Luku 1.4 (Lukion Biologia (BI1))

Johdanto

Solurakenne on yksi elämän tunnuspiirteistä, sillä kaikki elollinen aines koostuu soluista. Eräät eliöt ovat yksisoluisia, esimerkiksi bakteerit ja arkeonit. Monisoluisilla eliöillä solut muodostavat yhteistyössä toimivia solukkoja ja kudoksia. Kaikki solut ovat pieniä, lisääntyvät jakautumalla ja kykenevät aineenvaihduntaan.

Solun perimä on tumassa. Tumassa on kromosomeja. Kromosomit rakentuvat pääosin DNA:sta. ​Tietty DNA-jakso on geeni eli perintötekijä.
Sipulin samankaltaiset solut muodostavat solukon. Mikroskooppikuvassa solusta erottuvat soluseinä, solulima ja tuma.
Sydän on elin, jossa on monia kudoksia. Kudokset koostuvat soluista. 

Soluja on monenlaisia

Solujen koko vaihtelee. Sammakon munasolun läpimitta on yli millimetri, bakteeri on yli tuhat kertaa pienempi. Myös solujen muoto vaihtelee. Esimerkiksi ihmisen hermosolut voivat olla jopa yli metrin pituisia, kun taas kiekkomainen punasolu on läpimitaltaan vain muutamia mikrometrejä eli millimetrin tuhannesosia.

Solut ovat useimmiten niin pieniä, että niitä ei voi erottaa paljain silmin. Tyypillisen eläin- ja kasvisolun läpimitta on noin 10–100 mikrometriä. Bakteerien ja arkeonien solut ovat vielä hieman pienempiä, noin 1–10 mikrometriä.

Solujen pienelle koolle on monta syytä. Pieni solu pystyy vaihtamaan ainetta ympäristön kanssa nopeammin kuin iso. Koska solut ovat pieniä, aineiden kulkeutuminen solun eri osiin on nopeampaa, jolloin myös solujen aineenvaihdunta on tehokkaampaa. Pienet solut voivat myös jakautua nopeammin. Pienet solut voivat muodostaa monimuotoisia kokonaisuuksia, kuten kudosta ja elimiä.

Vaikka solujen perusrakenne on melko samanlainen, niiden ikä, koko ja muoto vaihtelevat tehtävien mukaan. Ihmisruumiissa on miljardeja soluja ja satoja erilaisia solutyyppejä, kuten siittiö- ja munasoluja, puna- ja valkosoluja, luusoluja ja hermosoluja. Jokaisella solutyypillä on sen tehtävän kannalta tarkoituksenmukainen rakenne. Esimerkiksi siittiösolulla on liikkumista helpottava siima ja punasolulla hapen kuljetukseen kehittynyt kiekkomainen rakenne.

Solut lisääntyvät useimmiten jakautumalla kahtia. Erilaiset solut jakautuvat eri tahtiin. Bakteerisolut voivat jakautua nopeimmillaan jopa muutamien kymmenien minuuttien välein. Toisaalta esimerkiksi ihmisen hermosolu voi elää jakautumatta koko ihmisen eliniän.

  • atomi
  • bakteerisolu
  • eläinsolu
  • ihminen
  • maapallo
  • proteiini

100 pm: 

10 nm: 

1 µm: 

10 µm: 

1 m: 

10 000 km: 

  • luusolu
  • luukudos (osana esimerkiksi reisiluuta)
  • luun vahvistumista ohjaava geeni
  • luusto
  • kromosomi
  • tuma (solun sisällä)

Solujen kemiallinen rakenne

Kaikkia eliöitä yhdistävät samankaltaiset kemialliset yhdisteet. Soluissa on sekä epäorgaanisia että orgaanisia aineita, jotka ovat välttämättömiä solun toiminnalle. Epäorgaaniset alkuaineet ja yhdisteet ovat elottoman luonnon aineita, joissa ei ole hiiltä. Epäorgaanisista aineista eliöissä on määrällisesti eniten vettä.

Orgaaniset yhdisteet sisältävät hiiltä. Eliöissä esiintyviä orgaanisia molekyylejä kutsutaan biomolekyyleiksi. Biomolekyyleihin kuuluvat muun muassa hiilihydraatit, lipidit, proteiinit ja nukleiinihapot (DNA ja RNA).

Hiilihydraatit muodostuvat enimmäkseen vedystä, hiilestä ja hapesta. Ne toimivat soluissa esimerkiksi energian varastoaineina ja solun rakenteen tukemisessa. Hiilihydraatteja ovat esimerkiksi sokerit, tärkkelys ja selluloosa.

