Alkuaineiden biologiset kierrot, esim. typensidonta ja kasvien ravinnetalous.

1. Alkuaineiden kierrot elottomassa ja elollisessa luonnossa
Materialismi
- elämän ilmiöt ovat aineen aiheuttamia
- aine koostuu alkuaineatomeista HONCP
- alkuaineet eivät esiinny atomeina, vaan molekyyleinä: HONCP12345-muistisääntö
Soluille ominaisia molekyylejä
proteiinit: solun työkalut
DNA ja RNA: tietovarastoja siitä, millaisia työkaluja solu tarvitsee
Fosfolipidit: kalvorakenteita (tumakotelo, solukelmu, rER, sER, Golgin laite, mitokondriot,
viherhiukkaset)
Sokerit eli hiilihydraatit: energiavarastoja, siis vetyatomeiden varastoja, me toimimme
nimittäin vetyvoimalla, puu on selluloosa nimistä sokeria (kasvien keskeinen rakenneosa)
Mihin (molekyyleihinsä) eliöt tarvitsevat typpeä, fosforia, hiiltä jne.?
- kaikki edellä luetellut molekyylit sisältävät hiiltä, happea ja vetyä
- DNA:n ja RNA:n emäkset sekä proteiinien aminohapot sisältävät lisäksi typpeä
- DNA, RNA (tietomolekyylit) ja fosfolipidit (kalvorakenteet) sisältävät fosforia
Miten alkuaineet muuttuvat eläviksi otuksiksi eli eliöiksi?
- C, O ja H siirtyvät eliöihin yhteyttämällä H2O + CO2 (Siis Vichy-vesi!) => sokeri + O2
- typpi sidotaan ilmakehästä (80 % ilmakehästä on typpeä) sinibakteerien ja
typensitojabakteerien toimesta
- fosfori liukenee maaperässä olevaan veteen fosfaatteina PO4- (siis hapettunut
fosforiatomi) -> eläviin otuksiin kasvien ottamina ravinteina
- HONCP-yhdisteet kiertävät eliökunnassa ravintoketjujen kautta
Katsaus elämän energiatalouteen
- sokerit ovat loistava energiavarasto, mutta proteiinit eivät voi hyödyntää niitä sellaisinaan
- vasta molekyyli nimeltä ATP on proteiinien energiakäteinen
- ATP:tä valmistetaan sokereista irrotettavien vetyatomien avulla mitokondrioissa
- ATP:tä tuottaa mitokondrion sisäkalvolla oleva ATP-syntaasi niminen proteiini
- apua se saa mitokondrion sisäkalvolla olevilta elektroninsiirtäjiltä (nämäkin ovat
proteiineja)
Ulkokalvo
Sisäkalvo
Elektroninsiirtäjät (4 kpl),
eli elektroninsiirtoketju
ATP-syntaasi
Kuva 1. Mitokondrion rakenneosat

2. ATP:n rakenne
-Adenosiini-tri-fosfaatti, ATP, on nukleotidirakenteinen molekyyli (Adeniini-emäksellä varustettu
RNA-nukleotidi on molekyylin runkona)
- RNA-nukleotidista saadaan ATP:tä, kun nukleotidissa olevan yhden fosfaatin jatkoksi liitetään
kaksi ylimääräistä fosfaattia
- kun proteiinit kuluttavat ATP:tä, uloin fosfaatti irtautuu, jolloin jäljelle jäävät ATP:n
hajoamistuotteet ADP ja P
- hajoamistuotteita, ADP ja P, voidaan käyttää uusien ATP-molekyylien raaka-aineina
ATP proteiinien ”energiakäteisenä”
- useimmat solujemme työkalut eli proteiinit tarvitsevat ulkoisen energianlähteen
- energianlähde on ATP
- ellei ATP:tä ole tarjolla, proteiini ei toimi
- kun ATP:tä on tarjolla, yksi ATP:n sisältämistä fosfaateista kiinnittyy hetkeksi proteiinin
johonkin aminohappoon, jolloin proteiini on toimintakykyinen
- nyt aktiivinen proteiini toimii sille ominaisella tavalla, mutta menettää samalla fosfaattinsa
- näin ATP hajoaa ADPksi ja fosfaatiksi: ADP + P
- ADP ja P siirtyvät ATP:n raaka-aineiksi mitokondrion sisäkalvolla olevaa ATP-syntaasia
varten
ADP + P
Proteiini ja ATP Fosforyloitu proteiini eli
proteiinin aktiivinen
olomuoto
ADP eli ATP:n
toinen
hajoamistuote
Proteiinin tekee duuninsa
+ ADPPProteiinin epäaktiivinen
muoto
Nämä ovat ATP:n
ATP Fosfaatti vapautuu
Riboosi Adeniini emäs
Fosfaatti
Fosfaatti
Fosfaatti Fosfaatti
ATP:n
hajoamistuotteet
ADP + P
ADP
Ehjä ATP
RNA-
nukleo-
tidi

