Valkuaisaineiden valmistaminen solussa

 

Perinnöllinen tieto on dna:n emäsjärjestyksessä

Kaikilla saman lajin yksilöillä on samat geenit, mutta kuitenkin geenimuodot eli alleelit on erilaisia. Saman geenin eri alleeleissa on eri emäsjärjestys, mikä vaikuttaa siihen, että eri yksilöillä syntyy erilaisia proteiineja, mikä selittää yksilöiden erilaiset ilmiasut.

Proteiinit koostuvat aminohapoista

Proteiiniin aminohappojärjestys määräytyy dna- ketjun emäsjärjestyksen mukaan. Dna:n emäsjärjestystä tulkitaan kodoneina. Kodoni tarkoittaa kolmea peräkkäistä emästä, jotka vastaavat yhtä aminohappoa. Koska emäksiä on neljä eli A,T,C ja G, voidaan kolmesta neljäntyyppisestä emäksestä muodostaa 4³ eli 64 erilaista kolmen emäksen jonoa.
Proteiineja tarvitaan solussa mm. entsyymeiksi, hormoneiksi ja solukalvon rakenneosiksi. Proteiineja valmistetaan proteiinisynteesissä. Proteiinisynteesissä valmistetaan proteiineja solun dna:n ohjeen mukaan.

Proteiinisynteesin perusta

• tarvittava tieto tumassa
• synteesi tapahtuu soluliman ribosomeilla 
• rna-molekyylit siirtävät ja tulkitsevat tiedot
• rna: yksijuosteinen, sokeriosana riboosi, tymiinin tilalla urasiili

Proteiinisynteesin vaiheet

1. Dna-ketju aukeaa tarvittavan geenin kohdalta. Lähetti-rna kopioi tiedot.
2. Lähetti-rna siirtyy solulimaan ribosomeille
3. Siirtäjä-rna:t tuovat ribosomeille lähetti-rna:kodoneja vastaavat aminohapot
4. Ribosomilla aminohapot liittyvät yhteen peptidisidoksella. Aminohapoista syntyy ketju. 
5. Valmis aminohappoketju laskostuu ja vaikuttaa solun toimintaan.

                          

Dna kahdentuu, jotta lähetti-rna voi rakentua dna:n rinnalle

 

Geenimutaatiot voivat muuttaa dna:n rakennetta ja proteiinien tuotantoa

Perintöainekseen syntyviä pysyviä muutoksia kutsutaan mutaatioiksi. Mutaatioita aiheuttaa mutageenit, joita ovat mm. eräät kemikaalit, ionisoiva säteily ja jotkin virukset. Sukusoluissa tapahtuvat mutaatiot periytyvät suvullisesti lisääntyvillä eliöillä. Suvuttomasti lisääntyvillä mutaatiot voivat myös siirtyä jälkeläisiin. Mutaatiot voivat olla haitallisia, hyödyllisiä tai neutraaleja.
Geenimutaatiot muuttavat dna:n emäsjärjestystä, mistä seuraa muutoksia myös proteiinisynteesissä. Laajempia mutaatioita ovat kromosomi- ja kromosomistomutaatiot.

 

 

Solut lisääntyvät jakautumalla 

Solunjakautumisen avulla syntyy yksisoluisilla lisää yksilöitä, ja monisoluisilla se auttaa niiden kasvamiseen ja kudosten uusiutumiseen. Solun elämänkierto eli solusykli. Solusyklissä vuorottelevat välivaihe (interfaasi) ja solunjakautuminen.

Jakautumistavat:

- mitoosi somaattisilla soluilla 

- meioosi gaameeteilla eli sukusoluilla

Dna sisältää perimän

Kaikkien eliöiden perimä koostuu dna:sta. 

Dna:n rakenne:

- kaksoiskierteinen nukleiinihappo (emästen väliset vetysidokset mahdollistavat kaksoiskierteen)

- perusosana nukleotidi, jossa on kolme osaa: sokeri, fosfaatti ja emäs.

