Fotosynteesi ja soluhengitys: vaiheet, reaktioyhtälöt ja erot

Laran tiimi7 min

Fotosynteesissä kasvi sitoo valon energian sokeriin hiilidioksidista ja vedestä, ja happea vapautuu. Soluhengityksessä lähes kaikki eliöt, myös kasvit, hajottavat sokeria hapen avulla ja saavat energian ATP:ksi. Reaktiot ovat toistensa vastakohtia: toisen lopputuotteet ovat toisen lähtöaineita.

Sisällys · 12 osiota

Lyhyesti: miten fotosynteesi ja soluhengitys liittyvät toisiinsa

Fotosynteesi rakentaa energiaa sisältävää sokeria, ja soluhengitys purkaa sen niin, että energia saadaan solun käyttöön. Fotosynteesi tapahtuu viherhiukkasissa, soluhengitys solulimassa ja mitokondrioissa. Kasvi tekee molempia: valossa fotosynteesi on yleensä soluhengitystä nopeampaa, mutta soluhengitys jatkuu myös pimeällä.

Ekosysteemin tasolla sama ketju on energian virtaus: tuottajat sitovat auringon energian fotosynteesillä, ja se siirtyy ravintoketjussa kuluttajille ja hajottajille, jotka vapauttavat sen soluhengityksessä lopulta lämpönä. Tämä on opintojakson BI2 aihetta; opintojaksojen sisällöt ovat artikkelissa biologian yo-koe.

Fotosynteesi: valoreaktiot ja Calvinin kierto

Viherhiukkasessa on kaksi kalvoa ja sen sisällä litteistä kalvopusseista, tylakoideista, muodostuneita pinoja. Tylakoidien kalvoissa on klorofylliä ja muita väriaineita, jotka sitovat valoa. Tylakoidien ympärillä on nestemäinen strooma.

  1. Valoreaktiot tylakoidikalvoilla: klorofylli sitoo valon energian. Vesi hajotetaan, ja siitä vapautuu happea (O2). Valon energia sidotaan kemialliseen muotoon: syntyy ATP:tä ja vetyä kantavaa NADPH:ta.
  2. Calvinin kierto stroomassa: hiilidioksidi (CO2) sidotaan orgaaniseen yhdisteeseen Rubisco-entsyymin avulla, ja valoreaktioiden ATP:n ja NADPH:n avulla siitä rakennetaan sokeria. Vaihetta kutsutaan joskus pimeäreaktioiksi, mutta se tapahtuu käytännössä valoisaan aikaan, koska se tarvitsee valoreaktioiden tuotteita.

Sokerista kasvi rakentaa tärkkelystä varastoksi, selluloosaa soluseiniin ja muita biomolekyylejä. Proteiineihin ja nukleiinihappoihin se tarvitsee lisäksi typpeä ja fosforia, jotka se ottaa maasta ravinteina.

Reaktioyhtälöt

Fotosynteesin ja soluhengityksen kokonaisreaktiot
ReaktioKokonaisreaktio
Fotosynteesi6 CO2 + 6 H2O + valon energia → C6H12O6 + 6 O2
SoluhengitysC6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energiaa (ATP ja lämpö)

Fotosynteesissä vapautuva happi on peräisin vedestä, ei hiilidioksidista. Kokonaisreaktio on vain yhteenveto: kumpikin tapahtuu monena peräkkäisenä, entsyymien ohjaamana reaktiona.

Mikä rajoittaa fotosynteesiä?

  • Valon määrä: heikossa valossa fotosynteesi on hidasta. Kompensaatiopisteessä fotosynteesi ja soluhengitys ovat yhtä nopeita, eikä kasvi kasva.
  • Hiilidioksidin pitoisuus: hiilidioksidi tulee lehteen ilmarakojen kautta. Kun kasvi sulkee ilmarakonsa kuivuudessa vettä säästääkseen, myös hiilidioksidin saanti heikkenee.
  • Lämpötila: Calvinin kierto on entsyymireaktioita, joten se nopeutuu lämmetessä tiettyyn rajaan asti ja hidastuu liian kuumassa.

Kulloinkin niukimmin saatavilla oleva tekijä rajoittaa nopeutta: valon lisääminen ei auta, jos hiilidioksidia on liian vähän. Lehden rakenne, kuten ilmarakojen määrä ja vahapinta, on sopeuma näiden tekijöiden tasapainottamiseen.

Soluhengitys: glykolyysi, sitruunahappokierto ja elektroninsiirtoketju

  1. Glykolyysi solulimassa: glukoosi pilkotaan kahdeksi pyruvaatiksi. Happea ei tarvita. Syntyy nettona kaksi ATP:tä ja vetyä kantavaa NADH:ta.
  2. Sitruunahappokierto mitokondrion sisällä: pyruvaatista vapautuu hiilidioksidi, ja hiilirungosta irrotetaan vetyä NADH:n ja muiden kantajien mukaan.
  3. Elektroninsiirtoketju mitokondrion sisäkalvolla: kantajien elektronit kulkevat kalvon proteiineilta toisille, ja vapautuva energia käytetään valtaosan ATP:stä tuottamiseen. Happi ottaa elektronit vastaan ketjun lopussa, ja syntyy vettä. Ilman happea ketju pysähtyy.

