Kemia 1: luku 5 Orgaaniset yhdisteet

Lisäaineet

Lisäaineet voivat olla joko peräisin luonnosta tai kemiallisesti tai mikrobien avulla valmistettuja. Tämän perusteella lisäaineet voivat olla luontaisia, luontaisen kaltaisia tai keinotekoisia. Lisäaineeksi hyväksytyn aineen on käytävä läpi perusteellinen turvallisuusarviointi, ennen kuin se hyväksytään käyttöön.

Turvallisuusarvioinnin perusteella määritetään aineen hyväksyttävä päiväsaanti. Jos aineen on todettu aiheuttavan suurina määrinä käytettynä terveyshaittoja ihmiselle, sille määritetään ADI-arvo. ADI tarkoittaa hyväksyttävää päivittäistä enimmäissaantia, jolle ihminen voi altistua joka päivä koko elämänsä ajan ilman terveydellisiä haittavaikutuksia.

ADI-arvo ilmoitetaan milligrammoina henkilön painokiloa ja vuorokautta kohti. Henkilö, joka on yliherkkä aspiriinille, voi saada oireita bentsoehappoa ja sorbiinihappoa sisältävistä tuotteista. Astmaatikoille puolestaan hankalia lisäaineita ovat rikkidioksidi ja sulfiitit.

Orgaaniset yhdisteet

Kaikki orgaaniset molekyylit sisältävät hiiltä ja vetyä. Funktionaalisten ryhmien vuoksi eri yhdisteillä on erilaisia kemiallisia ominaisuuksia. Hiilivetyjä hyödynnettään energiantuotannossa ja muovien raaka-aineina. Hitsauskaasuna käytettävä etyyni eli asetyleeni on yksinkertaisin alkyyni. Hiilivetyjä, joissa on vain yksinkertaisia sidoksia, kutsutaan tyydyttyneiksi hiilivedyiksi ja hiilivetyjä, joissa on yksi tai useampi hiiliatomien välinen kaksois- tai kolmoissidos, kutsutaan tyydyttymättömiksi hiilivedyiksi.

Aiemmin yleisesti liuottimena käytetty bentseeni on yksinkertaisin aromaattinen hiilivety. Nykyään sen käytöstä on kuitenkin suurelta osin luovuttu, koska se kertyy elimistöön ja sen on todettu olevan karsinogeeninen aine. Aineen tilalla käytetään usein toista aromaattista hiilivetyä, metyylibentseeniä eli tolueenia. Tolueeni ei ole elimistölle vaarallinen, koska siitä muodostuu aineenvaihdunnassa vesiliukoista hippurihappoa, joka poistuu virtsan mukana.

Bentseenirenkaassa jokainen renkaan hiiliatomi käyttää kolme ulkoelektronia kolmen kovalenttisen sidoksen muodostamiseen. Jäljelle jäävät kuusi elektronia, yksi kultakin hiiliatomilta, ovat yhteisiä kaikille kuudelle hiiliatomille (delokalisoituneet elektronit).

Jos yhdisteessä on kaksi tai useampia bentseenirenkaita liittyneinä toisiinsa, puhutaan polyaromaattisista hiilivedyistä eli PAH-yhdisteistä. Esim tupakansavussa oleva karsinogeeninen bentsopyreeni ja aiemmin koimyrkkynä käytetty naftaleeni.

Vesimolekyylien vahvat vetysidokset estävät hiilivetymolekyylejä tunkeutumasta veteen, eli aineet eivät sekoitu keskenään. Poolittomiin liuottimiin, esim bensiiniin, hiilivedyt sen sijaan liukenevat hyvin, koska tällöin hiilivedyn ja liuottimen väliset dispersiovoimat ovat samankaltaiset ja molekyylit sekoittuvat toisiinsa.

Alkoholit

Jos alkoholissa ei ole kaksoissidoksia niin se on tyydyttynyt. Jos alkoholimolekyylin hiiliketjuun on liittynyt bentseenirengas, niin kyseessä on aromaattinen alkoholi. Bentsyylialkoholi eli fenyylimetanoli on pienimolekyylisin aromaattinen alkoholi. Huomaa, että moniarvoisissa alkoholeissa hydroksyyliryhmät sijoittuvat aina eri hiiliatomeihin. Alkoholit luokitellaan primäärisiin, sekundäärisiin ja tertiäärisiin sen mukaan, kuinka monta hiiliatomia on liittynyt hydroksyyliryhmää sitovaan hiiliatomiin. Primäärisessä alkoholissa on hydroksyyliryhmää sitovaan hiiliatomiin liittynyt vain yksi hiiliketju. Sekundäärisessä alkoholissa on hydroksyyliryhmää sitovaan hiiliatomiin liittynyt kaksi hiiliketjua.

Metanoli

Metanoli eli metyylialkoholi on väritöntä ja helposti haihtuvaa nestettä. Sitä käytetään mm. liuottimena, kiihdytysajojen polttoaineena sekä jäätymisenestoaineena autojen lasinpesunesteissä. Metanoli on hyvin myrkyllinen aine. Jo 15 ml nauttiminen aiheuttaa täysikasvuiselle ihmiselle sokeuden, ja 30 ml aiheuttaa kuoleman. Metanoli on myrkyllistä, koska se hapettuu elimistössä metanaaliksi ja metaanihapoksi, jotka ovat suurina pitoisuuksina eläville soluille haitallisia aineita.

Metanolin aiheuttama sokeutuminen on seurausta siitä, että metanaali sitoo silmän opsiinia ja estää siten silmän näköherkän pigmentin rodopsiinin muodostumisen. Metanolikuoleman arvellaan johtuvan siitä, että metanolin hapettumistuotteena syntyvä metaanihappo laskee elimistön pH-arvon liian alhaiseksi.

Etanoli                                                                                  

Etanoli eli etyylialkoholi on se alkoholi jota arkikielessä tarkoitetaan. Se on kirkas, polttavanmakuinen neste. Etanolia valmistetaan pääasiassa alkoholikäymisen avulla, jossa raaka-aineena voidaan käyttää sokeria, maltaita, tärkkelystä, marjoja tai hedelmiä. Käymisreaktiossa raaka-aineen sokeri, esim glukoosi tai fruktoosi, muuttuu hiivan entsyymien avulla etanoliksi ja hiilidoksidiksi. Tällä menetelmällä tuotetaan esim olutta ja viiniä.

Käymisteitse on mahdollista tuottaa vain melko laimeaa etanoliliuosta, jonka alkoholipitoisuus on noin 15 tilavuusprosenttia. Kun valmistetaan väkeviä alkoholijuomia, laimea alkoholi väkevöidään tislaamalla. Lääke- ja kosmetiikkateollisuus käyttää suuria määriä etanolia sekä liuottimena että raaka-aineena erilaisissa synteeseissä.

Lääketieteessä etanolia käytetään desinfiointiaineena, koska se tappaa bakteereja. Etanoli denaturoi bakteerien proteiineja, jolloin bakteerit kuolevat. Etanoliin voidaan lisätä denaturointiaineita, jos sitä halutaan käyttää teknisessä käytössä. Tällöin se ei kelpaa nautintoaineeksi ja se voi aiheuttaa mm. ripulia. Osalla käytettävistä denaturointiaineista on lähes sama kiehumispiste kuin etanolilla, joten niiden erottaminen etanolista esim tislaamalla ei onnistu.

