EPIONEN Biologia 2015 1
Epione Valmennus 2014. Ensimmäinen painos. Tämän teoksen kopioiminen ilman lupaa on tekijänoikeuslain euslain mukaan kielletty. www.epione.fi ISBN 978-952-5723-38-0 Painopaikka: Kopijyvä Oy, Kuopio 2014 Tämän teoksen painamiseen käytetty paperi on saanut Pohjoismaisen ympäristömerkin. 2
Sisällysluettelo Esipuhe ja käyttöohje... 9 1 Solu... 10 1.1 Soluelimet... 10 1.1.1 Tuma... 10 1.1.2 Ribosomit... 10 1.1.3 Solulimakalvosto... 10 1.1.4 Golgin laite... 10 1.1.5 Lysosomit... 11 1.1.6 Mitokondriot... 11 1.1.7 Peroksisomit... 11 1.2 Solun tukiranka... 13 1.2.1 Mikrotubulukset... 13 1.2.2 Mikrofilamentit (aktiinifilamentit)... 13 1.2.3 Välikokoiset filamentit... 13 1.3 Solukalvo ja aineiden kuljetus kalvon yli... 13 1.3.1 Solukalvo... 13 1.3.2 Aineiden kulku solukalvon läpi... 14 1.3.3 Solukalvon ionikanavat... 14 1.3.4 Passiivinen diffuusio ja osmoosi... 14 1.3.5 Ionikanavat... 15 1.3.6 Fasilitoitunut eli avustettu kuljetus... 15 1.3.7 Aktiivinen kuljetus... 15 1.3.8 Endosytoosi... 17 1.4 Geenistä proteiiniksi... 18 1.4.1 Geneettinen koodi... 18 1.4.2 Proteiinisynteesi... 18 1.5 DNA:n pakkaaminen... 20 1.6 Transkriptio ja translaatio... 20 1.6.1 Proteiinisynteesin säätelystä... 21 1.7 Solun kasvu ja jakaantuminen... 22 1.7.1 Mitoosi... 23 1.8 Solu ja perinnöllisyys... 25 1.8.1 Sukusolut syntyvät meioosilla... 25 1.8.2 Alleelit ja periytyminen... 26 1.8.3 Linkittyneet geenit... 28 1.8.4 Risteytystehtävistä... 30 2 Syöpä ja mutaatiot... 36 3 Solun aineenvaihdunta... 38 3.1 Johdanto energia-aineenvaihduntaan... 38 3.2 ATP (adenosiinitrifosfaatti)... 40 3.3 Hapetus-pelkistysreaktiot ja soluhengitys... 41 3.3.1 Asetyylikoentsyymi-A... 43 3.3.2 Oksidatiivinen fosforylaatio: elektronit hapelle, ADP ATP:ksi... 43 3.3.3 Glukoosi on solujen keskeinen energianlähde... 44 3.3.4 Kertaus: energiaa glukoosista... 44 3.4 Rasvahapot hapettuvat oksidaatiossa... 45 3.5 ***Solujen lipidisynteesi... 45 3.6 ***Redokskoentsyymeistä... 46 4 Solun sähköiset ominaisuudet ja solujen välinen viestintä... 47 4.1 Lepopotentiaali... 47 4.2 Aktiopotentiaali... 48 4.3 Solujen kommunikaatio... 51 4.3.1 Reseptorit... 51 4.3.2 Endokriininen viestintä... 52 4.3.3 Parakriininen viestintä... 52 4.3.4 Synaptinen viestintä... 52 3
4.3.5 Toisiolähetit... 52 5 Elimistön tiedonvälitysmenetelmät... 53 5.1 Hormonit... 53 5.2 Kudoshormonit... 54 5.3 Hormoneja tuottavat elimet... 54 5.3.1 Hypotalamus ja aivolisäke... 54 5.3.2 Käpylisäke... 55 5.3.3 Kilpirauhanen... 55 5.3.4 Lisäkilpirauhaset... 56 5.3.5 Kalsiumtasapainon säätely... 56 5.3.6 Lisämunuaiset... 58 5.3.7 Haima... 59 5.3.8 Sukupuolihormonit... 59 6 Kudokset... 59 6.1 Epiteelikudos... 59 6.2 Tukikudos... 60 6.2.1 Sidekudos... 60 6.2.2 Rasvakudos... 60 6.2.3 Rustokudos... 60 6.2.4 Luukudos... 60 6.3 Hermokudos... 61 6.3.1 Hermosolun sähköinen toiminta... 62 6.4 Lihaskudos... 63 6.4.1 Poikkijuovainen lihaskudos (luustolihakset)... 63 6.4.2 Sileä lihaskudos... 64 6.4.3 Sydänlihaskudos... 65 6.5 Nivelet... 