 (dna:ssa on aina kaksi nukleotidiketjua, jotka liittyvät toisiinsa emästen vetysidoksilla)

- dna:ssa on neljänlaisia emäksiä: 

       * adeniini (A)

       * tymiini (T)

       * sytosiini (C)

       * guaniini (G)

- emäsparisäännön mukaan emäkset pariutuvat aina vain tietyn emäksen kanssa: adeniini pariutuu tymiinin kanssa, ja niiden välille muodostuu kaksi vetysidosta. Sytosiini pariutuu guaniinin kanssa, ja niiden välille muodostuu kolme vetysidosta.

  A-T, T-A  ja  C-G, G-C

 

Dna- molekyyleistä muodostuvat koromosomit ja kromosomeista kromosomistot

-Dna-molekyyli muodostaa proteiinimolekyylien kanssa kromosomin.                                                  -Esitumaisilla on ainoassa solussaan vain yksi kromosomi.                                                          -Aitotumaisilla on soluissaan monta pitkää kromosomia ja ne sijaitsevat tumassa.

-Geeni on kromosomissa oleva dna-jakso, jonka ohjauksessa syntyy tietty rna ja proteiini. Se puolestaan vaikuttaa jonkin perinnöllisen ominaisuuden kehittymiseen. 

-Yksittäisen solun kaikkia kromosomeja sanotaan kromosomistoksi. 

-Kutakin kromosomia löytyy jokaisessa solussa kaksi samanlaista. Samanlaiset kromosomit muodostavat homologisen vastinkromosomiparin. Sukupuolikromosomit ovat kuitenkin yksi poikkeus, sillä ne voivat olla keskenään erilaiset.

-Sukusoluissa eli gameeteissa on kromosomeja aina puolet vähemmän kuin muissa soluissa eli somaattisissa soluissa. 

-Diploidi: kaksinkertainen (ihmisen kaksinkertainen kromosomimäärä on 2n=46) 

-Haploidi: yksinkertainen (ihmisen yksinkertainen kromosomimäärä n=23) 

Solusyklin välivaiheessa dna kahdentuu

 Välivaihe:

1. Solut kasvavat ja jakautuvat, kromosomit ohuina dna-nauhoina 
2. Kromosomien dna-molekyylit kahdentuvat eli kopioituvat tumassa
3. Solu valmistautuu jakautumaan

 

Mitoosissa syntyy kaksi perimältään identtistä solua

Tumanjako: 

1. Esivaihe: kromosomirihmat tiivistyvät ja kiertyvät kromosomeiksi. 
2. Esikeskivaihe: soluun alkaa muodostua kaksinapainen säiekimppu, sukkularihmasto. Tumakotelo häviää
3. Keskivaihe: sukkularihmasto on valmis. Sukkularihmasto siirtää kromosomit keskelle solua solun keskitasoon. (mitoosin pisin vaihe)
4. Jälkivaihe: proteiinisäikeet supistuvat, jolloin sentromeenit halkeavat. Sisarkromatidit irtoavat itsenäisiksi tytärkromosomeiksi, jotka siirretään solun vastaikkaisille puolille sukkularihmaston napoihin. 
5. Loppuvaihe: tumakotelot muodostuvat kromosomiryhmien ympärille. Kaksi samanlaista tumaa on syntynyt. Kromosomit alkavat purkautua rihmoiksi.

Soluliman ja solun jakautuminen päättää mitoosin.

Solut tarvitsevat energiaa

 

Energiaa saadaan

• hajottamalla orgaanisia yhdisteitä
• yhteyttämällä (omavaraiset eliöt: esim. kasvit)
• soluhengityksessä (toisenvaraiset eliöt: esim. eläimet)
• käymisreaktiossa

Energiaa tarvitaan

• soluissa useisiin eri reaktiooihin:  

         - aineiden kuljetukseen solukalvon läpi
         - dna:n kahdentumiseen
         - solunjakautumiseen
         - proteiinisynteesiin

Soluhengitys

Soluhengitys on aerobisissa oloissa elävien solujen aineenvaihdunnallinen reaktio, jonka avulla solut vapauttavat ravinnon sisältämää energiaa käyttöönsä. Soluhengityksen keskeisimmät vaiheet ovat glykolyysi, sitruunahappokierto ja elektroninsiirtoketju.
Soluhengitys tapahtuu solulimassa ja mitokodriossa.