Glykoli ja glyseroli

Glykoli eli 1,2-etaanidioli on myrkyllinen alkoholi, koska se hapettuu elimistössä munuaisille vaaralliseksi etaanidihapoksi eli oksaalihapoksi. Glykoli on korkean kiehumispisteensä ansiosta mm. erinomainen jäähdytinneste moottoriajoneuvoissa. Glyseroli sen sijaan on myrkytöntä. Sitä käytetään kosteudensitojana monissa kosmeettisissa tuotteissa, kuten kosteusvoiteissa ja hammastahnoissa.

Adehydit ja ketonit eli karbonyyliyhdisteet

Monet luonnon aromaattiset aldehydit, kuten vanilliini, ovat aromi- tai makuaineita. Aldehydejä ja ketoneja esiintyy runsaasti luonnossa ja monet niistä maistuvat ja tuoksuvat miellyttäviltä. Siksi niitä käytetäänkin mausteina, parfyymeissä, saippuoissa ja ilmanraikasteissa.

Metanaali eli formaldehydi on huoneenlämmössä pistävänhajuinen kaasu. Se on ihmiselle myrkyllistä, koska se saostaa elimistön proteiineja. Sitä on esim tupakansavussa ja sitä käytetään tekstiilien rypistymisenestoaineena. Siksi tekstiilit on syytä pestä ennen käyttöönottoa. Metanaali on erittäin reaktiokykyinen aine ja sitä käytetäänkin muovien, hartsien ja liimojen valmistuksessa.

Formaldehydin 40-massaprosenttista liuosta kutsutaan formaliiniksi. Sitä käytetään biologisten preparaattien säilyttämiseen, koska se lopettaa säilöttävän eliön entsyymitoiminnan, jolloin hajoaminen pysähtyy.

Etanaalia eli asetaldehydiä käytetään lähinnä peilien hopeapinnoitteen valmistamiseen ja etanolin denaturoimiseen. Propanoni eli asetoni on hyvin helposti haihtuva ja syttyvä neste. Se liuottaa hyvin monia orgaanisia aineita ja se onkin yksi tärkeimmistä teollisuusliuottimista.

Elimistössä propanonia syntyy erään rasvan hajoamisreaktion lopputuotteena. Normaalisti propanonia ei kerry elimistöön suuria määriä, koska se palaa siellä hiilidoksidiksi ja vedeksi. Diabeetikoilla propanonia voi kuitenkin kertyä suuriakin määriä elimistöön, jolloin sitä erittyy myös virtsaan. Diabetes voidaan siis todeta osoittamalla, että virtsassa on propanonia.

Karboksyylihapot

Hydroksihapoissa on karboksyyliryhmän lisäksi hydroksyyliryhmä ja aminohapoissa aminoryhmä. Rasvahapoiksi sanotaan sellaisia pitkäketjuisia karboksyylihappoja, joita esiintyy eläin- ja kasvirasvoissa. Karboksyylihappojen oikeita nimiä ja triviaalinimiä:

metaanihappo                       muurahaishappo

etaanihappo                                               etikkahappo

butaanihappo                                             voihappo

oktadekaanihappo                                      steariinihappo

etaanidihappo                       oksaalihappo

butaanidihappo                                           meripihkahappo

bentseenikarboksyylihappo   bentsoehappo

2-hydroksipropaanihappo                          maitohappo

2-hydroksibutaanidihappo                          omenahappo

2-amino-3-hydroksibutaanihappo               treoniini

Metaani- eli muurahaishappo on väritöntä, pistävänhajuista nestettä. Nokkosen ja muurahaisen piston kirvelevä vaikutus johtuu juuri metaanihaposta. Metaanihappoa käytetään AIV-säilörehuliuoksen valmistuksessa, paperin ja tekstiilien värjäyksessä, nahan käsittelyssä ja lääkeainesynteeseissä.

Etaani- eli etikkahappokin on väritöntä ja pistävänhajuista nestettä. Puhdasta etikkahappoa kutsutaan jääetikaksi, koska se kiteytyy jään kaltaiseksi aineeksi alle 16 C:n lämpötilassa. Etikkahappo on teollisesti tärkein orgaaninen happo ja sitä käytetään elintarvikkeiden lisäksi muovien, lääkeraaka-aineiden, väriaineiden, hyönteismyrkkyjen ja elintarvikelisäaineiden tuotannossa.

Oksaalihappo eli etaanidihappo on huoneenlämmössä kiinteä aine. Sitä on esim käenkaalissa, raparperissa, niittysuolaheinässä ja pinaatissa. Se on suurina pitoisuuksina ihmiselle haitallinen, koska se sitoo elimistöstä kalsiumioneja niukkaliukoiseksi kalsiumoksalaatiksi. Neulamaiset kalsiumoksalaattikiteet saattavat tukkia munuaistiehyet, joten oksaalihappopitoisia ruokia kannattaa syödä kerrallaan vain pieniä määriä.

Bentseenikarboksyylihappo eli bentsoehappo on huoneenlämmössä valkoista, kiteistä ainetta, ja sen natriumsuolaa, natriumbentsoaattia, käytetään yleisesti säilöntäaineena esim hilloissa ja mehuissa. Monet marjat, kuten lakat, puolukat ja karpalot, sisältävät runsaasti bentsoehappoa. Näistä marjoista tehty hillo säilyy pitkään ilman säilöntäaineita, kunhan marjat murskataan jotta mehussa oleva bentsoehappo suojaisi hilloa homehtumiselta.

Amiinit

Luonnossa esiintyviä amiineja ovat mm. histamiini, serotoniini ja etyylifenyyliamiini. Tonnikalasta ja soijasta löydetty histamiini on hormoni, joka laajentaa verisuonia ja lisää mahahapon HCl eritystä. Histamiinin pitoisuus elimistössä kohoaa myös allergisten reaktioiden yhteydessä, ja siksi allergisia henkilöitä hoidetaan histamiinin vaikutuksia estävillä aineilla, antihistamiineilla.

Kun yksi ammoniakkimolekyylin vetyatomeista on korvautunut hiiliketjun sisältävällä ryhmällä, kutsutaan amiinia primääriseksi. Jos kaksi vetyatomia on korvautunut hiiliketjun sisältävällä ryhmällä, kyseessä on sekundäärinen amiini.

Tavallisin aromaattinen amiini on aniliini eli fenyyliamiini. Se on ihmiselle hyvin myrkyllinen, koska se imeytyy helposti ihon läpi verenkiertoon ja muuttaa veren hemoglobiinimolekyyliä siten, ettei se kykene sitomaan happea. Yleensä amiinit liukenevat poolisuutensa vuoksi hyvin veteen, koska vesi- ja amiinimolekyylien välille muodostuu vetysidoksia.

Viininvalmistus

Viinin lisäaineena käytetään määrällisesti eniten rikkiä, joka estää viinin hapettumisreaktioita ja hillitsee mm. maitohappobakteerien kasvua ja monien entsyymien toimintaa. Rikin käyttö on välttämätöntä, jotta viinin laatu säilyy, mutta monille sen käytöstä aiheutuu yliherkkyysoireita. Siksi rikin tilalle ollaan etsimässä uusia aineita. Viineistä voi löytyä liian suuria pitoisuuksia raskasmetalleja, kuten lyijyä.

Alkaloidit eli kasviamiinit

Kasviamiineja ovat esim kofeiini, nikotiini, oopium, atropiini ja koniini. Kaikki alkaloidit ovat amiineja. Koniini on hyvin myrkyllinen, ja suuri filosofi Sokrates tappoi itsensä juomalla kupillisen koniinia eli katkokasviuutetta.