3. Elektroninsiirtoketju mitokondrion sisäkalvolla
- elektroninsiirtoketju ja ATP-syntaasi tuottavat ATP:tä
- ATP tuotetaan hajottamalla vetyatomeita protoneiksi ja elektroneiksi
- Vetyatomit ovat peräisin sokerista ja vedyt siitä irrottavat vedynsiirtäjät NAD ja FAD (fatsit
ja muut natsit)
- fatsit ja muut natsit (NAD ja FAD) toimittavat vetyatomit ensimmäiselle elektroninsiirtäjälle
- elektroninsiirtäjä hajottaa vetyatomin protoniksi ja elektroniksi ja toimittaa protonin
mitokondrion ulko- ja sisäkalvon väliseen tilaan
- ketjun viimeinen elektroninsiirtäjä toimittaa vetyatomista napatun elektronin
mitokondrion sisimpään ontelotilaan eli matriksiin
- syntyy varausero kalvon vastakkaisten puolien välille, tätä kutsutaan myös nimellä
protonigradientti
- ATP-syntaasin kaulaosa on kiinteästi mitokondrion sisäkalvossa, pesäosa pyörii vapaasti
kaulan varassa
- ATP-syntaasin keskellä on kapea tiehyt, jonka kautta protonit pääsevät virtaamaan
elektronien luo
- protonien virta saa ATP-syntaasin pesäosan pyörivään liikkeeseen, pyörinnän avulla ATP:n
hajoamistuotteet ADP ja P saadaan yhtymään upouudeksi ATP:ksi
- rypälesokeri eli glukoosi on C6H12O6, joten siinä on peräti 12 vetyatomia
- jokainen glukoosissa oleva vetyatomi irrotetaan soluissa ja hyödynnetään edellä kuvatulla
tavalla ATP-tuottamisessa (tapahtuma on nimeltään soluhengitys ja se tapahtuu pääosin
mitokondrion sisällä)
NADH tai FADH (NAD tai FAD
lastattuina vetyatomilla)
NAD tai FAD
e- e- e-
e-
H+
H+
H+
n kpl H n kpl O2 ilmakehästäSokeri C6H12O6
ADP + P ATP
Mitokondrion ulko- ja sisäkalvon välinen tila
Mitokondrion
sisäkalvo

4. Mitokondrion ja typensitojabakteerien vertailu
- ilmakehästä 80 % on molekulaarista typpeä N2
- typpimolekyyli on kemiallisesti hyvin epäaktiivinen, sillä typpiatomien välillä on vain
vaikeasti avautuva kolmoissidos
- typpeä sitovissa bakteereissa on omia proteiinejaan, jotka muiden proteiinien tavoin
kuluttavat ATP:tä
- ekologisesti merkittävin ATP:n kuluttaja on niiden solukalvolla sijaitseva typpimolekyylin
kolmoissidoksen hajottaja: Nitrogenaasi
- typensitojat tuottavatkin ensin ATP:tä samalla periaatteella kuin mitokondriot
- koska niiltä puuttuu erillinen sisäkalvo, elektroninsiirtoketju ja ATP-syntaasi sijaitsevat
niiden solukelmulla
- protonigradientti muodostuu bakteerin ulko- ja sisäpuolen välille
- kun mitokondrioissa vetyatomit ATP-tuotannon jälkeen yhtyvät happeen muodostaen
vettä, typensitojissa ne yhtyvät atomaariseen typpeen
- koska typpiatomilla N on kolme sidoselektronia ja vedyllä yksi, yksi typpiatomi
vastaanottaa kolme vetyatomia
- tuloksena muodostuu ammoniakkia NH3
- vedessä se vastaanottaa vielä yhden protonin, jolloin siitä tulee ammoniumioni NH4+
- ammoniumtyppi kelpaa kasvien käyttöön
- esimerkiksi lepällä ja hernekasveilla on juurissaan typensitojabakteereita, jotka elävät
symbioosissa juurisolujen sisällä
- isäntäkasvilta typensitoja saa sokereita, siis vetyatomeita, ja isäntäkasvi saa vastalahjaksi
ammoniumtyppeä
- myös järvissä ja merialueilla esiintyvät sinibakteerit (=syanobakteerit = sinilevät) pystyvät
sitomaan ilmakehän typpeä, lisäksi ne osaavat yhteyttää eli ne tuottavat
sokerimolekyylinsäkin itse (Näin ollen ainoa aine, joka rajoittaa niiden kasvua on fosfaatti!)
- YHTEYTTÄMINEN + TYPENSIDONTA => ainoa sinibakteerien kasvua rajoittava ravinne on
fosfaatti