C₆H₁₂O₆ (glukoosi) + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 36ATP
sokeri (glukoosi) + happi → hiilidioksidi + vesi + 36 ATP

Reaktiosarjan kulku:

1. Solulimassa tapahtuva glykolyysi: -glykoosi hajoaa kahdeksi palorypälehapoksi → vapautuu kaksi ATP:tä ja hieman vetyä
2. Mitokodriossa tapahtuva sitruunahappokierto: -palorypälehapot muuttuvat muiksi yhdisteiksi, -hiilidioksidia vapautuu ja vety otetaan talteen, -vapautuu kaksi ATP:tä
3. Mitokodrioiden poimuissa tapahtuva elektroninsiirtoketju: -vedensiirtäjämolekyylit vapauttavat sitomansa vedyn → vety + happi → vesi + max 34 ATP:tä 

Käymisreaktiot

Käyminen on orgaanisten aineiden hajoamisreaktio ilman happea, anaerobisesti. Lopputuotteen mukaan reaktiot nimetään alkoholi- ja maitohappokäymiseksi.

Alkoholikäyminen:
- glykolyysi solulimassa
- solu saa käyttoon kaksi ATP molekyylia ja syntyy kaksi palorypälehappoa
- palorypälehapot muokataat etanoliksi ja hiilidioksiksi
- tapahtuu esim. hiivasoluissa

Maitohappokäyminen:
- glykolyysin jälkeen palorypälehapoista muodostuu maitohappoa
- tapahtuu mm. maitohappobakteereissa ja eläinsoluissa

Fotosynteesi tuottaa ravintoa eliökunnalle

Fotosynteesissä eli yhteyttämisessä Auringon valoenergian avulla valmistetaan hiilidioksista ja vedestä sokeria. Sokeriin sitoutuu Auringosta lähtöisin olevaa valoenergiaa kemiallisena reaktiona. Reaktiossa vapautuu happea. 

Reaktion kaava:  6H₂O + 6CO₂ + valo → C₆H₁₂O₆ (glukoosi) + 6O₂

                                       _{Hiilidioksidi   + valo   →    sokeri (glukoosi)   + happi} 

_{Viherhiukkaset ovat auringonvoimalla toimivia sokeri- ja happitehtaita} 

_{Viherhiukkanen eli kloroplasti on kasvin soluelin, jossa tapahtuu yhteyttäminen. Viherhiukkasia on kaikissa vihreissä kasvinosissa. Eniten niitä on kuitenkin lehtien perussolukon soluissa. Yhdessä solussa niitä on noin 30-40.} 

_{Viherhiukkaset elävät kasvisoluissa, joilta ne saavat hiilidioksidia ja vettä. Solut taas saavat viherhiukkasilta sokereita. Viherhiukkaset pystyvät muuttamaan muotoaan ja liikkumaan kasvisolun sisällä paikasta toiseen.} 

_{Viherhiukkasten yhteyttämisväriaineet eli pigmentit imevät itseensä auringon säteilyenergiaa. Fotosynteesin mahdollistavista väriaineista lehtivihreä eli klorofylli on tärkein. Mitä lyhyempi on valon aallonpituus, sitä enemmän sen fotonit sisältävät energiaa. Pääosa lehtivihreästä on sinisen vihreää klorofylli-a:ta. Tätä avustavat keltaisen vihreä klorofylli-b sekä keltaiset ja oranssit karotenoidit. Lehtivihreä heijastaa pois spektrin vihreän aallonpituuden, minkä vuoksi kasvit näyttävät vihreiltä.} 

 

_{Fotosynteesin reaktiot}

_{1. Valoreaktio}

    _{- Tapahtuu viherhiukkasten yhteyttämiskalvostossa} 

    _{- Vesi hajotetaan auringonenergialla hapeksi ja vedyksi}

    _{- Vety liittyy veden siirtäjämolekyyliin (NADPH)}

    _{- Suurin osa hapesta vapautuu ilmarakojen kautta ilmakehään} 

    _{- Energia sitoutuu ATP:hen ja NADPH- molekyyleihin}

_{2. Hiilen yhteyttämisreaktio (pimeä reaktio)}

    _{- Tapahtuu viherhiukkasen kalvopussien välitilassa}

    _{- Ilmankehän hiilidioksidia pelkistetään sokeriksi} 

    _{- Tarvitaan hiilidioksidia ja vetyä, joita saadaan tuotetusta valoreaktiosta}

    _{- ATP ja NADPH luovuttaa energiaa (saatu valoenergiasta)}

     