Yhdestä glukoosista saadaan soluhengityksessä noin 30 ATP-molekyyliä, suurin osa elektroninsiirtoketjusta. ATP (adenosiinitrifosfaatti) on solun energian välittäjä: kun siitä irtoaa fosfaatti, vapautuva energia käytetään esimerkiksi lihassupistukseen, aktiiviseen kuljetukseen kalvon läpi ja molekyylien rakentamiseen. ATP:tä ei varastoida, vaan sitä tuotetaan jatkuvasti uudelleen ADP:stä.

Käyminen

Hapettomissa oloissa solu voi saada energiaa vain glykolyysistä. Jotta glykolyysi voi jatkua, pyruvaatti muutetaan käymisessä toiseksi yhdisteeksi:

  • Maitohappokäyminen: ihmisen lihaksissa kovassa rasituksessa ja maitohappobakteereilla. Pyruvaatista tulee maitohappoa (laktaattia).
  • Alkoholikäyminen: esimerkiksi hiivalla. Pyruvaatista tulee etanolia ja hiilidioksidia, mikä nostattaa leipätaikinan.

Käymisessä saadaan glukoosia kohden vain kaksi ATP:tä, joten se on paljon tehottomampaa kuin soluhengitys.

Vertailu

Fotosynteesi ja soluhengitys vertailussa
FotosynteesiSoluhengitys
Missäviherhiukkasissa (kasvit, levät, syanobakteerit)solulimassa ja mitokondrioissa (lähes kaikki eliöt)
LähtöaineetCO2 ja H2O, valon energiaglukoosi ja O2
Lopputuotteetglukoosi ja O2CO2, H2O ja ATP
Energiavalon energia sitoutuu sokeriinsokerin energia siirtyy ATP:hen, osa vapautuu lämpönä
Milloinvain valossakoko ajan
Kalvorakennetylakoidikalvotmitokondrion sisäkalvo

Viherhiukkasella ja mitokondriolla on myös yhteistä: kaksi kalvoa, oma rengasmainen DNA ja omat ribosomit. Ne ovat polveutuneet solun sisään joutuneista bakteereista (endosymbioosi), mikä on BI1:n evoluutioaihetta.

Aineistotehtävät: happi ja hiilidioksidi kokeessa

Kokeessa voi olla mittaussarja esimerkiksi akvaariosta, jossa on kasveja ja eläimiä. Päivällä veden happipitoisuus nousee ja hiilidioksidi vähenee, koska kasvien fotosynteesi on nopeampaa kuin kaikkien eliöiden yhteenlaskettu soluhengitys. Yöllä fotosynteesi lakkaa, mutta soluhengitys jatkuu, joten happi vähenee ja hiilidioksidi lisääntyy. Hiilidioksidi tekee vedestä happamampaa, joten myös pH vaihtelee vuorokauden mukana. Selitä vastauksessa jokainen muutos sillä prosessilla, joka sen aiheuttaa, ja viittaa aineiston lukuihin.

Näin aihetta on kysytty yo-kokeessa

Fotosynteesi, soluhengitys ja ATP ovat olleet tehtävän pääaiheena 7 kertaa niissä kokeissa, jotka olemme käyneet läpi vanhojen kokeiden aihetaulukossa. Linkki vie tehtävän riville taulukossa, ja piirteet-linkki YTL:n hyvän vastauksen piirteisiin.

Yleisimmät virheet

  • "Kasvit tekevät fotosynteesiä, eläimet soluhengitystä." Kasvit tekevät molempia.
  • Happi tulee hiilidioksidista. Fotosynteesin happi vapautuu vedestä valoreaktioissa.
  • "Soluhengitys tuottaa energiaa." Energiaa ei synny tyhjästä: se siirtyy glukoosista ATP:hen, ja osa vapautuu lämpönä.
  • Soluhengitys ja hengitys sekoittuvat. Keuhkoilla hengittäminen on kaasujen vaihtoa; soluhengitys on solujen energia-aineenvaihduntaa, johon happi tarvitaan.
  • Vaiheet ilman paikkaa. Kerro, missä kukin vaihe tapahtuu: glykolyysi solulimassa, muut vaiheet mitokondriossa, valoreaktiot tylakoideissa ja Calvinin kierto stroomassa.

Jatka tästä

Miten lihas käyttää ATP:tä supistuessaan, kerrotaan artikkelissa hermoimpulssi ja lihassupistus, ja miten solu rakentaa entsyymit, joita nämä reaktiot tarvitsevat, artikkelissa proteiinisynteesi. Aineistotehtävän vastaamisesta kerrotaan artikkelissa biologian yo-kokeen vastaustekniikka. Solubiologian tehtäviä pääset harjoittelemaan palautteen kanssa Laran biologian abikurssilla.

Lähteet

Kertaa aiheittain

Pääset alkuun jo tänään

Harjoittele yo-kokeen kaltaisia tehtäviä ja saa selittävää palautetta jokaisesta vastauksesta.

Tutustu biologian abikurssiin

Tässä artikkelissa

Lue seuraavaksi

BiologiaKertaus aiheittain

DNA:sta proteiiniksi: transkriptio ja translaatio

7 minBiologiaKertaus aiheittain

Hermosto ja lihakset: hermoimpulssi, synapsi ja lihassupistus

7 minBiologiaKoe ja pisterajat

Biologian yo-kokeen vastaustekniikka ja arvostelu

6 min

Biologian abikurssi