7. Solut sitovat ja vapauttavat energiaa
Luvun sisältö
- 7. Johdanto
- 7.1 Solun energiantuotannon perusteet
- 7.2 Soluhengitys ja käyminen
- 7.3 Yhteyttäminen: foto- ja kemosynteesi
- 7.4 Fotosynteesin merkitys
7. Johdanto
Kaikki solut kuluttavat ja tarvitsevat jatkuvasti energiaa – pikajuoksijan lihaskudos tarvitsee energiaa samoin kuin kasvin yhteyttävä perussolukko. Energiaa tarvitaan muun muassa orgaanisten yhdisteiden valmistamiseen, aineenvaihduntaan, aineiden kuljetukseen, kasvuun, lisääntymiseen ja viestintään. Solut voivat vapauttaa energiaa orgaanisista yhdisteistä soluhengityksessä tai käymisen avulla.
Fotosynteesi eli valon avulla yhteyttäminen kehittyi noin 3,5 miljardia vuotta sitten, kun ensimmäiset yhteyttävät eliöt, syanobakteerit, ilmestyivät maapallolle. Siitä eteenpäin maapallon elämä on perustunut suurimmaksi osaksi fotosynteesissä sidottuun energiaan ja happeen. Fotosynteesissä eliöt sitovat auringon valoenergiaa orgaanisiin yhdisteisiin kemialliseksi energiaksi. Myös kemosynteesissä sidotaan energiaa orgaanisiin yhdisteisiin, mutta energia on peräisin epäorgaanisista yhdisteistä.
Siemenestä kehittyy pieni taimi, josta vähitellen kasvaa kasvi, jossa on juuret, varsi, lehdet ja kukat. Siemenessä on vararavintoa, jonka avulla taimi kasvaa maan pinnalle. Taimi alkaa yhteyttää eli tuottaa itse oman energiansa.
Fotosynteesi eli valon avulla yhteyttäminen kehittyi noin 3,5 miljardia vuotta sitten, kun ensimmäiset yhteyttävät eliöt, syanobakteerit, ilmestyivät maapallolle. Siitä eteenpäin maapallon elämä on perustunut suurimmaksi osaksi fotosynteesissä sidottuun energiaan ja happeen. Fotosynteesissä eliöt sitovat auringon valoenergiaa orgaanisiin yhdisteisiin kemialliseksi energiaksi. Myös kemosynteesissä sidotaan energiaa orgaanisiin yhdisteisiin, mutta energia on peräisin epäorgaanisista yhdisteistä.
Siemenestä kehittyy pieni taimi, josta vähitellen kasvaa kasvi, jossa on juuret, varsi, lehdet ja kukat. Siemenessä on vararavintoa, jonka avulla taimi kasvaa maan pinnalle. Taimi alkaa yhteyttää eli tuottaa itse oman energiansa.
7.1 Solun energiantuotannon perusteet
Sekä omavaraiset (autotrofiset) että toisenvaraiset (heterotrofiset) eliöt käyttävät energiaa. Omavaraiset eliöt pystyvät tuottamaan ravintonsa eli tarvitsemansa orgaaniset yhdisteet foto- tai kemosynteesin avulla.
Toisenvaraiset eliöt käyttävät ravintonaan omavaraisten eliöiden tuottamia orgaanisia yhdisteitä ja hyödyntävät niihin sidottua kemiallista energiaa. Esimerkiksi sokeriruoko sitoo auringon valoenergiaa orgaanisiin yhdisteisiin, kuten ruokosokeriin, jota myös ihminen voi käyttää ravinnokseen.
Solut tarvitsevat energiaa omiin elintoimintoihinsa eli käytännössä solussa tapahtuviin kemiallisiin reaktioihin. Energiaa tarvitaan lisäksi kasvuun ja lisääntymiseen. Myös liikkuminen ja lämmön tuottaminen vaatii energiaa. Energiaa kulutetaan myös esimerkiksi aineiden kuljettamiseen soluun ja solusta ulos sekä solujen väliseen viestintään.
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 sekä immuunipuolustus kuluttavat energiaa.
Soluissa energiaa siirtää paikasta toiseen ATP-molekyyli eli adenosiinitrifosfaatti. ATP:ta tuotetaan esimerkiksi viherhiukkasissa fotosynteesissä ja mitokondrioissa soluhengityksessä, mutta energiaa tarvitaan kaikkialla: solulimassa, tumassa ja kaikissa soluelimissä. ATP on molekyyli, joka on kehittynyt sitomaan ja vapauttamaan solun kemiallista energiaa. ATP:hen solu voi sitoa väliaikaisesti kemiallista energiaa, joka käytetään hetkeä myöhemmin jossain solun osassa.