65 6.6 Veri... 66 6.5.1 Punasolut... 66 6.5.2 Veriryhmät... 66 6.5.3 Valkosolut... 68 6.5.4 Verihiutaleet... 68 6.5.5 Veren hyytyminen... 69 6.5.6 Plasma... 70 7 Iho... 71 7.1 Ihon kerrokset... 71 7.2 Ihon rauhaset ja sarveisrakenteet... 71 7.3 Iho suojana... 71 8 Elimistön puolustusreaktiot... 72 8.1 Taudinaiheuttajat... 72 8.2 Puolustusmekanismit... 73 8.2.1 Luonnollinen immuniteetti... 73 8.2.2 Hankittu immuniteetti... 73 8.2.3 Lymfaattisen järjestelmän elimet... 74 8.2.4 Komplementtireaktio... 75 8.2.5 Virusinfektio... 75 8.3 *** Kemialliset uhkatekijät... 76 8.4 *** Hapettuminen, pelkistyminen ja hydrolyysi... 77 8.5 *** Konjugoituminen... 77 9 Hermosto... 79 9.1 Keskushermosto... 80 9.1.1 Selkäydin... 80 9.1.2 Aivot... 81 9.1.3 Aivo- ja selkäydinkalvot... 82 9.1.4 Aivo-selkäydinneste... 82 9.2 Ääreishermosto... 83 9.2.1 ***Aivohermot... 83 9.2.2 Selkäydinhermot... 83 9.3 Motoriset toiminnot... 84 9.3.1 Aivorungon ja selkäytimen liikehermosolut... 84 4
9.3.2 Lihasheijaste... 85 9.3.3 *** Kortikospinaalirata ja kortikobulbaarirata... 86 9.3.4 *** Muut liikeradat... 86 9.3.5 Pikkuaivot... 86 9.4 Autonominen hermosto... 87 9.4.1 Sympatikotonus... 89 9.4.2 Parasympatikotonus... 91 9.5 Aistit... 92 9.5.1 ***Aistinradat... 92 9.5.2 Projektioalueet... 92 9.5.3 Ihon aistit... 93 9.5.4 Kipu... 93 9.5.5 Asento- ja liikeaisti... 94 9.5.6 Kemialliset aistit... 94 9.5.7 Kuuloaisti... 95 9.5.8 Näköaisti... 96 9.6 Muisti ja oppiminen... 100 9.6.1 Työmuisti... 101 9.6.2 Säilömuisti... 101 9.6.3 Muistihäiriöistä... 102 10 Verenkierto... 102 10.1 Sydän... 102 10.1.1 Sydänlihaksen supistuminen... 103 10.1.2 Sydämen toimintakierto... 103 10.1.3 *** EKG... 104 10.2 Verisuonet... 106 10.2.1 Ison verenkierron valtimot... 106 10.2.2 Ison verenkierron laskimot... 106 10.2.3 Iholaskimot... 107 10.2.4 Laskimoiden verenkierto... 107 10.2.5 Pienen verenkierron verisuonet... 107 10.2.6 Hiussuonien verenvirtaus... 107 10.2.7 Nesteen liikkeet kapillaarin ja soluvälinesteen välillä... 107 10.3 Veren virtaus ja verenpaine... 109 10.3.1 *** Verenpaineen mittaaminen... 109 10.4 Verenkierron säätely... 110 10.5 *** Aivojen verenkierto... 112 10.6 Sokki ja pyörtyminen... 114 11 Hengitys... 115 11.1 Hengitystiet... 115 11.2 Keuhkotuuletus... 116 11.2.1 Hengityslihakset... 116 11.2.2 Hengityselinten paineet... 117 11.2.3 *** Hengitystilavuudet... 117 11.2.4 Keuhkorakkuloiden tuuletus... 118 11.2.5 Kaasujen vaihtuminen keuhkorakkuloissa... 119 11.3 Hapen kulku keuhkoista kudoksiin... 120 11.3.1 Verenpunan hapenkuljetus... 120 11.3.2 Hiilidioksidin kulku kudoksista keuhkoihin... 122 11.3.3 *** Hengitysosamäärä... 124 11.4 Hengityksen säätely... 125 12 Ruuansulatus... 127 12.1 Suuontelo, nielu ja ruokatorvi... 128 12.2 Mahalaukku... 129 12.2.1 Mahanesteen eritys... 129 12.3 Maksa... 130 12.3.1 Maksan suonet... 130 12.3.2 Sappitiet... 130 12.4 Haima... 131 12.5 Ohutsuoli... 132 5
