2.2 Solun energiansaanti

E välittyy solussa ATP:n avulla

• Solujen toiminnan kannalta E ei ole sellaisenaan käyttökelpoista
• Runsasenergiset sidokset liittävät kolme fosfaattiosaa, riboosisokerin ja adeniiniemäksen yhteen, mistä muodostuu ATP

Yhteyttäminen

• =orgaanisten yhdisteiden sidoksiin sitoutuva E eliössä
• Hyödyntämiskelpoista E:tä yhteyttämisen avulla

Fotosynteesi

• Yhteyttäminen tapahtuu Aurongin valoenergialla
• Eräät bakteerit, syanobakteerit, levät ja vihreät kasvit
• Myöhempää käyttöä varten varastoon pystytään sitomaan E valon fotoneista, mikä on tärkein syy fotosynteesiin
• Kloroplasteissa (viherhiukkasissa) tapahtuu kasvien yhteyttäminen

Yleistä

• Orgaaniset aineet pystytään tuottamaan Auringon E:n ansiosta->omavaraisia (autotrofisia) ne eliöt, jotka hyödyntävät fotosynteesiä
• Happea tuottamaton ja oksygeeninen (O:ta tuottava): kaksi tyyppiä
• Kokonaisreaktio oksygeenisellä:
• 6H₂O + 6CO₂ + valon fotonit → C₆H₁₂O₆ (glukoosi) + 6O₂

• _{Pimeärekatiossa ja valoreaktiossa: kaksi jaksoa}

_Valoreaktiot

•  _{O:ksi ja vedeksi hajottamiseen käytetään osa valoenergiasta, NADPH-molekyyleihin nja ATP-molekyyleihin sitoutuu muunnettu valoenergia: valoreaktiot yhteyttämiskalvolla viherhiukkasessa muodostavat siis fotosynteesin ensimmäisen vaiheen}
• _{Ei-syklinen ja syklinen ovat valoreaktion kaksi tyyppiä}

 _{Pimeäreaktiot}

• _{Pimeärekatiot eli reaktiot, jotka ei tarvitse valoa, muodostavat fotosynteesin toisen vaiheen}
• _{CAM, C4 ja C3: kolme erityyppistä fotosynteesiä kasveilla}

_{Calvinin kierto}

•  _{Calvinin kierto on pimeäreaktioina C3-fotosynteesissä}
• _{CO2-molekyylin kaappaa ilmasta Rubisco-entsyymi Calvinin kierron alussa. Sitten sokeriin, joka sisältää 5 C-molekyyliä}
• _{Pieni osa käytetään rakennusaineeksi ja aineenvaihduntaan GAP-molekyyleistä}
• _{O:n ja CO2:n kanssa reagoi RuBP}

_{C4 ja CAM-fotosynteesit}

•  _{Fotorespiraatioon kuluu yhä suurempi osa ja CO2:n synteesi heikkenee, koska O:n kanssa reagoiva RuBP T:n noustessa, mikä on ongelma C3-fotosynteesissä}
• _{Ongelmaa korjaavat kasvit, jotka elävät kuumassa ilmastossa. Korjausmenetelmä on C4-fotosynteesi}
• _{3C-yhdisteeksi ja CO2:ksi hajoaa välituote}
• _{Durra, hirssi, maissi ja sokeriruoko ovat esimerkkejä C4-kasveista. Niitä on n. 0,4% kaikista kasveista}
• _{Kasvit, jotka elävät kuivassa ja kuumassa ympäristössä, käyttävät CAM-fotosynteesiä}
•  _{10% kasveista on CAM-kasveja}

_{Fotosynteettiset elimet ja kalvot} 

• Solukalvolla sijaitsevat proteiinit, jotka keräävät valoa bakteereilla
• Kloroplastiksi kutsutaan soluelintä, jossa tapahtuu fotosynteesi (syanobaklteereilla ja kasveilla)
• Tylakoidin pintakalvolla sijaitsee fotosynteesilaitteisto vettä hapettavilla
• Elektronin viritys korkeammalle E-tasolle tapahtuu reaktiokeskuksessa, ja valon keräys antennikompleksissa, joka on kummassakin fotosysteemissä

Mitä yhteyttämiseen tarvitaan?