Lipideihin eli rasva-aineisiin kuuluu monenlaisia aineita, jotka eivät ole liukoisia veteen. Rasva-aineisiin kuuluvat triasyyliglyserolit eli rasvat, solukalvojen rakennusaineet eli kalvolipidit ja kolesteroli. Solut voivat varastoida lipideihin paljon energiaa.

Proteiinit ovat solun toiminnan kannalta keskeisiä rakennusosia. Proteiinit koostuvat aminohapoista, jotka ovat yhdistyneet toisiinsa pitkäksi ketjuksi. Monet proteiinit ovat entsyymejä, jotka toimivat katalyytteinä eli ne nopeuttavat kemiallisia reaktioita. Monet proteiinit toimivat solujen rakenteen ja liikkumisen kannalta tärkeissä tehtävissä. Ihmisen elinaikana elimistössä valmistetaan satojatuhansia erilaisia proteiineja.

Nukleiinihappoihin kuuluvat DNA (deoksiribonukleiinihappo) ja RNA (ribonukleiinihappo) varastoivat ja siirtävät perinnöllistä informaatiota. Ne koostuvat sokeri-, fosfaatti- ja emäsosasta. Solujen perimä koostuu kromosomien DNA:sta.

Mitkä seuraavista aineista ovat biomolekyylejä?

  • Vesi
  • DNA
  • Glukoosi
  • Tärkkelys
  • Proteiini
  • Aminohappo
Esimerkki aterian koostumuksesta. Monipuolisessa ateriassa on kaikkia energiaravintoaineita: hiilihydraatteja, lipidejä ja valkuaisaineita.

Erilaisia soluja: tumattomat ja tumalliset solut

Kaikilla soluilla on samoja ominaisuuksia ja rakenteita. Solua erottaa ulkopuolisesta tilasta solukalvo, jonka sisäpuolella on solulima. Solulimassa on runsaasti proteiineja, aminohappoja ja ravintoaineita, joita solu käyttää aineenvaihdunnassa. Solukalvon ympärillä voi olla rakennetta tukeva soluseinä.

Solulimassa voi olla useita tiettyyn tehtävään erikoistuneita solun rakenteita eli soluelimiä, esimerkiksi proteiinien tuottamiseen erikoistuneita ribosomeja. Kaikilla soluilla on perimä, joka sijaitsee DNA:sta ja proteiineista koostuvissa kromosomeissa. Tumallisilla (eli aitotumaisilla) kromosomit sijaitsevat tumassa tumakotelon sisällä ja tumattomilla (eli esitumaisilla) solulimassa.

Kaikissa soluissa on solukalvo, solulima ja soluelimiä. Perimä voi olla tumassa (kuten piirroksen tumallisessa solussa) tai vapaana solulimassa (tumattomilla eli bakteereilla ja arkeoneilla).

Tumattomien (eli esitumaisten) solut ovat yksinkertaisia verrattuna tumallisten soluihin, eikä niillä ole tumakotelon ympäröimää tumaa. Tumattomiin kuuluvat bakteerit ja arkeonit, jotka ovat yksisoluisia eliöitä. Tumattomien solua ympäröi solukalvo, joka erottaa solun sen ympäristöstä. Lisäksi solukalvon ulkopuolella solua suojaa usein myös soluseinä. Tumattomilla on vähän erilaisia soluelimiä. Tumattomilla kromosomit ovat vapaana solulimassa.

Tumallisiin (eli aitotumaisiin) eliöihin kuuluvat kasvit, eläimet, sienet ja protistit eli alkueliöt. Tumallisten soluissa on samoja rakenteita kuin tumattomilla, esimerkiksi solukalvo ja kromosomit. Tumaisilla kromosomit sijaitsevat tumassa, jota ympäröi tumakotelo. Tumaisilla on monia soluelimiä, joita tumattomilla ei ole, esimerkiksi mitokondrioita.

Monisoluiset eliöt ovat peräisin yhdestä solusta, josta jakautumalla kaikki muut kyseisen yksilön solut ovat syntyneet. Esimerkiksi ihmisyksilö on saanut alkunsa hedelmöittyneestä munasolusta. Ihmisalkion kehittyessä solut erilaistuvat ja muodostavat pienempiä ja suurempia kokonaisuuksia. Eläimillä tällaista erilaistuneiden solujen ryhmää kutsutaan kudokseksi ja kasvilla solukoksi.