 _{Mitä kasvit tekevät syntyneelle sokerille?} 

_{Fotosynteesissä muodostunut sokeri viedään yhteyttävistä solukoista eri puolelle kasvia johtojänteiden nilaosissa. Sokerista saadaan energiaa kasvin soluhengitysreaktiossa. Noin puolet sokerista menee kasvin omiin elintoimintoihin ja jäljelle jäävästä sokerista valmistetaan monimutkaisempia orgaanisia yhdisteitä, esimerkiksi selluloosaa, lipidejä ja valkuaisaineita.}

_{Myös osa sokerista varastoituu tärkkelyksenä esimerkiksi hedelmiin ja siemeniin.} 

 

_{Fotosynteesin tehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä}

_{- ilmakehän hiilidioksidipitoisuus}

_{- valon määrä}

_{- valon laatu}

_{- lämpötila} 

_{- maaperän kosteus}

_{- maaperän ravinteet}   

_Kemosynteesi

_{- epäorgaanisten yhdisteiden hapettaminen --> saadaan energiaa hiilen yhteyttämiseen}

_{- kemosynteesiin kykenee vain muutama bakteeri} 

 

Kasvien vesi- ja ravinnetalous

Veden nouseminen kasveihin

Kasvin on nostettava vettä maaperästä juuristoon ja lehtiin painovoimaa vastaan. Kuitenkaan tähän ei kulu kasveilta lainkaan energiaa. Jos kasveilla ei ole vesitasapaino soluissa, se alkaa lakastua. Kasveissa tapahtuu osmoosia, koska vesi kulkee juuren puoliläpäisevän solukalvon läpi tasoittaen väkevyyserot kalvon eri puolilla. Onneksi osmoosissakaan ei kulu lainkaan energiaa, sillä se mahdollistaa taloudellisen veden siirtymisen kasviin ja kasvin solusta toiseen. 

Kaikilla kasveilla ei ole juuria, joten ne saavat veden ja ravinteet soluihinsa sekovarren läpi. Putkilokasveilla veden, ravinteden ja yhteyttämistuotteiden kuljetukseen on erilaistunut johtosolukko, joka koostuu johtojänteistä. Johtojänteissä on puuosa, jossa vesi ja ravinteet siirtyvät eri puolelle kasvia. Johtojänteiden nilaosassa kulkee verson yhteyttämistuotteita, kuten sokeria.

 

Puun rakenne: 1. ydin, 2. vuosilusto eli vuosirengas, 3. puuaines, 4. jälsi, 5. nila ja 6. kaarna

Kasvit alkavat haihduttamaan vettä versostaan auringon paisteessa. Lehtien ilmaraoista haihtuu vettä, koska lehden pintasolukon vahakerros estää tehokkaasti haihtumista. Ilmaraot ovat yleensä kiinni öisin ja auki päivisin, kun kasvi yhteyttää. Kasvin yhteyttämisessä putkiloon syntyy haihtumisimu. Ja sen avulla vesivirtaus alkaa johtojänteiden putkiloissa.

Putkilokasvien yhteyttämistuotteen kulkevat nilassa

Nila on putkilokasvien osa, joka kuljettaa yhteyttämistuotteita. Nilassa kulkee myös hedelmiin ja siemeniin menevät hormonit ja aminohapot.