Nitrosoamiinit

Sekundääriset amiinit reagoivat helposti typpihapokkeen HNO2 kanssa, jolloin syntyy karsinogeenisiä N-nitrosoamiineja. Kun syödään nitriittipitoista lihaa, mahalaukun korkea suolahappopitoisuus muuttaa nitriitit typpihapokkeeksi, joka voi reagoida ruuansulatuskanavassa sekundääristen amiinien kanssa nitrosoamiineja muodostaen. Liha- ja makkaravalmisteisiin lisätään pieniä määriä nitriittejä lihan punaisen värin säilyttämiseksi. Nitriitti-ionit sitoutuvat lihan myoglobiiniproteiiniin, jossa ne estävät raudan hapettumista. Raudan hapettuminen muuttaisi lihan värin harmaaksi.

Kemia 1: luku 4 Ainemäärä ja konsentraatio

Atomin ytimen muodostavat positiivisesti varautuneet protonit ja varauksettomat neutronit. Näistä rakenneosista käytetään yhteisnimitystä nukleonit. Elektronit sijaitsevat ydintä ympäröivässä elektronipilvessä. Saman alkuaineen atomeja, joiden ytimissä on sama määrä protoneja mutta eri määrä neutroneja, kutsutaan isotoopeiksi. Protonien ja neutronien yhteenlaskettua lukumäärää kutsutaan atomin massaluvuksi A.

Tähän väliin tieto että veren kolesterolipitoisuuden pitäisi olla alle 5 mmol/l. Muista lisäksi, että kidesoodaliuos on syövyttävää, koska se on hyvin emäksistä. Ja happoja laimennettaessa, muista että ensin vesi, sitten happo!

Tää olikin sitten niin helppo kappale etten laita tämän enempää muistiinpanoja. Peace of cake.

Kemia 1: luku 3 Seokset

Kemia 1: luku 3 Seokset koostuvat useista eri aineista

Aluksi vähän juttua kemian tehtäviä tehdessä tulleista asioista. Elikkä muovikampa varautuu sähköisesti, kun kampaat hiuksiasi. Jos avaat vesihanan ja viet varatun kamman vesinoron lähelle, vesisuihku taipuu kohti kampaa. Tämä johtuu siitä, että vesimolekyyleissä on pysyviä dipoleja eli pieniä sähköisiä osittaisvarauksia, joita sähköisesti varattu kampa vetää puoleensa. Jos nesteenä käytettäisiin POOLITONTA heksaania, samaa ilmiötä ei tapahtuisi, koska poolittomissa aineissa ei ole pysyviä dipoleja.

Myös mikroaaltouunin toiminta perustuu vesimolekyylien poolisuuteen. Uunin magnetronin synnyttävässä muuttuvassa sähkökentässä pooliset vesimolekyylit alkavat värähdellä sähkökentän mukaan. Tämä ilmiö saa aikaan ruuan lämpenemisen.

Homogeeniset ja heterogeeniset seokset

                                                                                                      

Seokset luokitellaan homogeenisiin ja heterogeenisiin. Seos voidaan saada homogeenisemmaksi joko voimakkaan mekaanisen käsittelyn avulla (maidon homogenisointi, salaattikastikkeen voimakas sekoitus) tai lisäämällä seokseen emulgointiaineita. Lesitiiniä käytetään yleisesti emulgointiaineena elintarviketeollisuudessa. Esim kun sitä lisätään jäätelöön, rasva ei pääse erottumaan nesteestä ja jäätelö pysyy homogeenisena.

Seosten erotusmenetelmiä

Seosten erotusmenetelmiä ovat suodatus, dekantointi, sentrifugointi, haihdutus, tislaus, sublimointi, uutto ja kromatografia. Haihtudus tarkoittaa seoksen liuottimen poistoa kuumentamalla. Dekantoinnissa liosta voidaan kaataa varovasti pois kiinteän aineen päältä dekantterilasissa. Sentrifugoimalla voidaan esim saada verestä solut erilleen. Kun verta pyöritetään sentrifugissa suurella nopeudella, solut painuvat näyteputkien pohjalle ja pinnalle jäävä liuos (seerumi) voidaan ottaa talteen.

Tislaus soveltuu erotumenetelmäksi silloin, kun halutaan ottaa talteen myös liuotin. Tislauksen aikana liuotin höyrystyy tislauskolvissa. Nesteseoksen tislaus perustuu siihen, että seoksen komponenteilla on eri kiehumispisteet. Kun seoksen yksi komponentti höyrystyy, pysyy lämpötila höyrystymisen aikana vakiona. Lämpömittarista voidaan lukea kyseisen aineen kiehumispiste. Kun lämpömittarin lukema alkaa uudelleen nousta, höyrystyy se komponentti, jolla on seuraavaksi korkein kiehumispiste. Mutta etanolia ei koskaan saada tislaamalla täysin erotettua vedestä, koska vesi ja etanoli muodostavat ns. atseotrooppisen liuoksen eli seoksen, joka lopulta kiehuu aina vakiokoostumuksessa. Siksi etanoliin jää aina vähän vettä (noin 4 til-%).

Sublimoinnilla saadaan seoksesta erilleen sellainen kiinteä aine, joka lämmitettäessä muuttuu suoraan kiinteästä kaasuksi eli sublimoituu. Jos kaasu jäähdytetään, aine härmistyy eli muuttuu uudelleen kiinteäksi. Sen sijaan erotussuppilolla voidaan erotella aineita niiden liukoisuuteen perustuen. Kun käytetään esim vesi-eetteriseosta, veteen hyvin liukenevat aineet jäävät alempaan vesikerrokseen ja eetteriliukoiset ylempään eetterikerrokseen.

Kromatografisia menetelmiä ovat paperikromatografia, ohutlevykromatografia, kaasukromatografia, nestekromatografia  ja pylväskromatografia. Kromatografiset menetelmät perustuvat seoksen osasten erilaiseen sitoutumiseen paikallaan pysyvään faasiin (paperi, jauhe tai neste) ja liikkuvaan faasiin (liuos, neste tai kaasu).

Paperikromatografiassa paikaallan pysyvä faasi on huokoinen paperi ja liikkuva faasi on liuos, jota kutsutaan eluentiksi eli ajoliuokseksi. Pylväskromatografiassa kiinteä faasi laitetaan hanallisen lasipylvään sisään. Näyteliuos pipetoidaan pylvään yläosaan ja sen annetaan valua hetken aikaa pylvään läpi. Näytteen komponentit erotellaan valuttamalla tämän jälkeen ajoliuosta pylvään läpi. Eri komponentit voidaan kerätä vaikka koeputkiin.

Kemia 1: luku 2 Elinympäristömme alkuaineita ja yhdisteitä

Ilmakehä suojaa maapalloa avaruudesta tulevalta säteilyltä ja pitää Maan lämpötilan elämän kannalta sopivana. Ihminen on kuitenkin toiminnallaan aiheuttanut suuria muutoksia maapallon ilmakehän koostumukseen. Pahimpia muutoksia ovat otsonikerroksen oheneminen ja kasvihuoneilmiön voimistuminen.

Elämää ei voi esiintyä ilman vettä. Vesi on hyvä liuotin, joka liuottaa monia  mukana tulevia ioni- ja molekyyliyhdisteitä. Myös suurin osa solun kemiallisista reaktioista tapahtuu vesiliuoksessa. Lisäksi runsaasti aineenvaihduntareaktioiden tuotteita poistuu veteen hien ja virtsan mukana.