Eläimillä samankaltaiset solut muodostavat kudoksia ja kasveilla solukoita.

Eläinten kudokset muodostavat yhdessä elimiä, ja elimistä koostuu elimistö. Esimerkiksi ohutsuolen pintasolukko muodostaa yhdessä side- ja tukikudoksen kanssa ohutsuolen, joka kuuluu esimerkiksi paksusuolen kanssa ruoansulatuselimistöön. Vastaavasti putkilokasvilla erilaiset solut yhdessä muodostavat solukkoja. Ne muodostavat juuret ja verson, johon kuuluu varsi ja lehdet.

Tumattomat (esitumaiset) ja tumalliset (aitotumaiset)

Ominaisuus

Tumattomat

Tumalliset

Solua ympäröi:

Solukalvo ja usein myös soluseinä

Solukalvo, kasveilla, sienillä ja monilla protisteilla myös soluseinä

Perimä sijaitsee:

Solulimassa, ei tumakoteloa

Tumassa tumakotelon sisällä

Soluelimet:

Vain pieniä, esim. ribosomi

Myös kalvorakenteisia soluelimiä (esim. mitokondrio, viherhiukkanen)

Solujen määrä:

Vain yksisoluisia

Sekä yksi- että monisoluisia

Eliöryhmät:

Bakteerit ja arkeonit

Protistit eli alkueliöt, kasvit, eläimet ja sienet

Soluelimet ovat solun tärkeitä rakenteita

Soluelimellä tarkoitetaan solun rakennetta, jolla on jokin tietty merkitys solun toiminnan kannalta. Esimerkiksi kaikissa soluissa on solukalvo, joka säätelee aineiden kuljetusta solun sisälle ja sieltä ulos. 

Tuman hienorakenne. Kromosomit sijaitsevat tumalimassa. Tumalimassa valmistuu RNA:ta. 

Tuma

Tumallisilla tuma toimii perimäaineksen eli DNA:n säilytyspaikkana. Siellä sijaitsevat kromosomit, jotka koostuvat proteiineista ja DNA:sta. DNA:ssa sijaitsevat geenit, jotka ohjaavat solun toimintaa. Geeni on tietty DNA:n jakso, joka ohjaa solun toimintaa. Tumattomilla perimän ympärillä ei ole tumakoteloa.

Solulima

Tuman ulkopuolista tilaa kutsutaan solulimaksi. Solulima koostuu soluelimistä sekä nestemäisestä solunesteestä. Soluneste sisältää veden lisäksi muun muassa paljon suoloja, proteiineja ja aminohappoja. Solulima on kaikissa soluissa, sekä tumattomilla että tumallisilla.

Mitokondrio

Mitokondriota voidaan kutsua solun voimalaitokseksi. Siellä tapahtuu useita solun energia-aineenvaihduntaan liittyviä reaktioita: esimerkiksi soluhengitys tapahtuu mitokondriossa. Mitokondriossa orgaanisten molekyylien sisältämä kemiallinen energia vapautuu solulle käyttökelpoiseen muotoon. Mitokondrioita on kaikissa tumallisissa soluissa.

​Viherhiukkanen

Viherhiukkanen on ravintoketjun tumallisten tuottajien (kasvit ja levät) soluissa oleva soluelin, jossa tapahtuu fotosynteesiä eli valon avulla yhteyttämistä. Fotosynteesissä viherhiukkaset sitovat auringon säteilyenergiaa biomolekyyleissä olevaksi kemialliseksi energiaksi. Fotosynteesin lähtöaineena ovat hiilidioksidi ja vesi, ja tuotteina syntyy glukoosia ja happea (O2).

​Ribosomit

Ribosomi on proteiineista ja RNA:sta koostuva solun rakenne, jossa tuotetaan proteiineja DNA:n ohjeen mukaisesti. Ribosomeja on kaikissa soluissa, myös tumattomilla.

Solukalvo ja -seinä

Solu tarvitsee erilaisia muotoa tukevia ja hajoamista estäviä rakenteita. Kaikkia soluja ympäröi solukalvo, joka erottaa solun sen ympäristöstä. Se myös säätelee aineiden kulkua soluun ja siitä ulos. Kasvi- ja sienisoluilla sekä useilla tumattomilla solua ympäröi soluseinä, joka suojaa ja tukee solua. Eläinsoluilla ei ole soluseinää.