Kasvien ravinteiden otto

 Kasvien tarvitsemat aineet ovat maaperän epäorgaanisia aineita. Kasveista on löydetty yli 50 eri alkuainetta, mutta vain 16 on niistä kasvulle välttämättömiä perusravinteita. Esimerkiksi, fosfori, tyypi ja kalium.
Ravinteiden saanti on aktiivista, sillä ravinteita on kuljetettava maaperästä solukalvon läpi juurisoluihin yleensä diffuusiota vastaan laimeammasta väkevämmpään liuokseen. Kasveilta kuluu energiaa ravinteiden ottoon, ja sitä tuotetaan yhteyttämistuotteista juurisolujen mitokondrioissa.
Kasvit saavat ravintonsa juuriensa ja juurikarvojen avulla, mutta jos kasvi elää symbioosissa mykoritsasienten kanssa, se saa ravintonsa niiden sienirihmastojen avulla. Osa kasvin ottamista ravinteista ja vedestä kulkeutuu johtojänteiden puuosaan juuren kuorisolukon soluväleissä, ja osa taas liikkuu solun sisäisesti. Jos haihtumisimun aiheuttama vesivirtaus ei toimi, juuripainen auttaa kasvia ravinteiden saannissa.

Kasviravinteet

Kasvit tarvitsevat pääravinteita ovat N, P, K, S, Ca ja Mg
Kasvit tarvitsevat myös hivenaineita, jotka ovat Cu, B, Mo, Zn, Mn, Cr ja Fe
Kasvit tarvitsevat eri ravinteita eri kasvuvaiheissa ja ne voivat yleensä hyödyntää aina vain tietyn määrän tiettyä ravinnetta, jotkut voivat myös varastoida ravinteita. Esimerkiksi vaikka jotakin tärkeää ionia olisi tarjolla, kasvi ottaa vain tarvitsemansa määrän sitä käyttöönsä.

Solukalvo

Solukalvo on jokaisessa solussa ja kaikien eliöiden solua ympäröivä suojakelmu. Solukalvo ympäröi solulimaa ja erottaa solun ympäristöstään. Solukalvon kautta eliö ottaa soluun ravintoaineita ja poistaa kuona-aineita tarpeensa mukaan, lisäksi se pystyy valikoimaan mitä aineita pääsee soluun sisään ja mitä solusta pois. 

Solukalvon rakenne

Solukalvon pinta on hyvin taipuisa ja se vaihtelee muotoa ilman, että se menisi rikki. Tämä johtuu siitä, että solukalvon pinnan molekyylit eivät ole kiinnittyneinä juurikaan toisiinsa.
Solukalvon runko muodostuu kahdesta kerroksesta fosfolipidimolekyylejä. Lipidimolekyylejä sitoo paikalleen kolesterolimolekyylit.
Solukalvossa olevat proteeinimolekyylit ovat soluun eriasteisesti uppoutuneena. Jotkut yltävät kokonaan solukalvon läpi, jolloin niitten kautta voi kulkea sokerit ja muut vesiliukoiset aineet. Proteiini molekyylit voivat myös siirtyä solun sille puolelle missä niitä tarvitaan.
Solukalvossa on myös solun ulkopuolella olevia hiilihydraattiketjuja, jotka ovat kiinnittyneinä fosfolipideihin ja proteiineihin. Hiilihydraattiketjujen avulla solut tunnistavat toisiaan ja solun ulkopuolisia rakenteita.

Solukalvo rakentuu kahdesta päällekkäisestä fosfolipidikerroksesta. Fosfolipidin vettä suosivat fosfaattiosat suuntautuvat ulospäin (A1) ja vettä hylkivät osat sisäänpäin (A2). Eri kokoiset proteiinit (B) ovat joko uponneina solukalvoon tai ne ulottuvat kalvon läpi (esim. proteiinikanavat). Hiilihydraattimolekyylit (C) kiinnittyvät joko kalvoproteiineihin tai lipidien fosfaattiosaan.

 

 Aineiden passiivinen kulkeutuminen

Passiivinen kulkeutuminen on energiaa eli ATP:ta kuluttava ainehiukkasen, esim. ionin, siirtäminen solukalvon läpi suuremmasta pitoisuudesta pienempään pitoisuuteen.
Diffuusio taroittaa molekyylien siirtymistä liuksessa tai kaasussa, jolloin aineet sekoittuvat tasaisesti. Diffuusio johtuu molekyylien tai ionien lämpöliikkeestä. Lämpöliikkeen seurauksena molekyylit ja ionit tönivät toisiaan kohti pienempään pitoisuutta eli sinne, missä kyseistä ainetta on vähemmän.
Veden diffuusiota puoliläpäisevän solukalvon läpi kutsutaan osmoosiksi.
Diffuusio on melko hidasta. Kuitenkin avustetun diffuusion avulla se on paljon nopeampaa, sillä siinä aineet kulkeutuvat passiivisesti solukalvon läpi kantajaproteiinien avaulla. Esim. glukoosia kuljetetaan helpottuneella eli avustetulla diffuusiolla.

