenetelmiä on bakteerien Gram-värjäys, jolla voidaan erotella bakteereja niiden soluseinän rakenteen mukaisesti.
Valomikroskoopin erottelukyky on rajallinen. Ainoastaan suurimmat soluelimet, kuten viherhiukkaset, voidaan erottaa valomikroskoopilla. Jos kohde on pienempi kuin näkyvän valon aallonpituus, ei sitä voida erottaa valomikroskoopilla, vaikka linssien tehokkuutta ja suurennosta parannettaisiin. Nykyaikaisilla valomikroskoopeilla pystytäänkin vain n. 1000-kertaisiin suurennoksiin. Käytännössä pienimmillään voidaan erottaa noin 0,2 mikrometrin kokoinen kohde. Tämä kokoluokka vastaa pienimpiä tunnettuja bakteereja.
Stereomikroskoopilla pystytään tutkimaan suurikokoisia kolmiulotteisia pintoja. Stereomikroskooppi poikkeaa tavallisesta valomikroskoopista siten, että valo ei kulje näytteen läpi vaan heijastuu sen pinnasta. Stereomikroskoopin erottelukyky on hieman heikompi kuin tavallisen mikroskoopin, mutta sillä on tärkeitä sovelluskohteita esimerkiksi lääketieteessä ja biologisessa tutkimuksessa.
Kuva: Banaanikärpänen (Drosophila melanogaster) valomikroskoopilla katsottuna. Banaanikärpäsestä voidaan havaita yksityiskohtaisia rakenteita.
1950-luvulla kehitetyt elektronimikroskoopit mullistivat solubiologisen tutkimuksen. Elektronimikroskopia perustuu näytteen läpi kulkeviin elektroneihin. Pienikokoiset elektronit käyttäytyvät näytteen läpi kulkiessaan aallon tavoin. Tyhjiössä kulkevia elektroneja voidaan ohjata magneettikenttien avulla ja niiden kulkua seuraamalla voidaan muodostaa näytteestä yksityiskohtainen kuva.
Elektronimikroskoopilla voidaan saada tuhansia kertoja parempi suurennos kuin valomikroskoopilla. Toisaalta näytteen valmistus on hankalampaa, sillä mittaus tulee tehdä tyhjiössä ja näyte tulee jäädyttää kylmäksi hyvin nopeasti. Elektronimikroskoopilla ei myöskään pystytä erottamaan näytteiden väriä tai tarkastelemaan eläviä ja liikkuvia soluja. Elektronimikroskoopista saatavat kuvat onkin värjätty jälkikäteen.
Galleria 2.9 Mikroskoopit
Testaa itsesi!
Luvun 2 tiivistelmä
- Soluja ympäröi solukalvo ja usein myös soluseinä.
- Aitotumaisilla eliöillä perimä on säilötty tumaan. Tuman ulkopuolista tilaa solukalvon sisällä kutsutaan solulimaksi.
- Solulimassa on soluelimiä, jotka voivat olla kalvorakenteellisia. Kalvon päällystämiä soluelimiä on vain aitotumaisilla.
- Mitokondrio on solun energiantuotannolle tärkeä kaksoiskalvollinen soluelin.
- Kasveilla fotosynteesi tapahtuu viherhiukkasissa. Myös viherhiukkanen on kahden kalvon peittämä.
- Solun muihin kalvorakenteisiin kuuluvat esimerkiksi solulimakalvosto, Golgin laite, peroksisomi, lysosomi ja vakuoli.
- Solulla on sisäisiä ja ulkoisia tukirakenteita.
- Ribosomeilla tuotetaan solun proteiinit.
- Solun rakennetta voidaan tutkia mikroskoopilla. Valomikroskopia sopii suurempien kokonaisuuksien tarkasteluun. Elektronimikroskopialla voidaan tutkia solun hienorakenteita.
Diat lukuun 2
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