12.6 Paksusuoli... 132 12.7 Vatsakalvonontelo... 133 12.8 Ruuansulatuskanavan mikrobit... 133 12.9 Imeytyminen... 134 12.9.1 Hiilihydraatit... 134 12.9.2 Valkuaisaineet... 134 12.9.3 Rasva-aineet... 134 12.9.4 Vesi ja suolat... 136 12.9.5 Vitamiinit... 136 13 Virtsaneritys... 136 13.1 Munuaiset... 136 13.1.1 Nefroni... 137 13.1.2 Virtsanmuodostus... 139 13.1.3 Urea... 140 13.1.4 Virtsan väkevyyden säätely... 141 13.2 Virtsan koostumus... 142 13.3 Virtsan erityksen säätely... 143 13.4 Virtsatiet... 143 14 *** Solu ja ympäröivät nestetilat... 144 14.1 *** Nestetilojen mittaus... 145 14.2 Elimistön nestetilojen koostumus... 146 15 Neste- ja ionitasapaino... 146 15.1 ADH ja RAA-järjestelmä... 147 15.2 Nestetasapainoon vaikuttavat ionit... 148 15.3 Homeostaasi... 149 16 *** Happo-emästasapaino... 151 16.1 Vetyionien lähteet... 151 16.2 Säätelymekanismit... 152 16.2.1 Kemialliset puskurijärjestelmät... 152 16.2.2 Säätely hengityksen avulla... 152 16.2.3 Säätely munuaisten avulla... 152 16.2.4 Häiriötilat... 152 16.2.5 Kompensaatiomekanismit... 153 17 Energiatasapaino... 154 17.1 Yleisesti metaboliasta... 154 17.1.1 Glukoosiaineenvaihdunta... 155 17.1.2 Lipidiaineenvaihdunta... 155 17.1.3 Typpiaineenvaihdunta... 156 17.1.4 Nukleotidien katabolia... 157 17.2 Ravintoaineiden muuntuminen toisikseen... 157 17.3 Lyhytkestoinen anabolinen tila... 158 17.4 Lyhytkestoinen katabolinen tila... 159 17.4.1 Aliravitsemus... 160 18 Ihmisen biologia... 161 18.1 Mies... 161 18.1.1 Siittiöiden tuotanto... 161 18.1.2 Siittiötuotannon hormonaalinen säätely... 162 18.1.3 Miehen sukupuolihormonien toiminta... 163 18.2 Nainen... 163 18.2.1 Kuukautiskierto... 163 18.2.2 Hormonierityksen säätely... 165 18.2.3 Hormonaalinen ehkäisy... 166 18.3 Hedelmöitys ja alkionkehitys... 168 18.3.1 Alkiorakkulasta alkioksi... 170 18.3.2 Istukka... 172 18.3.3 Sikiön verenkierto kohdussa ja syntymänjälkeiset muutokset... 172 18.4 Raskaus ja synnytys... 173 18.4.1 Sikiön kehitys ja sikiötutkimukset... 173 18.4.2 Synnytys... 174 18.5 Muutoksia elämänkaaren eri vaiheissa... 175 6
18.5.1 Murrosiän hormonaaliset muutokset naisella... 176 18.5.2 Ihmisen vanhetessa elimistö kohtaa monenlaisia muutoksia:... 176 18.5.3 Vanhenemisen teorioista... 177 19 Bioteknologia... 178 19.1 Geenitekniikan menetelmiä... 178 19.2 Muuntogeeniset organismit... 183 19.3 Geenin siirtomenetelmät... 183 19.4 Kloonaus... 184 19.5 DNA-tunnisteet... 185 19.6 Entsyymit... 187 20 Eliömaailma... 188 20.1 Biologia tieteenä... 188 20.1.1 Elämän ominaisuudet... 188 20.1.2 Elämän perusedellytykset... 188 20.1.3 Eliömaailman luokittelu... 188 20.1.4 Biologinen tutkimus... 189 20.2 Luonnon monimuotoisuus... 189 20.2.1 Ekosysteemien monimuotoisuus... 189 20.2.2 Lajimonimuotoisuus... 189 20.2.3 Lajinsisäinen eli geneettinen monimuotoisuus... 189 20.2.4 Eläinten käyttäytyminen monimuotoisuuden ilmentäjänä... 190 20.3 Evoluutio... 190 20.3.1 Eliöiden lisääntyminen... 190 20.3.2 Evoluutiovoimat... 191 20.3.3 Evoluution tutkiminen... 192 20.4 Elämän syntyvaiheet... 193 20.4.1 Maapallon synty... 