 Aineiden aktiivinen kuljettaminen

Aktiivisessa kuljettamisessa solu joutuu tekemään työtä, sillä aineet kulkeutuvat pienemmästä pitoisuudesta suurempaan pitoisuuteen. Tämän työn tekevät kuljettaja proteiinit.
Solusyönnissä solu kaappaa solukalvonsa avulla suurmolekyylejä, ravintohiukkasia ja mikrobeja solun sisään. Tämän jälkeen entsyymit hajottavat rakkulan sisällön. Solu myös voi erittää suuria molekyylejä solusta pois eksosystoosin avulla.

                       

Entsyymit ovat solun kemiallisia robotteja

Solujen valmistavia valkuaisaineita kutsutaan entsyymeiksi. Entsyymejä tarvitaan solujen kemiallisissa reaktioissa. Entsyymit toimivat katalyytteinä, eli kemiallisen reaktion mahdollistavana aineena, joka itse ei kulu tai muutu reaktiossa. Katalyytit vähentävät reaktion käynnistymiseen tarvittavaa energian määrää, minkä seurauksena entsyymit nopeuttavat reaktiota soluissa ja saavat ne tapahtumaan alhaisessa lämpötilassa. Suurin osa entsyymeistä toimii solujen sisällä.

Entsyymien rakenne

Entsyymien osat ovat proteiiniosa, substraatti ja kofaktori. Proteiiniosa on entsyymin tärkein osa. Proteiiniosassa on aktiivinen keskus, ja siihen sitoutuu reaktion aikana substraatti. Substraatti on aine, johon entsyymi vaikuttaa. Eräiden entsyymien rakenteeseen kuulu myös kofaktori, joka mahdollistaa entsyymien toiminnan. Kukin entsyymi vaikuttaa vain tiettyyn substrattiin, mikä tarkoittaa sitä, että entsyymit ovat spesifisiä. Spesifisyys perustuu entsyymin aktiiviseen keskuksen ja substraatin tarkkaan yhteen sopimiseen.

Entsyymien toiminta

Entyymit toimivat joko rakennusaineenvaihdunnassa eli anabolisessa reaktiossa tai hajotusaineenvaihdunnassa eli katabolisessa reaktiossa.
        

Anabolisessa reaktiossa substraattimolekyylit sitoutuvat entsyymin aktiiviseen kohtaan siten, että substraattien sitoutuminen kemiallisesti toisiinsa ei vaadi paljon energiaa. Muodostuu reaktiotuote, joka irtoaa nopeasti entsyymistä. Entsyymi on saman tien valmis katalysoimaan uuden reaktion.

                                                                                                                                                                   

Katabolisessa reaktiossa substraatti sitoutuu hetkeksi entsyymin aktiiviseen kohtaan. Substraatti pilkkoutuu kahdeksi erilliseksi tuotteeksi.

Jos entsyymien toiminnassa on vääränlaiset olosuhteet, se menettää muotonsa eli denaturoituu. Jotta entsyymit toimisivat normaalisti, ne tarvitsisivat sopivan lämpötilan sekä liuoksen sopivan suolapitoisuuden ja happamuuden. Optimiolosuhteissa entyymien toiminta on tehokkainta. Esimerkiksi ihmisten entsyymit toimivat parhaiten n. 37 °C:ssa.
Inhibiittori on aine, joka estää entsyymiä toimimasta. Inhibiittorit muistuttavat rakenteeltaan substraattia ja kiinnittyy sen paikalle ensyymin aktiiviseen keskukseen, jolloin entyymin toiminta estyy. 

Inhibiittori voi muutta entsyymin aktiivisen keskuksen rakennetta estäen näin enstyymin toiminnan.