Kuvassa kasvisolun rakenteita ja soluelimiä.
  • tuma
  • ribosomi
  • mitokondrio
  • solukalvo
  • DNA

  Tuotteiden valmistusohjeet säilytetään täällä. Työnsuunnittelu. 

  Ohjelmointikieli.

   Tehtaanportin kautta valvotaan mitä tuodaan sisään tehtaaseen ja mitä sieltä viedään ulos. 

   Jotta tehdas voisi toimia, vaatii se energiaa, jota vapautetaan tässä soluelimessä.  

   Tärkeitä lopputuotteita (proteiineja) valmistetaan ja kootaan täällä.  

a. Kasvisolu

  • tumakotelo
  • mitokondrio
  • viherhiukkanen
  • perimä
  • soluseinä
  • solukalvo

b. Eläinsolu

  • tumakotelo
  • mitokondrio
  • viherhiukkanen
  • perimä
  • soluseinä
  • solukalvo

c. Bakteerisolu

  • tumakotelo
  • mitokondrio
  • viherhiukkanen
  • perimä
  • soluseinä
  • solukalvo

Solun energiantuotannon perusteet

Kaikki solut tarvitsevat energiaa. Energiaa tarvitaan muun muassa biomolekyylien valmistamiseen, aineenvaihduntaan, aineiden kuljetukseen, kasvuun, lisääntymiseen ja viestintään. Solut voivat vapauttaa energiaa käyttöönsä orgaanisista yhdisteistä soluhengityksessä tai käymisen avulla.

​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 on omavarainen eliö, sillä se pystyy sitomaan auringon valoenergiaa biomolekyyleihin, kuten ruokosokeriin. Ihminen on toisenvarainen eliö, joka käyttää energianlähteenään biomolekyylejä, esimerkiksi sokeria. Toisenvaraiset eliöt käyttävät myös omavaraisten eliöiden valmistamia biomolekyylejä lähtöaineina omien biomolekyyliensä rakentamiseen.

Solut käyttävät energiaa biomolekyylein valmistamiseen, joita tarvitaan solun kasvuun ja lisääntymiseen. Myös liikkuminen ja lämmön tuottaminen vaativat energiaa. Myös esimerkiksi aineiden kuljettamiseen ja solujen väliseen viestintään kuluu energiaa.

Soluhengitys ja käyminen

Soluhengityksessä eliöt vapauttavat orgaanisiin yhdisteisiin sitoutunutta kemiallista energiaa käyttöönsä. Soluhengitys on monesta kemiallisesta reaktiosta koostuva reaktiosarja, jossa yhdestä glukoosimolekyylistä ja kuudesta happimolekyylistä syntyy kuusi hiilidioksidimolekyyliä ja kuusi vesimolekyyliä.

Soluhengityksen kaava:

C6H12O6 + 6 O2 ➞ 6 CO2 + 6 H2O. Soluhengityksessä vapautuu energiaa solun käyttöön. 

Soluhengitys vaatii happea. Lähes kaikki hapellisissa oloissa elävät eliöt hyödyntävät soluhengitystä. Esimerkiksi kasvit, eläimet, alkueliöt sekä monet bakteerit vapauttavat energiaa käyttöönsä orgaanisista yhdisteistä soluhengityksen avulla. Tumallisilla eliöillä soluhengitys tapahtuu solulimassa ja mitokondrioissa.

Jos solulla ei ole käytettävissä riittävästi happea, se joutuu turvautumaan käymiseen. 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. Käyminen on melko tehoton energian tuotantomuoto.

Maitohappokäymistä tapahtuu ihmisen lihaksessa, jos hapesta syntyy äkillinen puute. Tätä tilannetta kutsutaan usein ”hapoille menemiseksi”. Soluihin kertyvä maitohappo (laktaatti) aiheuttaa lihasten väsymisen ja kipeytymisen. Etanolikäymisestä hyödynnetään esimerkiksi leivonnassa ja alkoholituotannossa. Käytettäessä hiivaa leivonnassa etanolikäymisessä syntyvä hiilidioksidi nostattaa taikinan. Myös muutamat eläimet, kuten ruutana, voivat hyödyntää alkoholikäymistä hapettomissa oloissa.

Pitkäkestoisessa urheilusuorituksessa lihassoluilla alkaa olla pula hapesta. Tällöin solut tuottavat energiaa maitohappokäymisen avulla.