Kaikki jalokaasut esiintyvät huoneenlämmössä kaasuina. Endoterminen tarkoittaa lämpöä sitovaa ja eksoterminen lämpöä vapauttavaa reaktiota. Sublimoituminen tarkoittaa aineen muuttumista kuumennettaessa suoraan kiinteästä kaasuksi. Tällaisia aineita ovat esim ammoniumkloridi, hiilidioksidi, naftaleeni ja jodi. Nämä aineet myös muuttuvat jäähtyessään kaasusta suoraan kiinteäksi eli ne härmistyvät.

                                                                                                                                            

Puhtaat aineet                                                                                  

Puhtaiden aineiden olomuodon muutokset tapahtuvat aina tietyssä lämpötilassa, eli niillä on tarkka sulamis- ja kiehumispiste. Tämä selittyy sillä, että aineen rakenneyksiköt (atomit, ionit tai molekyylit) ovat toisissaan kiinni keskenään yhtä vahvoilla sidoksilla. Joillakin puhtailla aineilla ei ole säännöllistä hilarakennetta. Tällaisia aineita sanotaan amorfisiksi. Tällöin rakenneyksiköiden väliset kemialliset sidokset eivät ole keskenään yhtä vahvoja, ja aineella ei siten ole tarkkaa sulamispistettä vaan aine pehmenee kuumennettaessa vähitellen. Esim rikki on tällainen aine.

Alkuaineet luokitellaan metalleihin, puolimetalleihin ja epämetalleihin. Allotropiassa saman alkuaineen atomit ovat sitoutuneet samassa olomuodossa eri tavoin. Kun metalli- ja epämetalliatomit reagoivat keskenään, muodostuu ioniyhdisteitä eli suoloja. Esim NaCl. Elektronegatiivisuus tarkoittaa kemiallisesti sitoutuneen alkuaineatomin kykyä vetää puoleensa yhteisiä sidoselektroneja.

Hyvä juomavesi

                                                                                                                  

Kolibakteereja esiintyy likaantuneissa vesissä kaikkialla. Lämpökestoiset kolimuotoiset bakteerit ovat ulostebakteereja, eikä niitä saa olla kaivovedessä yhtään. Veden korkeat nitriitti-ionipitoisuudet ovat merkkejä bakteeritoiminnasta ja typen epätäydellisestä hapettumisesta. Liiallinen fluoridin saanti aiheuttaa hammaskiilteen muodostumishäiriöitä ja luuston murtumaherkkyyttä. Lisäksi pitkäaikainen, runsas arseenin saanti voi aiheuttaa ihomuutoksia, melanoomaa, anemiaa ja hermostosairauksia. Radon puolestaan voi radioaktiivisena aineena aiheuttaa syöpää.

Korkea ammoniumpitoisuus vedessä aiheuttaa pistävää hajua ja makua ja on merkkinä siitä, että kaivoon on saattanut päästä lannoitteista tai jätevesistä peräisin olevia typpipitoisia aineita.

Biologia 4: luku 15 Ihmisen elämänkaari

Lapsen syntyessä kurkunpää on yhtä alhaalla kuin muilla kädellisillä. Tämän ansiosta vauva pystyy hengittämään ja imemään maitoa yhtä aikaa. Kurkunpää laskeutuu alemmaksi noin puolentoista vuoden iässä, joten puheen tuottaminen voi alkaa vasta silloin.

Murrosikä käynnistyy, kun hypotalamus on kypsynyt ja alkaa erittämään aivolisäkkeen sukupuolihormonien eritystä kiihdyttävää hormonia GnRH. Näin follitropiinin FSH ja lutropiinin FH määrä veressä lisääntyy. Nämä hormonit käynnistävät sukupuolielinten kasvun ja sukupuolihormonien erityksen sukurauhasissa.

Pojalla LH saa aikaan mieshormonien, erityisesti testosteronin, erityksen kiveksissä. Tämän seurauksena sukupuolielimet kasvavat, ääni madaltuu, karvoitus lisääntyy ja lihakset sekä luusto kasvavat. FSH:n erittyminen käynnistää siittiöiden kehittymisen kiveksissä.

Tytöllä aivolisäkkeen FSH:n erityksen alkaminen murrosiässä käynnistää munasolujen kypsymisen ja munasarjojen estrogeenituotannon. Estrogeenin lisääntymisen seurauksena rinnat kasvavat, lantio levenee, rasvakudos lisääntyy ja kuukautiskierto alkaa. Aivolisäkkeestä erittyvä LH saa aikaan munasolun irtoamisen eli ovulaation, keltarauhasen synnyn ja progesteronierityksen alkamisen.

Kasvuhäiriöt

Kasvuhäiriöitä voi esiintyä minkä ikäisenä tahansa. Aineenvaihdunnan häiriöt, sikiöön kulkeutuvat haitalliset aineet, istukan vajaatoiminta ja virusinfektiot voivat johtaa sikiön pienikasvuisuuteen. Lisäksi puberteetin aikaistuminen voi johtaa lyhytkasvuisuuteen. Aikaistunutta puberteettia hoidetaan kasvuhormonikorvaushoidolla. Äidin diabetes aiheuttaa sikiössä liian nopeaa kasvua.

Geenimutaatiosta johtuvassa progeriassa lapsi vanhenee kymmenkertaisella nopeudella. Progeriaa sairastavat lapset ovat pienikasvuisia, heiltä puuttuvat hiukset, iho on ryppyinen ja nivelet jäykät. Progerialapset kärsivät vanhoille ihmisille tyypillisistä sairauksista, ja he kuolevat keskimäärin 13 vuoden iässä sydänkohtaukseen.

Biologia 4: luku 14 Uusi ihmisyksilö

Biologia 4: luku 14 Uusi ihmisyksilö kehittyy hedelmöittyneestä munasolusta

Sukupuolihormonien eritys käynnistyy murrosiässä hypotalamuksen ja aivolisäkkeen ohjaamana. Miehen lisääntymistoimintoja säätelee kolme hormonia: kiveksistä erittyvä testosteroni sekä aivolisäkkestä erittyvät lutropiini (luteinisoiva hormoni LH) ja follitropiini (follikkeleita stimuloiva hormoni FSH). Normaali siittiötuotanto ei onnistu ruumiinlämmössä. Siksi kivekset roikkuvat kivespusseissa, joissa niiden lämpötila on pari astetta ruumiinlämpöä alhaisempi.

Murrosiässä alkava aivolisäkkeen hormonien eritys käynnistää tytön munasolujen kypsymisen ja valmistaa elimistöä mahdolliseen raskauteen. Lisäksi naisen hormonitoiminta ylläpitää raskautta, säätelee synnytystä sekä varmistaa maidonerityksen. Kuukautiskierron säätelyyn osallistuu viisi hormonia, joita erittyy hypotalamuksesta, aivolisäkkeestä, munasarjoista ja keltarauhasesta.

Ihmisen sukupuoli määräytyy hedelmöityshetkellä. Jos munasolun on hedelmöittänyt Y-kromosomin sisältävä siittiö, alkion sukupuolirauhasesta kehittyvät kivekset, jotka erittävät testosteronia. Jos hedelmöityksen on suorittanut X-kromosomin sisältävä siittiö, sukupuolirauhasesta kehittyvät munasarjat.

Kun istukka on kehittynyt, sen solut erittävät mm. progesteronia ja istukan gonadotropiinia HCG. Raskaustesti perustuu HCG-tason mittaamiseen. Istukan erittämä progesteroni pitää yllä raskaustilaa siten, että kohdun limakalvo pysyy paksuna, kohdunseinämän lihakset ovat lepotilassa eikä uutta ovulaatiota tapahdu.