Energian käyttökohteita solussa:
Toisenvaraiset eliöt käyttävät ravintonaan omavaraisten eliöiden tuottamia orgaanisia yhdisteitä ja hyödyntävät niihin sidottua kemiallista energiaa. Esimerkiksi sokeriruoko sitoo auringon valoenergiaa orgaanisiin yhdisteisiin, kuten ruokosokeriin, jota myös ihminen voi käyttää ravinnokseen.
Solut tarvitsevat energiaa omiin elintoimintoihinsa eli käytännössä solussa tapahtuviin kemiallisiin reaktioihin. Energiaa tarvitaan lisäksi kasvuun ja lisääntymiseen. Myös liikkuminen ja lämmön tuottaminen vaatii energiaa. Energiaa kulutetaan myös esimerkiksi aineiden kuljettamiseen soluun ja solusta ulos sekä solujen väliseen viestintään.
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 sekä immuunipuolustus kuluttavat energiaa.
Soluissa energiaa siirtää paikasta toiseen ATP-molekyyli eli adenosiinitrifosfaatti. ATP:ta tuotetaan esimerkiksi viherhiukkasissa fotosynteesissä ja mitokondrioissa soluhengityksessä, mutta energiaa tarvitaan kaikkialla: solulimassa, tumassa ja kaikissa soluelimissä. ATP on molekyyli, joka on kehittynyt sitomaan ja vapauttamaan solun kemiallista energiaa. ATP:hen solu voi sitoa väliaikaisesti kemiallista energiaa, joka käytetään hetkeä myöhemmin jossain solun osassa.
Energian käyttökohteita solussa:
- Aineita voidaan kuljettaa solukalvolla pitoisuuseroa vastaan käyttämällä energiaa.
- Esimerkiksi lihaksen liike perustuu proteiinien mekaaniseen liikuttamiseen ATP:n avulla.
- Monet kemialliset reaktiot vaativat energiaa.
7.2 Soluhengitys ja käyminen
Soluhengitys
Soluhengityksessä eliöt vapauttavat orgaanisiin yhdisteisiin sitoutunutta kemiallista energiaa. Solut muuttavat esimerkiksi sokerien ja rasvojen sisältämän kemiallisen energian väliaikaisesti ATP-muotoon. 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. Lähes kaikki hapellisissa oloissa elävät eliöt hyödyntävät soluhengitystä – esimerkiksi kasvit, eläimet, alkueliöt sekä monet bakteerit vapauttavat energiaa käyttöönsä orgaanisista yhdisteistä soluhengityksen avulla. Aitotumaisilla eliöillä soluhengitys tapahtuu solulimassa ja mitokondrioissa. Esitumaisilla soluhengitys tapahtuu solulimassa ja hengityskalvostoilla.
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 orgaanisten yhdisteiden sisältämästä kemiallisesta energiasta ei saada sidottua ATP-molekyyleihin, vaan se vapautuu lämpönä ympäristöön. Ympäristöön vapautuvaa lämpöenergiaa sanotaan ohivirtaavaksi energiaksi (Symbioosi 2).
Käyminen
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 energiaa 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”. Soluihin kertyvä maitohappo (laktaatti) aiheuttaa lihasten väsymisen ja kipeytymisen.
Pitkäkestoisessa urheilusuorituksessa lihassoluilla alkaa olla pula hapesta. Tällöin ATP-energiaa aletaan tuottaa maitohappokäymisen avulla.
Etanolikäymisestä hyödynnetään esimerkiksi leivonnassa ja alkoholituotannossa. Käytettäessä hiivaa leivonnassa etanolikäymisessä syntyvä hiilidioksidi nostattaa taikinan. Myös muutamat eläimet, kuten ruutana, voivat hyödyntää alkoholikäymistä hapettomissa oloissa.
Ruutana pystyy hyödyntämään etanolikäymistä esimerkiksi hapettomassa järvessä. Näin se selviää kovista talvista paremmin.
7.3 Yhteyttäminen: foto- ja kemosynteesi
Yhteyttämiseen kykenevät muun muassa kasvit, levät ja monet bakteerit (esimerkiksi syanobakteerit).
Tällaisia eliöitä kutsutaan omavaraisiksi eli autotrofisiksi eliöiksi, sillä ne kykenevät tuottamaan oman energiansa.
Kasvit tarvitsevat yhteyttämiseen auringon valoenergiaa, hiilidioksidia ja vettä. Hiilidioksidia ne saavat kasvin lehtien alapinnalla sijaitsevien ilmarakojen kautta. Vettä kasvit saavat juurien avulla, josta se nousee lehtiin johtosolukon puuosaa pitkin. Yhteyttämistuotteet, kuten sokerit, kulkeutuvat lehdistä juuriin johtosolukon nilan kautta.