Yhteyttäminen: foto- ja kemosynteesi

Lehden rakenne. Kaasujen vaihto ilman ja lehden välillä tapahtuu huulisolujen ilmarakojen kautta. Pinta- ja perussolukon lisäksi kasveissa on johtosolukkoa, jota pitkin ravinteet ja vesi kulkevat.

Fotosynteesissä eliöt käyttävät auringon valoenergiaa, jotta ne pystyvät sitomaan hiilidioksidia ja muodostamaan glukoosia (sokeri). Reaktioon tarvitaan lisäksi vettä. Solut voivat käyttää syntynyttä glukoosia muiden biomolekyylien valmistamiseen. Fotosynteesissä lopputuotteena vapautuu happea.

Lähes kaikki toisenvaraiset eliöt ovat riippuvaisia kasveista ja siten fotosynteesistä. Toisenvaraisten eliöiden ravintoon sitoutunut energia on peräisin kasveista ja siten välillisesti auringosta.

Fotosynteesin kokonaisreaktio:

6 CO2 + 6 H2O ➞ C6H12O6 + 6 O2 (lisäksi tarvitaan auringon valoenergiaa)

Eräät tumattomat eliöt (eli eräät arkeonit ja bakteerit) saavat biomolekyylien valmistamiseen tarvittavan energian epäorgaanisista aineista kemosynteesin avulla. Ne eivät tarvitse valoa yhteyttämiseen. Kemosynteesiä hyödyntäviä eliöitä elää muun muassa maa- ja kallioperässä, valtamerten pohjilla ja kuumissa lähteissä.

Yle: Fotosynteesi

      • hiivasieni
      • voikukka
      • syanobakteeri
      • kolibakteeri
      • ihminen
      • ameba
      • mänty

      Tiivistelmä

      • Kaikki eliöt koostuvat soluista.
      • Solun toiminta pohjautuu moniin kemiallisiin reaktioihin. Entsyymit ovat biologisia katalyyttejä, jotka nopeuttavat kemiallisia reaktioita.
      • Solujen koko ja elämänkierron pituus vaihtelevat.
      • Kaikilla soluilla on solukalvo, solulima, perimä ja soluelimiä.
      • Tumallisilla (eli aitotumaisilla) kromosomit sijaitsevat tumassa ja tumattomilla solulimassa.
      • Tumattomiin (eli esitumaisiin) kuuluvat bakteerit ja arkeonit, tumallisiin protistit eli alkueliöt, kasvit, sienet ja eläimet.
      • Monisoluisilla eliöillä solut voivat liittyä yhteen ja muodostaa toimivan kokonaisuuden. Eläinsolut muodostavat kudosta, kasvisolut solukkoa.
      • Solujen rakenneosia:
        • Tuma on tumallisilla solun keskus, jossa sijaitsevat kromosomit ja DNA.
        • Tuman ulkopuolista tilaa kutsutaan solulimaksi. Siellä on soluelimiä ja nestettä.
        • Mitokondrio on solun energia-aineenvaihdunnalle tärkeä soluelin.
        • Viherhiukkanen on kasvin soluelin, jossa tapahtuu fotosynteesi.
        • Solun kalvorakenteisiin kuuluvat myös esimerkiksi solulimakalvosto, Golgin laite, lysosomit ja vakuolit.
        • Ribosomit koostuvat proteiineista ja RNA:sta. Niissä valmistetaan solun tarvitsemat proteiinit.
        • Solua ympäröi solukalvo. Joitakin soluja (esim. kasvisoluja) suojaa myös soluseinä.
      • Omavaraiset eliöt pystyvät tuottamaan ravintonsa foto- tai kemosynteesin avulla.
      • Toisenvaraiset eliöt käyttävät ravintonaan orgaanisia yhdisteitä ja niihin sidottua kemiallista energiaa.
      • Soluhengityksessä eliöt vapauttavat orgaanisiin yhdisteisiin sitoutunutta kemiallista energiaa. Soluhengityksessä kulutetaan happea.
        • C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O (lisäksi muodostuu energiaa)
      • Fotosynteesissä sidotaan auringon valoenergiaa orgaanisiin yhdisteisiin kemialliseksi energiaksi. Fotosynteesissä tuotetaan happea.
        • 6 CO2 + 6 H2OC6H12O6 + 6 O2 (lisäksi tarvitaan auringon valoenergiaa)
      • Fotosynteesissä tuottajien valmistamat orgaaniset yhdisteet ovat kuluttajien hyödynnettävissä. Fotosynteesissä vapautuu happea, jota käytetään soluhengityksessä.
      Odota