5. Kuva 1. Typensitojabakteerien ja mitokondrion toiminnan vertailu. Mitokondrio (vasemmalla) tuottaa
ATP:tä isäntäsolunsa proteiineja varten. Typensitojabakteeri (oikealla) tuottaa ATP:tä omien proteiiniensa,
mm. nitrogenaasin, tarpeisiin.
Sokeri C6 H12 O6
2 kpl
H2O
Nitrogenaasi (kelt.) hajottaa typpimolekyylin
(N2) kahdeksi typpiatomiksi (N). Kolme
typpiatomien vapaata sidoselektronia
näkyvät kuvassa viivoina.
ATP:tä
solulimaan
CO2 CO2CoA CoA
NADH NADH
1. Glykolyysi
ADP
+ P
ATP
NADH
NADH
H+
H+
H+ e-
e-
ADP
+ P
ATP
H+
H+
H+
6 kpl H
4 kpl
H
N2
O2
N
N
2 kpl
NH3
2.
Sitr.h.kierto
2.
Sitr.h.kierto
H+
3. ATP-tuotanto
3. ATP-tuotanto

6. TIIVIS KERTAUS KAIKESTA EDELLÄ KERROTUSTA
1) Eliöt toimivat sokereista C6H12O6 irrotettavien vetyatomien voimalla.
Sokerimolekyyli on loistava vedynlähde.
2) Vedyt ”Fatsien ja muiden Natsien (NAD ja FAD ovat vedynsiirtäjäentsyymejä)
toimesta mitokondrioiden sisäkalvon elektroninsiirtoketjuun + ATP-syntetaasia
pyörittämään => ATP-tuotanto (ATP on proteiinien käyttövoima)
3) Myös typensitojabakteerit (siis juurinystyräbakteerit ja sinibakteerit) käyttävät
sokerin vetyjä ATP-tuotantoonsa. Sinibakteerit tuottavat sokerinsa itse
yhteyttämällä, kuten kasvit. Juurinystyräbakteerit saavat sokerit isäntäkasviltaan.
4) Myös sini- ja juurinystyräbakteereissa NAD:it toimivat vedynsiirtäjinä ja ne ottavat
vetynsä sokereista glykolyysin ja sitruunahappokierron aikana.
5) Mitokondrioissa vetyjen loppusijoituspaikkana toimii happiatomi (tuloksena
vapautuu vettä ja lämpöä).
6) Typensitojilla keskeinen ATP:n kuluttaja on bakteerin solukelmulla oleva
typenhajottaja: nitrogenaasi. Nitrogenaasi hajottaa molekulaarisen N2-typen
atomaariseksi N-typeksi (N2 => 2 x N).
7) Atomaarinen N-typpi on valmis vastaanottamaan kolme vetyatomia, jolloin siitä
tulee ammoniakkia NH3. Tämä esiintyy soluissa ammoniumionina NH4+, jota kasvit
sitten sujuvasti hyödyntävät.
8) Samat vetyatomit (= protonit ja elektronit), joilla sini- tai juurinystyräbakteerit ensin
tuottavat ATP:tä, saavat typensidonnassa loppusijoituspaikakseen typpiatomin.
TYPPI JÄÄ KIERTÄMÄÄN RAVINTOKETJUISSA
Kuolema korjaa
kolkkoa satoaan.
TUOTTAJAT (= kasvit)
PEDOT
KULUTTAJAT
(= kasvinsyöjät)
Hajottajat käyttävät
hiilenlähteenään, jolloin
jäljelle jää
typpiyhdisteitä.
Kakka ja pisu sisältävät paljon
ammonium-ioneja NH4+, mutta
myös muita yhdisteitä.
NH4+ eli
ammonium-
ioneja
Nitriittibakteerit
Nitraattibakteerit
Denitrifikaatio-
bakteerit käyttävät
NO2- ja NO3- ioneja
hapenlähteenään.
NO2- eli
nitriitti-ioneja
NO3- eli
nitraatti-ioneja
Hapettomuus esim.
maaperän liiallinen
märkyys.
Jäljelle jää molekulaarista
typpeä N2, joka karkaa
ilmakehään.
Typensitojabakteerit esim
Rhizobium ja sinilevät
sitovat ilmakehän N2:sta
ammoniakiksi NH3.
Kuva 2.
Typen kierto elävässä luonnossa. Kasveille
käyttökelpoinen typpi on merkitty sinisillä nuolilla.