•  1. CO2

• Vedestä kasvit ottavat veden alla, ilmasta ottavat kasvit maalla
• Vaikka olisikin suotuisat T ja valaistus, yhteyttäminen ei tuota enempää tuotteita kuin hengitys kuluttaa, jos kasvin kompensaatiopiste on suurempi kuin ilman CO2-pitoisuus
• 400 ppm keskimäärin ulkoilmassa

• 2. Valo

• Usein liian vähän, usein taas liikaa 
• Valon säteilykoostumus on oleellista, ei määrä
• Reaktioiden lopputuotteisiin jää talteen valoenergiaa kemiallisena energiana

• 3. Lämpötila (T)

  • Vaikuttaa entsyymireaktioihin jatkovaiheessa, mutta vähäinen vaikutus valoreaktiovaiheessa
     

• Vesi
• Vettä kasvi tarvitsee riittävästi, jos avoimet ilmaraot, kun vedenkäytöstä tarvitaan fotosynteesiin alle prosentti
• Lehtivihreä
• Valosäteilyn vastaanottaja
•  

 Kasvien ainestuotannon lähtökohta on C6H12O6 eli glukoosi, joka on yhteyttämisen perustuote

Kehitys

• Nykyistä kasveista poikkeavat yhteyttämisreaktiot bakteereilla, joita pidetään varhaisimpana valon avulla yhteyttävinä organismeina
• 3.4 miljardia vuotta sitten ajoitetuista fossiileista on löydetty filamentteja, jotka liittyvät ilmeisesti fotosynteesiin
• Syanobakteereilla kehittyi ensimmäisenä vettä elektronin luovuttajana
• Toiseksi aineosaksi ilmakehään tuli N:n rinnalle CO2:n sijasta O fotosynteesin takia

• Esim. merivuokot, sienet ja korallit elivät symbioosissa levien kanssa
• Viherhiukkasen synnyn selittää äärimmäisen läheinen symbioosi
• O vähän ja CO2 paljon kaasukehässä, kun kehittyi yhteyttäminen

Kemosynteesi

•  =yhdisteiden hapettamiseen perustuvaa yhteyttämistä
• Esim. syvänmeren savuttajissa, erilaisia hapettomia olosuhteita ja merten syvyyksien painetasoja; elinkelvottomia ympäristöjä elämän näkökulmasta sietävät kemosynteesiin perustuvat eliöt
• Maapallollas fotosynteesiin perustuvaa elämää saattoi edeltää elämä, joka perustui kemosynteesille

Prosessi

•  Fe²⁺ , NH_{3 , ja H2S ovat erilaisia Fe-, N ja S-yhdisteitä, jotka hapettuvat kemosynteesissä}

• Hapettumisreaktio rikkibakteerin vetysulfifilla:
• CO₂ (g) + O₂ (g) + 4 H₂S (aq) → CH₂O (aq) + 4 S (g) + 3 H₂O (l) 
•  Jossa siis syntyy puhdasta S, H2O ja CH₂O (hiilihydraattia)
• Rauta- ja nitrifikaatiobakteeri hyödyntävät kemosynteesiä
• Hapetusreaktio nitrifikaatiobakteerin ammoniakilla
• 2 NH₃ (g) + 3 O₂ (g) → 2 HNO₂ (aq) + 2 H₂O (l) 
• Eli ammoniakki+happi->typpihapoke+vesi
• Hapetusreaktio rautabakteerilla:
•  2 Fe(HCO₃ )₂ (aq) + 1/2 O₂ (g)+ H₂O (l)→ 2 Fe (OH)₃ (aq)+ 4 CO₂ (g) 
• ->ferrihydroksidia ja hiilidioksidia 
• Tulevaisuuden E-tuotannossa voi hyödyntää kemosynteesiä
• Karboksyylihappoa (-COOH) voitaisiin tuottaa CO2:lla Pyrococcus bakteerilla, joka hyödyntää kemosynteesiä

Hiilihydraatit

• O:sta, H:sta ja C:stä koostuvia orgaanisten yhdisteiden ryhmä
• Energiaravintoaineina elimistössä toimivat dis- ja monosakkaridit, yksinkertaisimmat hiilarit