Yksilönkehitys alkaa hedelmöityksestä. Yksilönkehityksen vaiheet ovat solunjakautumisvaihe, alkiovaihe ja varsinainen sikiönkehitysvaihe. Solunjakautumisvaiheessa munasolu jakautuu mitoottisesti aina uudelleen ja uudelleen, ja solurypäle kulkee samalla munanjohtimesta kohti kohtua. Kun solurypäle on muutaman päivän päästä päässyt kohtuun, se muuttuu alkiorakkulaksi. Alkorakkulan sisäsolut järjestäytyvät alkonystyksi, josta kehittyy varsinainen alkio. Ulkosoluista kehittyvät istukan sikiönpuoleinen osa ja sikiökalvot. Implantaatiossa alkiorakkula kiinnittyy ulkosolujen avulla kohdun limakalvoon.

Ihmisen yksilönkehityksen neljä tapahtumaa ovat

1. kaavoittuminen eli kolmiulotteisuuden synty
2. muotoutuminen eli elinten ja ruumiinosien synty
3. solujen erilaistuminen
4. solujen määrän kasvu.

Muotoutumista ja solujen erilaistumista ohjaavat pääasiassa naapurisolujen erittämät, kasvutekijöiksi kutsutut viestiaineet. Jos viestijärjestelmään tulee häiriö esim äidin alkoholinkäytön tai joidenkin lääkkeiden takia, ilmenee se häiriönä myös yksilönkehityksessä.

Alkiovaiheen aikana kaikki kudokset ja elimet erilaistuvat

Gastrulaatiossa alkionystyn soluista syntynyt alkiolevy pitenee, kaartuu alaspäin ja jakautuu kolmeksi alkiokerrokseksi. Neurulaatiossa ulkokerroksen keskiosasta tulee hermostolevy, joka kaartuu hermostoputkeksi. Hermostoputkesta erilaistuu keskushermosto ja sen viereisestä solukosta ääreishermosto. Ulkokerroksen reuna-alueesta kehittyy iho. Keskikerroksesta syntyvät verenkiertoelimistö, erityselimistö, sukuelimet sekä tuki- ja lihaskudos. Sisäkerroksesta kehittyvät hengitys- ja ruuansulatuselimistön epiteelikudokset. Apoptoosi poistaa alkiosta ylimääräiset solut.

Sikiökalvot ja istukka huolehtivat sikiön ravinnonsaannista

Sikiökalvoja ovat vesikalvo, suonikalvo, rakkokalvo ja ravitsemuskalvo. Istukka ja napanuora huolehtivat sikiön ravitsemuksesta ja kuona-aineiden poistosta. Äidin ja sikiön verenkierrot eivät ole istukassa välittömässä yhteydessä toisiinsa, vaan niiden välissä on vähintään kaksi solukerrosta. Aineiden siirtyminen tapahtuu pääasiassa diffuusiolla. Kaikki riittävän pienimolekyyliset aineet pääsevät istukan läpi, vaikka ne olisivat sikiölle vahingollisiakin, kuten lääkkeet tai alkoholi. Virukset ovat niin pienikokoisia, että ne pääsevät siirtymään äidistä sikiöön, mutta bakteereilta sikiö on melko hyvässä suojassa.

Sikiöstä äitiin tulee vettä, ureaa ja hiilidioksidia. Äidistä sikiöön siirtyy happea, vettä, ravintoaineita, vasta-aineita ja hormoneja. Sikiön veri kulkee nukkalisäkkeiden verisuonissa ja äidin verta on nukkalisäkkeiden ympärillä. Sikiön ja äidin veret eivät sekoitu keskenään, vaan aineet siirtyvät nukkalisäkkeiden seinämäsolujen kautta. Happipitoinen veri kulkee napalaskimoa pitkin sikiöön. Sikiön sydämen oikean ja vasemman eteisen välissä on aukko, myös aortan ja ja keuhkovaltimon välillä, joten happipitoinen veri pääsee nopeasti kaikkialle sikiöön (paitsi sen keuhkoihin). Hiilidioksidi poistuu sikiöstä veressä, joka virtaa napavaltimoita pitkin istukkaan. Hiilidioksidi siirtyy siellä äitiin ja veri palaa sikiöön napalaskimoa pitkin.

Sikiön terveydentilaa voidaan tutkia monin eri tavoin

Sikiölle tehtävien tutkimusten tarkoituksena on tarpeettoman kärsimyksen estäminen ja sairauksien ehkäisy. Keskenmenon syynä on usein jokin sikiön tai istukan kehityshäiriö. Ultraäänitutkimuksen avulla nähdään sikiön suuret rakenteelliset poikkeamat. Lisäksi sikiöstä otetaan lapsivesi- ja istukkanäytteitä. Useita sikiötutkimuksissa havaittuja sairauksia, esim sydänvikoja, voidaan hoitaa syntymän jälkeen. Jos kuitenkin haluaa raskaudenkeskeytyksen, on se tehtävä ennen 12. raskausviikon loppua. Jos sikiöllä on todettu vakava kehityshäiriö, raskaus voidaan keskeyttää vielä 24. raskausviikolla.

Synnytys

Neurohypofyysistä erittyvä oksitosiini saa aikaan kohdunseinämän lihasten supistelun, ja synnytys alkaa. Adenohypofyysistä erittyvä prolaktiini puolestaan käynnistää maidonerityksen synnytyksen jälkeen. Synnytyksessä on kolme vaihetta: avautumisvaihe, ponnistusvaihe ja jälkeisvaihe. Synnytyksen jälkeen lapsen elimistössä tapahtuu useita muutoksia. Lapsen itku on tärkeä merkki siitä, että hän on alkanut hengittää omilla keuhkoillaan. Lisäksi sydämen oikean ja vasemman eteisen välissä oleva aukko umpeutuu, ja sikiön keuhkovaltimon ja aortan välinen yhteys sulkeutuu.

Biologia 4: luku 13 Elimistön puolustusjärjestelmä

Haitallisia mikrobeja pääsee elimistöön ruuan ja juoman mukana, hentgitysilmasta, sukupuoliteitse sekä veren välityksellä esim verensiirrosta tai huumeruiskusta. Bakteerit elävät ja lisääntyvät kudosnesteessä, ja niiden vahingollinen vaikutus elimistölle perustuu yleensä niiden erittämiin myrkyllisiin aineisiin. Virusten on päästävä solujen sisälle kyetäkseen lisääntymään. Bakteerien lisäksi jotkin alkueliöt, hiivat ja homeet ovat elimistölle haitallisia.

Ihmisen elimistö puolustautuu tunkeutujia vastaan ensinnäkin yrittämällä torjua niiden pääsyn elimistöön. Tätä torjuntatapaa kutsutaan elimistön ulkoiseksi puolustukseksi. Sisäinen puolustus käynnistyy, jos tunkeutujat pääsevät sisälle elimistöön. Sisäinen puolustus voidaan jakaa synnynnäiseen ja hankittuun puolustukseen. Ulkoiseen puolustukseen osallistuvat kyynelneste, nenän limakalvo, sylki, iho, henkitorven värekarvat, hiki, mahaneste ja emättimen happamuus.

                                                                                                                              

Mikrobien on vaikea päästä elimistön ulkoisen puolustuksen läpi

Ihon pinnalla elää vaarattomia bakteereita, jotka syrjäyttävät pahoja bakteereita ja pitävät ihon pH:n alhaisena. Alhainen pH estää monien vahingollisten bakteerien kasvun. Lisäksi ihon hiki- ja talirauhasten eritteet sisältävät bakteereita tuhoavia entsyymejä.