7. Muut alkuaineet siirtyvät eliökuntaan kasvien ottamina ravinteina
Olemme jo ykköskurssissa oppineet, että kasvit hyödyntävät protoneita eli vetyatomin
ytimiä eli vety-ioneja (H+) ravinnetaloudessaan.
Maaperässä olevat ravinteet ovat peräisin eloperäisestä ja kivennäisaineksesta. Ravinteita
liukenee hitaasti elollisen ja elottoman luonnon toiminnan tuloksena.
Kasvien tarvitsemat ravinteet ovat maaperässä enimmäkseen positiivisesti varautuneina
ioneina. Koska maaperän kivennäis- ja humus-hiukkaset ovat negatiivisesti varautuneita,
ravinteet pysyvät näiden pinnalla.
Kasvit saalistavat positiivisesti varautuneita ravinneioneja pumppaamalla juurisoluistaan
protoneita maaperään. Pumppaaminen tapahtuu solukelmussa olevien
proteiinirakenteisten protonipumppujen avulla ja kuluttaa ATP:tä.
Maaperään joutuvat protonit asettuvat ravinnehiukkasten paikalle ja irrottavat nämä
vapaiksi maaperässä olevaan veteen (tsekkaa tämä kuvasta 55 aloittaen kohdasta, jossa
lukee veden autoprotolyysi).
Koska protonit ovat varaukseltaan positiivisia, pumppaaminen tuottaa juurisolun sisälle
negatiivisen varaustilan. Protonien maaperästä syrjäyttämät ravinneionit siirtyvät tämän
vuoksi juurisoluihin kuin itsestään, eivät silti mistä tahansa, vaan solukelmussa olevien
kanavaproteiinien läpi. Kanavaproteiineja tarvitaan paljon, sillä jokaista ravinnetyyppiä
varten on oma kanavaproteiinityyppinsä.
Tässä siis käsitellään samassa asiayhteydessä toisaalta vetyatomien ytimiä eli protoneita
ja solujen työkaluja eli proteiineja. Muistathan, että aina, kun puhutaan proteiineista, ne
ovat syntyneet geenien toiminnan tuloksena.
Osa kasvien tarvitsemista ravinteista on negatiivisia ioneja. Niiden saamiseksi
juurisoluissa on valikoivasti toimivia ATP:tä kuluttavia ionipumppuja. Niiden toiminta ei
perustu vaihtokauppaan, vaan kohdistuu suoraan tarvittaviin ravinneioneihin (tsekkaa
kuvasta 57 fosfaatti- ja nitraattipumppua esittävät kohdat).

8. Happo on aine, joka luovuttaa protonin
Kasvien ravinnetalous on kuin hallittu muunnelma happosateista. Vapaat protonit ovat
nimittäin happojen tuntomerkki. Kun taivaalta sataa hapanta vettä, vievät sateen mukana
tulevat protonit paikan maaperän ravinneioneilta. Vapautuvat ravinteet aiheuttavat
kasveissa lyhyen kasvupyrähdyksen. Kasvit eivät ehdi käyttää kaikkia vapautuvia
ravinteita. Siksi ravinteet painuvat syvälle maaperään juurten ulottumattomiin. Lopulta
tuloksena on maaperän köyhtyminen. Ravinteiden puute aiheuttaa puiden
harsuuntumisen.
Maaperästä karanneet ravinteet rehevöittävät pohja- ja pintavesiä. Maaperän myrkylliset
raskasmetallit kuten alumiini ja elohopea lähtevät samoin liikkeelle. Eristyneistä
metsälammistakin voi siksi saada elohopeapitoisia kaloja. Alumiini saostuu kalojen
kiduksiin ja saattaa aiheuttaa niille tukehtumiskuoleman.
P
P
02
Sokeri
ATP
ADP
ADP
H+
H+
H+
H H
0
e- H
0
Ca+
H20
C02
Nitraattipumppu
Ribosomi
P04-
Fosfaattipumppu
Protonipumpp
u
Kalsiumkanava
Maaperässä oleva
hiukkanen
DNA
mRNA
Tuma
Mitokondrio
veden pro-
tolyysi
Kuva 57. Kasvien ravinnetalous ja sen suhde
energiatalouteen (mitokondrio kuvassa keskellä).
Ca+
N03-
Yhteyttäminen viherhiukkasissa
tuottaa sokereita ja happea