193 20.4.2 Elämän alkuaika eli prekambrinen aika... 193 20.4.3 Elämän vanha-aika eli paleotsooinen aika... 194 20.4.4 Elämän keskiaika eli mesotsooinen aika... 194 20.4.5 Elämän uusi aika eli kenotsooinen aika... 194 20.5 Eliökunta... 196 20.5.1 Alkueliöt... 196 20.5.2 Sienet... 196 20.5.3 Eläimet... 196 20.5.4 Kasvit... 198 20.5.5 Fotosynteesi... 199 20.6 Eliöiden ja ympäristön vuorovaikutus... 200 20.6.1 Eliöiden sopeutuminen ympäristöönsä... 200 20.6.2 Sukkessio muutoksia ekosysteemin lajistossa... 201 20.6.3 Populaatiot... 201 20.6.4 Lajien väliset suhteet... 201 20.6.5 Ekosysteemien rakenne ja toiminta... 202 21 Ympäristöekologia... 204 21.1 Ekologinen tutkimus... 204 21.2 Monimuotoisuuden merkitys... 204 21.2.1 Biologisen monimuotoisuuden väheneminen ja suojelu... 204 21.3 Ympäristöongelmat... 205 21.3.1 Rehevöityminen... 205 21.3.2 Happamoituminen... 206 21.3.3 Ympäristömyrkyt... 206 21.3.4 Säteily... 207 21.3.5 Otsoni... 208 21.3.6 Ilmastonmuutos... 208 21.4 Suomen ekosysteemit... 209 21.4.1 Metsät... 209 21.4.2 Suot... 210 21.4.3 Järvet... 210 21.4.4 Itämeri... 210 21.4.5 Kaupunkiluonto... 211 7
21.5 Kestävä kehitys... 211 21.5.1 Tuotanto... 212 21.5.2 Kulutus... 212 21.5.3 Jätehuolto... 212 22 Mikrobit... 214 22.1 Bakteerit... 214 22.1.1 Gramvärjäys... 215 22.1.2 Bakteerien jaottelu oma- ja toisenvaraisiin lajeihin... 215 22.1.3 Bakteerien lisääntyminen ja perinnöllinen muuntelu... 216 22.2 Arkit... 217 22.3 Hiiva- ja homesienet... 217 22.4 Alkueliöt... 217 22.4.1 Malaria... 217 22.5 Virukset... 218 22.5.1 Virusten lisääntyminen... 218 22.5.2 HIV... 219 22.6 Rokotukset... 220 22.7 Allergiamekanismit... 220 23 Liitteet... 222 23.1 Tärkeimmät hormonit... 222 23.2 Käsitekarttoja... 223 24 Harjoitustehtävät... 226 24.1 Perustehtävät... 226 24.1.1 Solubiologia... 226 24.1.2 Perinnöllisyystehtäviä... 235 24.1.3 Kudokset, iho... 239 24.1.4 Immuunipuolustus... 241 24.1.5 Hermosto ja aistit... 243 24.1.6 Hengitys... 251 24.1.7 Verenkierto... 255 24.1.8 Ruuansulatus... 263 24.1.9 Virtsaneritys... 267 24.1.10 Hormonit... 268 24.1.11 Energiatasapaino... 271 24.1.12 Happo- emästasapaino... 272 24.1.13 Genetiikka... 274 24.1.14 Eliömaailma, ympäristöekologia, mikrobit... 279 24.1.15 Monivalinnat... 283 24.2 Potilastapauksia ja soveltavia tehtäviä... 295 25 Vastaukset... 307 25.1 Perustehtävät... 307 25.1.1 Solubiologia... 307 25.1.2 Perinnöllisyystehtäviä... 315 25.1.3 Kudokset, iho... 318 25.1.4 Immuunipuolustus... 319 25.1.5 Hermosto ja aistit... 321 25.1.6 Hengitys... 327 25.1.7 Verenkierto... 330 25.1.8 Ruuansulatus... 336 25.1.9 Virtsaneritys... 339 25.1.10 Hormonit... 340 25.1.11 Energiatasapaino... 342 25.1.12 Happo-emästasapaino... 344 25.1.13 Genetiikka... 345 25.1.14 Eliömaailma, ympäristöekologia, mikrobit... 348 25.1.15 Monivalinnat... 354 25.2 Potilastapauksia ja soveltavia tehtäviä... 355 8