Limakalvoja on ruuansulatuskanavassa, hengitysteissä, virtsateissä ja sukupuolielimissä. Limakalvo koostuu ohuesta solukerroksesta, jonka päällä on sitkeää limaa. Mikrobit ja monet pienet hiukkaset tarttuvat limaan helposti kiinni. Hengitysteiden limakalvoilla on värekarvoja, jotka siirtävät limaa nieluun, jolloin limaan tarttuneet mikrobit sylkäistään pois tai nielaistaan mahalaukkuun. Mahalaukussa mikrobit tuhoutuvat, koska siellä on hapan pH ja proteiineja pilkkovaa pepsiinientsyymiä.

Syöjäsolut aloittavat synnynnäisen puolustuksen

Tehokkaasta ulkoisesta poulustuksesta huolimatta jotkin mikrobit onnistuvat pääsemään elimistöön. Tällöin elimistö tarvitsee leukosyyttejä tuhotakseen tunkeilijat. Leukosyytit kulkevat veren mukana siihen elimistön osaan, mihin bakteerit, virukset tai muut mikrobit ovat tunkeutuneet. Leukosyytit syntyvät luuytimessä  kaikille verisoluille yhteisistä kantasoluista, joista ne erilaistuvat erilaisiin toimintoihin. Erilaisten leukosyyttien reaktioita taudinaiheuttajiin kutsutaan immuunivasteeksi.

Leukosyyttien toimintaa avustavat maksassa syntyvät proteiinit. Bakteerien läsnäolo aktivoi niitä. Nämä proteiinit alkava edelleen aktivoimaan muita proteiineja, jotka lisäävät hiussuonten läpäisevyyttä tulehduspaikalla ja houkuttelevat sinne uusia syöjäsoluja.

Imusolut vastaavat elimistön hankitusta puolustuksesta

Jos mikrobeja on paljon tai virukset ovat jo ehtineet tunkeutua isäntäsoluihinsa, eivät syöjäsolut yksin kykene puolustamaan elimistöä. Tällöin tarvitaan mukaan imusoluja. Kukin imusolu on erikoistunut tuhoamaan vain yhdenlaista taudinaiheuttajaa. Imusolut kykenevät siis valikoivaan puolustukseen. Se kehittyy ihmiselle syntymän jälkeen sen mukaan, millaisessa ympäristössä hän elää. Aina kun elimistö kohtaa uuden taudinaiheuttajan, se tallentaa tästä tiedon kyseiseen taudinaiheuttajaan erikoistuneisiin imusoluihin. Jos sama mikrobi hyökkää uudelleen, pystyy valikoiva puolustus reagoimaan nopeasti ja tehokkaasti. Koska järjestelmä kehittyy elämän aikana, sitä kutsutaan hankituksi immuniteetiksi.

Kuten muutkin valkosolut, imusolutkin syntyvät luuytimessä kaikille verisoluille yhteisistä kantasoluista. Imusoluja on kahta tyyppiä, T- ja B-imusoluja. Luuytimestä T-solut siirtyvät kypsymään kateenkorvaan ja B-solut punaiseen luuytimeen. Kypsymisvaiheessa imusolulle kehittyy solukalvon pintaan reseptoreja, joiden avulla kukin imusolutyyppi pystyy tunnistamaan tietyn tunkeutujan pintarakenteen.

Imukudosta on pernassa, imusolmukkeissa, suolen, hengitysteiden ja virtsateiden seinämissä sekä nielu- ja kitarisoissa. Noihin kudoksiin kypsät imusolut siirtyvät kateenkorvasta ja punaisesta luuytimestä. Valmiit imusolut lähtevät verenkierron tai imusuoniston mukana kiertämään elimistössä. Ne ovat passiivisia, elleivät ne kohtaa juuri sitä tunkeutujaa, johon ne ovat erikoistuneet.

Antigeenit käynnistävät immuunireaktion

Imusolu kykenee tunnistamaan vain tietyn antigeenin, toisin kuin syöjäsolut. Antigeeniksi sanotaan bakteerien ja virusten pintarakenteissa olevia proteiineja ja polysakkarideja. Myös elimistön omat vioittuneet tai haitalliset solut voivat toimia antigeeneinä. Jotta immuunipuolustus ei ala tuhota terveitä kudoksia, imusolujen tulee erottaa mikrobit ja syöpäsolut elimistön omista kudoksista. Tämä tapahtuu eliminoimalla elimistön omiin soluihin reagoivat imusolut niiden kypsymisprosessin aikana.

B-imusolut tuottavat vasta-aineita

Kun B-solu tunnistaa vieraan mikrobin sen pinnalla olevan antigeenin avulla, niin B-solu aktivoituu jakautumaan ja erikoistumaan plasmasoluiksi. Nämä solut erittävät vasta-aineita. Veressä vapaina kiertävät vasta-ainemolekyylit tarttuvat mikrobin pinnan antigeeneihin, mikä johtaa mikrobin tuhoamiseen. Vasta-aineet tehostavat syöjäsolujen työtä auttamalla niitä tunnistamaan taudinaiheuttajia. Vasta-aineisiin voi myös tarttua proteiineja, jotka kykenevät tunkeutumaan bakteerin solukalvoon ja tekemään siihen reikiä, jolloin bakteeri hajoaa.

T-imusolut ovat tärkeitä virusten torjunnassa

T-imusolut eivät kykene tunnistamaan mikrobien antigeenejä, vaan ne tunnistavat pääasiassa virusten saastuttamia elimistön omia soluja tai syöpäsoluja. T-solut voidaan jakaa T-tappajasoluihin ja T-auttajasoluihin. T-tappajasolut käyvät suoraan kohteensa kimppuun ja T-auttajasolut tuottavat sytokiinejä tunnistettuaan viruksen saastuttaman solun tai saatuaan B-solulta tai makrofagilta tiedon elimistöön tunkeutuneesta taudinaiheuttajasta. Sytokiinit ovat viestiaineita, jotka lisäävät imusolujen jakautumista ja erilaistumista sekä tehostavat makrofagien solusyöntiä. Viruksen infektoima solu voi tuottaa myös interferonia (viestiaine), jonka vaikutuksesta muut solut tuottavat proteiineja, jotka estävät virusten lisääntymisen soluissa.

Rokotus perustuu elimistön immunologiseen muistiin

Rokottamista kutsutaan aktiiviseksi immunisaatioksi. Siinä elimistöön ruiskutetaan tapettua tai heikennettyä taudinaiheuttajaa taisen osaa, jonka B-solut tunnistavat vieraaksi antigeeniksi ja käynnistävät vasta-aineen tuotannon plasmasolujen avulla. B-soluista syntyy myös runsaasti muistisoluja, joita on valmiina, kun taudinaiheuttajaa joutuu myöhemmin uudestaan elimistöön.

Elimistöön voidaan myös ruiskuttaa vasta-ainetta, jos henkilöä ei ole rokotettu tai jos taudinaiheuttajaan ei ole olemassa rokotevalmistetta. Tällaista menetelmää kutsutaan passiiviseksi immunisaatioksi. Se ei aiheuta immuunivastetta, joten vasta-aineita joudutaan ruiskuttamaan uudestaan, mikäli henkilö sairastuu samaan infektioon uudelleen.

Elimistön puolustusjärjestelmä ei toimi aina moitteettomasti

Ulkoinen puolustus sekä synnynnäinen ja hankittu immuniteetti täydentävät toisiaan. Tehokas immuunivaste edellyttää, että kaikki osatekijät toimivat normaalisti. Aidsin aiheuttaa seksuaalisissa kontakteissa tai veren mukana tarttuva HI-virus. Se käyttää isäntäsolunaan T-auttajasoluja. Immuunipuolustus tuhoaa virusten valloittamat T-auttajasolut, mikä heikentää sekä muiden imusolujen että syöjäsolujen toimintaa. Näin koko elimistön immuunivaste heikkenee dramaattisesti.