Luokittelu

• Heterosakkarideihin (koostumuksen mukaan) sekä poly-, oligo-, di- ja monosakkarideihin sokeriyksiköiden lukumäärän mukaan
• Ravintokuituun, tärkkelykseen ja sokereihin jaetaan ravitsemustieteessä

Elimistössä

•  Eivät välttämättömiä ravintoaineita ihmiselle, mutta pääasiallinen ravinnonlähde elimistöllemme
• Aivojen yksinomainen energianlähde on C₆H₁₂O_{6 (glukoosi) , elimistön tärkein okeri}
•  _{Elimistössä on useita entsyymejä, jotka pilkkovat hiilihydraatteja}
• _{Adrenaliini lihaksessa ja glukagoni maksassa saa aikaan glykogeenin pilkkoutumisen}
• _{Laadulla on väliä}
• _{Entenkin nuorten ravintokuitujen tarvetta on kasvatettu}

 _{Energian vapauttaminen}

_Soluhengitys

•   _{Energiaa käyttöönsä ravinnosta vapauttamisen aineenvaihdunnallinen reaktio elävillä soluissa aerobisisissa oloissa}
•  C₆H₁₂O₆ (glukoosi) + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 36ATP
• Happi ja glukoosi ovat lähtöaineita soluhengityksessä

Vaiheet:

• Glykolyysi
• Solulimassa
•  C₆H₁₂O₆ (glukoosi) + 2 NAD⁺ + 2 P_i + 2 ADP → 2 CH3COCOOH (pyruvaatti) + 2 NADH + 2 ATP + 2 H⁺ + 2 H₂O
• Pyruvaatin oksidatiivinen dekarboksylaatio
• Puryvaattideghydrogenaasikompleksilla hapetetaan pyruvaattimolekyylit->CO2 ja asetyylikoentsyymi-A syntyvät

•  Sitruunahappokierto
• Tapahtuu mitokondrion matriksissa ja vatii aerobisia oloja
• Sitruunahappokierto on kahdeksanvaihein reaktiosarja
• Siihen siirtyy asetyylikoentsyymi-A, joka syntyi pyruvaattimolekyylien hapettamisen seurauksena
•  C₂₃H₃₈N₇O₁₇P₃S (asetyylikoentsyymi-A) + 3NAD⁺ + FAD + 2H₂O + ADP + P → C₂₁H₃₆N₇O₁₆P₃S (koentsyymi-A) - SH + 2CO₂ + FADH₂ + ATP + 3(NADH + H⁺) + 2ATP
• Elektroninsiirtoketju
• Mitokondrion sisäkalvolla elektroneita kuljetetaan elektroninsiirtäjältä toiselle
• Sitruunahappokierrossa syntyneitä elektroneita siis kuljetellaan
•  (NADH + H⁺) + ½O₂ + 3ADP + 3P → NAD⁺ + 4H₂O + 3ATPFADH₂ + ½O₂ + 2ADP + 2P → FAD + 3H₂O + 2ATP

•  

  Käyminen

  • Energian saamiseksi aminohappoja tai hiilihydraatteja pilkotaan
    

    Alkoholikäyminen

    • Pyruvaatiksi aineenvaihtuntareaktioissa muuttuva sokeri entsyymien katalysoinnin vuoksi, joita on bakteereissa ja hiivassa
    • Hapeton tila edellytetään
    • Ympäristöön erittyy etanolia ja hiilidioksidia, kun hiivasolut käyttävät ravintonaan sokeria käymisprosessissa
    •  C₆H₁₂O₆ + 2 ADP → 2 C₂H₅OH + 2 CO₂ + 2 ATP.
    • Metanolia ja muita alkoholeja syntyy pieniä määriä etanolin lisäksi 

     Maitohappokäyminen

    •  Sokeri hajotetaan pyruvaatiksi, joka pelkistyy laktaatiksi anaerobisessa glykolyysissä eli maitohappokäymisessä
      
      • Jos happea ei saada riittävästi verenkierrosta, maitohappokäymisellä voidaan tuottaa energiaa nisäkkäiden lihassoluissa