Fotosynteesissä eliöt sitovat auringon valoenergiaa orgaanisiin yhdisteisiin kemialliseksi energiaksi.
Auringonvalon avulla voidaan muodostaa hiilidioksidista ja vedestä glukoosia (sokeri), jota solut voivat käyttää muiden orgaanisten yhdisteiden valmistamiseen.
Glukoosista voidaan muodostaa monimutkaisia orgaanisia yhdisteitä, kuten hiilihydraatteja, proteiineja ja lipidejä. Fotosynteesissä lopputuotteena vapautuu lisäksi happea. Reaktion suunta on päinvastainen kuin soluhengityksessä.
Ihminen on riippuvainen fotosynteesistä, sillä kaikki ravinnosta saamamme energia on peräisin kasveista ja siten välillisesti auringosta.
Fotosynteesin kokonaisreaktio:
6 CO2 + 6 H2O ➞ C6H12O6 + 6 O2 (lisäksi tarvitaan auringon valoenergiaa)
Fotosynteesin reaktiot.
Kasvien tuottama ylimääräinen glukoosi varastoituu esimerkiksi siemeniin, maavarteen tai hedelmiin. Tuotettu glukoosi muutetaan muiksi yhteyttämistuotteiksi, kuten öljyiksi, rasvoiksi ja proteiineiksi. Näin kasvien valmistama glukoosi ja muut yhteyttämistuotteet ovat muiden eliöiden ravintona suoraan (kasvinsyöjät) ja välillisesti (pedot).
Eräät esitumaiset eliöt (arkit ja bakteerit) pystyvät tuottamaan ravintonsa hapettamalla ympäristönsä epäorgaanisia ravinteita kemosynteesin avulla. Ne eivät tarvitse valoa yhteyttämiseen. Kemosynteesillä eläviä eliöitä elää muun muassa valtamerten pohjilla. Epäillään, että kemosynteesiin pystyviä eliöitä kehittyi ennen kuin fotosynteesiin pystyviä eliöitä oli maapallolla.
Tällaisia eliöitä kutsutaan omavaraisiksi eli autotrofisiksi eliöiksi, sillä ne kykenevät tuottamaan oman energiansa.
Kasvit tarvitsevat yhteyttämiseen auringon valoenergiaa, hiilidioksidia ja vettä. Hiilidioksidia ne saavat kasvin lehtien alapinnalla sijaitsevien ilmarakojen kautta. Vettä kasvit saavat juurien avulla, josta se nousee lehtiin johtosolukon puuosaa pitkin. Yhteyttämistuotteet, kuten sokerit, kulkeutuvat lehdistä juuriin johtosolukon nilan kautta.
Fotosynteesissä eliöt sitovat auringon valoenergiaa orgaanisiin yhdisteisiin kemialliseksi energiaksi.
Auringonvalon avulla voidaan muodostaa hiilidioksidista ja vedestä glukoosia (sokeri), jota solut voivat käyttää muiden orgaanisten yhdisteiden valmistamiseen.
Glukoosista voidaan muodostaa monimutkaisia orgaanisia yhdisteitä, kuten hiilihydraatteja, proteiineja ja lipidejä. Fotosynteesissä lopputuotteena vapautuu lisäksi happea. Reaktion suunta on päinvastainen kuin soluhengityksessä.
Ihminen on riippuvainen fotosynteesistä, sillä kaikki ravinnosta saamamme energia on peräisin kasveista ja siten välillisesti auringosta.
Fotosynteesin kokonaisreaktio:
6 CO2 + 6 H2O ➞ C6H12O6 + 6 O2 (lisäksi tarvitaan auringon valoenergiaa)
Fotosynteesin reaktiot.
Kasvien tuottama ylimääräinen glukoosi varastoituu esimerkiksi siemeniin, maavarteen tai hedelmiin. Tuotettu glukoosi muutetaan muiksi yhteyttämistuotteiksi, kuten öljyiksi, rasvoiksi ja proteiineiksi. Näin kasvien valmistama glukoosi ja muut yhteyttämistuotteet ovat muiden eliöiden ravintona suoraan (kasvinsyöjät) ja välillisesti (pedot).
Eräät esitumaiset eliöt (arkit ja bakteerit) pystyvät tuottamaan ravintonsa hapettamalla ympäristönsä epäorgaanisia ravinteita kemosynteesin avulla. Ne eivät tarvitse valoa yhteyttämiseen. Kemosynteesillä eläviä eliöitä elää muun muassa valtamerten pohjilla. Epäillään, että kemosynteesiin pystyviä eliöitä kehittyi ennen kuin fotosynteesiin pystyviä eliöitä oli maapallolla.