Kun HI-virukset aktivoituvat infektoimissaan T-soluissa, virusten tehokas tuotanto alkaa. Niitä voi syntyä vuorokaudessa miljardeja, ja ne siirtyvät aina uusiin T-auttajasoluihin tuottamaan uusia viruksia. Elimistön puolustus ei kestä kovin kauan ilman riittävää määrää T-auttajasoluja ja ihminen sairastuu aidsiin. Aids-potilaat kuolevat yleensä infektioihin, jotka terveiden ihmisten immuunijärjestelmä kykenee torjumaan. Aidsiin sairastuneet ihmiset menehtyvät usein myös syöpään.

Autoimmuunisairaudet johtuvat immunologisen järjestelmän tunnistusvirheistä

Tauteja, joissa immuunijärjestelmä tuhoaa elimistön omia soluja ja kudoksia, kutsutaan autoimmuunisairauksiksi. Joidenkin bakteerien antigeenit voivat muistuttaa elimistön omia proteiineja. Tällöin elimistö hyökkää sekä bakteerien että niiden solujen kimppuun, joiden pinnassa on bakteerille ominaisia proteiineja. Esim kihti ja nivelreuma ovat tällaisia sairauksia.

Myös virusinfektiot tai lääkeaineet voivat muuttaa solujen kalvoproteiineja, jolloin elimistö tunnistaa omat solut vieraiksi tunkeilijoiksi. Esim tyypin 1 diabetes aiheutuu T-tappajasolujen käynnistämästä hyökkäyksestä haiman insuliinia tuottavia soluja vastaan.

Allergiassa elimistön puolustusjärjestelmä reagoi liian voimakkaasti

Allergialla tarkoitetaan immuunireaktiota, jossa elimistö reagoi liian voimakkaasti tavallisesti vaarattomaan aineeseen. Allergiaa aiheuttavia aineita kutsutaan allergeeneiksi. Allergiset reaktiot ovat vaihtelevia ja ne voivat olla jopa hengenvaarallisia. Välittömässä allergiassa henkilö voi saada allergisen reaktion heti allergeenille altistumisen jälkeen.

Viivästynyt allerginen reaktio on seurausta siitä, että solut joutuvat toistuvasti tekemisiin allergeenin kanssa. Viivästyneessä allergiassa allergeenin tunnistaminen elimistössä tapahtuu solujen välityksellä, ei vasta-aineiden kautta kuten välittömässä allergiassa. Nikkeliallergia on tyypillinen viivästynyt allergia. T-imusolut käynnistävät paikallisen puolustusreaktion, joka tuntuu kipuna ja näkyy ihon punoituksena ja muina tyypillisinä tulehdusreaktion oireina.

Kudos- ja elinsiirrot aiheuttavat hylkimisreaktioita

T-imusolut pystyvät tunnistamaan elimistön jokaisen solun pinnalla olevat kudostyyppiproteiinit. Siksi T-imusolut eivät tuhoa elimistön omia soluja. Jokaisella ihmisellä on hieman erilaiset kudostyyppiproteiinit. Kudos- ja elinsiirroissa T-imusolut tunnistavat vieraat solut ja pyrkivät tuhoamaan ne. Niimpä elinsiirroissa varmistetaan luovuttajan ja vastaanottajan kudostyyppien samankaltaisuus hylkimisreaktioiden estämiseksi. Hylkimisreaktoita voidaan lievittää hylkimisenestolääkkeillä.

ABO-veriryhmä selvitetään aina, kun verta siirretään henkilöstä toiseen. ABO-veriryhmiin liittyvät vasta-aineet syntyvät ilman aikaisempaa altistusta, ja niiden muodostuminen alkaa kuuden kuukauden ikäisellä lapsella. Vasta-aineet liimaavat punasolut toisiinsa kiinni kasaumiksi, jotka voivat aiheuttaa hengenvaaran tukkimalla verisuonia esim sydämessä tai aivoissa.

Punasolujen pinnalla on muitakin antigeenejä. Raskauden aikana ja verensiirroissa voi tulla ongelmia, jotka aiheuttaa D-antigeeni, josta käytetään nimeä reesustekijä (Rh-tekijä). Jos henkilöllä on Rh-tekijä punasolujensa pinnalla, hän on Rh-positiivinen, ja jos häneltä puuttuu se, on hän Rh-negatiivinen.

Jos Rh-negatiivisen ihmisen elimistöön joutuu Rh-positiivista verta esim verensiirrossa, hänen elimistönsä alkaa tuottaa vasta-ainetta D-antigeeniä vastaan. Jos lasta odottava äiti on Rh-negatiivinen ja syntyvä lapsi Rh-positiivinen, äidin elimistö reagoi erilaiseen veriryhmätekijään. Ensimmäisen raskauden aikana äidin veressä ei muodostu vasta-ainetta, koska sikiön punasolut eivät mahdu siirtymään äidin verenkiertoon istukan läpi. Sen sijaan synnytyksen tai keskenmenon yhteydessä lapsen punasoluja voi joutua äidin vereen, jolloin äidin elimistö muodostaa vasta-ainetta lapsen verisolujen D-antigeeniä vastaan.

Seuraavan Rh-positiivisen raskauden aikana nämä syntyneet vasta-aineet mahtuvat siirtymään istukan kautta äidin verenkierrosta sikiöön, ja ne tuhoavat sikiön punasoluja. Näin lapsi voi kärsiä hengenvaarallisesta anemiasta. Rh-negatiivisen äidin vasta-ainetuotanto estetään antamalla hänelle D-vasta-ainetta heti synnytyksen jälkeen, joka tuhoaa nopeasti äitiin synnytyksessä siirtyneet sikiön punasolut. Näin seuraavakin raskaus on turvallinen.

Biologia 4: luku 12 Iho

Iho on ihmisensuurin elin. Se on suojarakenne, rasvan ja nesteen varasto sekä lämmönsäätely-, aisti- ja erityselin. Iho estää veden ja monien muiden aineiden pääsyn elimistöön. Ihon pinta on hapan (pH 3-6), mikä johtuu ihon eritteistä ja sen pinnalla normaalisti elävien hyvänlaatuisten bakteerien aineenvaihdunnasta. Ihon happamuus ja mikrobit estävät monien haitallisten bakteerien kasvun iholla. Ihon avulla aistitaan painetta, kosketusta, kipua ja lämpötilan vaihteluja. Hikirauhasten eritteessä on veden lisäksi siihen liuenneita erilaisia suoloja, ammoniakkia ja ureaa.

Hypotalamus säätelee elimistön lämpötilaa. Se saa tietoja ihon, veren sekä elimistön lämpötilasta ihossa ja sisäelimissä sijaitsevien lämpimän- ja kylmänreseptorien välityksellä. Hypotalamus käynnistää tarpeen mukaan mekanimeja, joiden avulla elimistö tuottaa lisää lämpöenergiaa tai vähentää lämmönhukkaa.