Esipuhe ja käyttöohje Tervetuloa opiskelemaan biologiaa! Vuoden 2015 painoksen myötä Epionen kirjasarja käsittää koko lukion opetussuunnitelman mukaisen biologian, fysiikan ja kemian oppimäärän. Uudistuksen myötä sarja soveltuu paitsi lääketieteen pääsykokeeseen valmistautumiseen myös yo-kirjoituksiin kertaamiseen. Lääketieteen alojen pääsykokeessa vaadittava biologian osaamisen taso on vaativa. Perusasioiden lisäksi tietoja on osattava soveltaa, yhdistellä ja integroida fysiikan ja kemian osaamiseen. Tämä kirja on apunasi sekä biologian perusteiden hallinnassa että kokonaisuuksien hahmottamisessa. Pääsykoevaatimuksissa biologian osuus on määritelty varsin epätarkasti pohjautumaan lukion opetussuunnitelmaan. Jokainen lukion kirjasarja on päätynyt hieman eri lopputulokseen käsiteltävistä asioista: kirjasarjojen välillä on eroja. Epionen biologian kirjan ei ole tarkoitus olla toisinto lukion kirjoista. Epionen kirja käsittää kaikki lukion oppimäärän biologian aihealueet vaikeimpiin osa-alueisiin keskityen. Pääpaino on solu- ja molekyylibiologiassa, genetiikassa ja ihmisen fysiologiassa. Eläin-, kasvi, - ja eliömaailmasta kirjassa on tiivistelmät tärkeimmistä asioista. Laajoja kokonaisuuksia on vaikea hallita ainoastaan ulkoa opettelemalla, jäsentämättä asiaan liittyviä muita ilmiöitä. Tällainen metodi ei toimi pitkällä tähtäimellä, vaan on väsyttävää ja johtaa pinnalliseen oppimiseen. Suosittelemme lämpimästi käsitekarttojen tekoa. Karttojen avulla suuremmat kokonaisuudet ja asioiden väliset yhteydet jäävät helpommin mieleesi. Kartan tekemisessä on monia etuja; joudut muokkaamaan ja tiivistämään lukemaasi tekstiä, löydät ydinasiat, näet helposti asioiden väliset suhteet ja pystyt kontrolloimaan oppimistasi. Vaikka karttojen tekeminen ottaa oman aikansa, on niiden avulla kertaaminen nopeaa! Kappaleiden lopussa on käsitekontrolleja joihin on kysymysten muodossa koottu käydyn teorian tärkeimmät kokonaisuudet. Käsitekontrollien avulla voit varmentaa, että olet sisäistänyt kunkin kappaleen avainasiat. Kirjan lopussa on perus- ja soveltavia tehtäviä, sekä potilastapauksia. Myös biologiassa tehtävien tekemiseen kannattaa käyttää aikaa, sillä kuten kemiassa ja fysiikassa: tekemällä oppii. Älä aliarvioi biologian oppimäärän omaksumisen haastavuutta! Tiedon omaksumisen ja pitkäkestoiseen muistiin tallentumisen tueksi Biologia 2015-kirja sisältää myös lukion oppimäärää syventävää tietoa. Harrastuneisuus lisää menestyksen mahdollisuuksia sekä yo-kirjoituksissa että lääketieteen pääsykokeessa, siksi suosittelemme myös syventävää tietoa sisältävien kokonaisuuksien läpikäymistä. Kappaleet ja tehtävät, jotka ylittävät lukion oppimäärän on merkitty kolmella tähdellä (***). Näistä aiheista on kyllä menneinä vuosina ollut myös pääsykoetehtäviä, joten rajanveto vaadittavien asioiden suhteen on häilyvää. Kannattaa varautua hyvin ja opiskella myös perusasioiden ulkopuolelle meneviä aiheita, tämä kirja auttaa siinäkin. Kehitämme kirjasarjaamme jatkuvasti ja otamme mielellämme vastaan palautetta ja parannusehdotuksia osoitteessa: paivi.turunen@epione.fi Työn iloa! Epione Valmennus 9