7.4 Fotosynteesin merkitys
Ekosysteemin ja ravintoketjujen perustana ovat tuottajat, jotka valmistavat itse ravintonsa.
Tuottajien auringosta sitomaa energiaa hyödyntävät kuluttajat, jotka ovat toisenvaraisia eli heterotrofisia eliöitä.
Kuluttajien syödessä kasveja niihin sitoutunut energia vapautuu kuluttajan käyttöön tai varastoituu sen kudoksiin. Kuluttajilta orgaanisiin yhdisteisiin sitoutunut energia siirtyy ravintoketjussa korkeamman asteen kuluttajien ja hajottajien käyttöön.
Kasvit sitovat ilmakehän hiilidioksidia orgaanisiin yhdisteisiin. Maapallon yleisin orgaaninen yhdiste on selluloosa, jota kasvin käyttävät esimerkiksi soluseinän rakennusaineena.
Kasvit käyttävät suurimman osan tuottamastaan energiasta omaan käyttöönsä. Jäljelle jäävää, kuluttajien käyttöön siirtyvää energiaa kutsutaan nettotuotannoksi. On arvioitu, että kasvit tuottavat vuosittain 160 miljardia tonnia (160 000 000 000 000 kg) hiilihydraatteja. Tämä määrä vastaa lähes 250 kuutiokilometriä (1km x 1km x 1km) puuainesta. Kuvittele mielessäsi kilometrin korkuinen ja levyinen puupalkki, joka yltää Helsingistä Jyväskylään – näin valtavan määrän yhteyttämistuotteita kasvit tuottavat vuodessa!
Useimmat ekosysteemit ovat riippuvaisia suoraan tai välillisesti fotosynteesistä. Joissain valottomissa ympäristöissä, kuten valtamerten pohjissa sekä monissa ääriolosuhteissa ekosysteemin toiminta perustuu kemosynteesiä hyödyntäviin bakteereihin ja arkkeihin. Kemosynteesin merkitys elämälle on kuitenkin paljon pienempi kuin fotosynteesin.
Fotosynteesissä kasvit tuottavat glukoosin ohella myös happea. Sitä tarvitaan soluhengityksessä energian vapauttamiseksi eliöiden käyttöön. Hapesta muodostuu lisäksi otsonia, joka suojaa maapallon elämää UV-säteilyltä.
Yle: fotosynteesi
Tuottajien auringosta sitomaa energiaa hyödyntävät kuluttajat, jotka ovat toisenvaraisia eli heterotrofisia eliöitä.
Kuluttajien syödessä kasveja niihin sitoutunut energia vapautuu kuluttajan käyttöön tai varastoituu sen kudoksiin. Kuluttajilta orgaanisiin yhdisteisiin sitoutunut energia siirtyy ravintoketjussa korkeamman asteen kuluttajien ja hajottajien käyttöön.
Kasvit sitovat ilmakehän hiilidioksidia orgaanisiin yhdisteisiin. Maapallon yleisin orgaaninen yhdiste on selluloosa, jota kasvin käyttävät esimerkiksi soluseinän rakennusaineena.
Kasvit käyttävät suurimman osan tuottamastaan energiasta omaan käyttöönsä. Jäljelle jäävää, kuluttajien käyttöön siirtyvää energiaa kutsutaan nettotuotannoksi. On arvioitu, että kasvit tuottavat vuosittain 160 miljardia tonnia (160 000 000 000 000 kg) hiilihydraatteja. Tämä määrä vastaa lähes 250 kuutiokilometriä (1km x 1km x 1km) puuainesta. Kuvittele mielessäsi kilometrin korkuinen ja levyinen puupalkki, joka yltää Helsingistä Jyväskylään – näin valtavan määrän yhteyttämistuotteita kasvit tuottavat vuodessa!
Useimmat ekosysteemit ovat riippuvaisia suoraan tai välillisesti fotosynteesistä. Joissain valottomissa ympäristöissä, kuten valtamerten pohjissa sekä monissa ääriolosuhteissa ekosysteemin toiminta perustuu kemosynteesiä hyödyntäviin bakteereihin ja arkkeihin. Kemosynteesin merkitys elämälle on kuitenkin paljon pienempi kuin fotosynteesin.
Fotosynteesissä kasvit tuottavat glukoosin ohella myös happea. Sitä tarvitaan soluhengityksessä energian vapauttamiseksi eliöiden käyttöön. Hapesta muodostuu lisäksi otsonia, joka suojaa maapallon elämää UV-säteilyltä.
Yle: fotosynteesi