Viileässä ihon pikkuvaltimot supistuvat, jolloin veri kuljettaa vähemmän lämpöä iholle ja lämmönhukka vähenee. Myös ihonalainen rasvakerros vähentää lämmönhukkaa. Lämpimässä ihon pienet valtimot ja hiussuonet laajenevat, jolloin verta ohjautuu entistä enemmän iholle ja lämpöä voi poistua säteilemällä. Kehon liian korkea lämpötila johtaisi proteiinien, kuten entsyymien, reseptorien ja kuljetusproteiinien vaurioitumiseen sekä lopulta tajuttomuuteen ja kuolemaan. Lämpimässä myös hikoilu voimistuu.

Kuivassa ilmassa hikoilu jäähdyttää hyvin, mutta kosteassa ilmassa hikoilu ei juuri viilennä. Tällöin sydämen syke nopeutuu, koska iholle ohjautuu paljon verta, mutta samanaikaisesti myös aivojen ja lihasten hapen ja glukoosin tarve on täytettävä. Jos aivojen hapen saanti vaikeutuu, seurauksena on pahoinvointia ja lämpöuupumusta. Pahimmassa tapauksessa kehittyy lämmönsäätelyn pettämisestä johtuva tajuttomuus eli lämpöhalvaus.

Iho reagoi auringon säteilyyn

Liiallinen UV-säteily on eliöille vahingollista. Ihmisen iho suojautuu UV-säteilyä vastaan orvaskedessä olevien pigmenttisolujen avulla. Ne aktivoituvat auringon UV-säteilystä ja alkavat tuottaa suojaavaa pigmenttiä, melaniinia. Pigmentti leviää orvaskeden soluihin, mikä ilmenee ihon ruskettumisena.

UV-säteily on myös hyödyllistä tärkeää, koska sen vaikutuksesta iholla muodostuu D-vitamiinin esiastetta. Se muuttuu maksassa ja munuaisissa D-vitamiiniksi, joka mm. edistää kalsiumin imeytymistä. Muuttumiseen vaikuttaa lisäkilpiraushasen erittämä parathormoni. Ilman riittävää D-vitamiinin muodostusta ihmiselle voi tulla riisitauti. Siinä kalsiumia ei imeydy suolistosta riittävästi. Riisitaudissa luukudos jää pehmeäksi ja varsinkin alaraajojen luut vääntyvät kehon painosta.

Ihmisen biologinen kello

Hypotalamuksen etuosassa sijaitseva pieni alue reagoi valon määrän vaihteluihin ja ylläpitää käpyrauhasen kautta elimistön vuorokausirytmiä. Valon määrän vaihtelu vaikuttaa käpyrauhasessa tapahtuvaan melatoniinin eritykseen. Samalla se tahdistaa sisäisen kellon eli elintoimintojen vaihtelun vuorokauden aikana. Silmien ja ihon kautta vaikuttava valon määrän vaihtelu rytmittää ja tahdistaa käpyrauhasen toimintaa. Se erittää pimeässä melatoniinia, jonka eritys lakkaa valossa. Melatoniin säätelee myös ihmisen unirytmiä, koska sen eritys pimeässä saa ihmisen tuntemaan väsymystä ja uneliaisuutta. Kun melatoniin eritys valossa lakkaa, tulee ihmisen olo virkeämmäksi.

Pitkät lennot useiden aikavyöhykkeiden yli sekoittavat sisäisen kellon eli saavat sen käymään ”väärää” aikaa todelliseen vuorokaudenaikaan verrattuna. Ilmiöstä käytetään nimitystä jet lag eli aikaerorasitus.

Biologia 4: luku 11 Aistit

Aistielimet ottavat ärsykkeitä vastaan, muuttavat ne hermoimpulsseiksi ja lähettävät niitä edelleen aivojen tulkittaviksi. Ympäristöstä tulee valtava määrä ärsykkeitä, mutta aistimme reagoivat niistä vain osaan. Aistisolujen solukalvossa on reseptoreja, joihin ärsykkeet vaikuttavat ja jotka saavat aikaan hermoimpulssin syntymisen.

Hermoimpulssi etenee aistirataa pitkin keskushermostoon. Pään alueelta tulevat aistiradat siirtävät impulssin suoraan aivoihin, muut radat kulkevat selkäytimen kautta. Aistimukset syntyvät isoaivojen kuorikerroksessa. Aistien tottumista samanlaisena jatkuvaan ärsytykseen sanotaan adaptaatioksi eli mukautumiseksi.

Näköaisti                                                                             

Sarveiskalvo, linssi ja lasiainen taittavat silmään tulevaa valoa, jolloin katsottavasta kohteesta muodostuu ylösalaisin oleva kuva verkkokalvolle. Aivot kääntävät kuvan oikein päin. Linssi on kimmoisa, ja sen muotoa muuttamalla silmä voidaan kohdistaa katsomaan lähellä tai kaukana olevia kohteita. Kauas katsottaessa silmä lepää, koska sädelihas veltostuu ja laajenee, linssiin kiinnittyneet ripustinsäikeet kiristyvät ja linssi muuttuu litteämmäksi. Lähelle katsottaessa sädelihas supistuu, ripustinsäikeet löystyvät ja linssi pyöristyy.

Vanhemmiten linssin kimmoisuus vähenee ja mukautumiskyky heikkenee, joten on vaikea katsoa tarkasti lähelle. Tällöin tarvitaan lukulasit eli pluslasit. Miinuslasit tarvitaan, jos on vaikea nähdä kunnolla kauas. Hajataittoisuudessa joko sarveiskalvo tai silmän linssi taittaa valonsäteitä epäsymmetrisesti, jolloin kuva nähdään epätarkkana. Tämä voidaan korjata epäsymmetrisesti hiottujen silmälasien avulla.

Sauvasolujen avulla nähdään hämärässä ja tappisolujen avulla kirkkaassa valossa

Verkkokalvolla on kahdenlaisia aistisoluja, sauvoja ja tappeja. Sauvat toimivat hyvin hämärässä ja niiden viestien perusteella muodostuu mustavalkoinen kuva. Tappeja on sauvoja paljon vähemmän ja niiden avulla voidaan nähdä värejä. Tappeja on eniten verkkokalvon keskellä olevan keltatäplän alueella. Sen keskellä on keskikuoppa eli tarkan näkemisen kohta. Siinä on vain tappisoluja ja sen takia hämärässä ei voi nähdä aivan tarkasti.

Sekä sauvoissa että tapeissa valo vaikuttaa vastaanottavaan reseptoriproteiiniin, näköpigmenttiin, joka hajoaa valon vaikutuksesta aiheuttaen aivoihin kulkevan hermoimpulssin. Sauvojen näköpigmentti on nimeltään rodopsiini, joka valon vaikutuksesta hajoaa opsiiniksi ja retinaaliksi. Retinaali on A-vitamiinin johdannainen, joten pitkäaikainen A-vitamiinin puutos voi aiheuttaa hämäräsokeutta, koska ilman A-vitamiinia sauvasolut eivät pysty tuottamaan riittävästi hämäränäkemiseen tarvittavaa retinaalia.

Värien näkeminen perustuu siihen, että tappisoluja on kolmea tyyppiä. Ne ovat herkkiä joko  siniselle, vihreälle tai punaiselle valolle. Mikäli puna- tai viherherkät tappisolut puuttuvat tai eivät toimi kunnolla, on ihminen punavihersokea ja hänen on vaikea erottaa punaisia ja vihreitä värisävyjä toisistaan. Piirre on resessiivinen, ja siihen vaikuttava geeni sijaitsee X-kromosomissa. Mies on punavihersokea, jos hän perii alleelin X-kromosomissa äidiltään, mutta nainen on punavihersokea vain, jos hän perii sen kummaltakin vanhemmaltaan. Siksi punavihersokeus on yleisempi miehillä kuin naisilla.

Karsastuksessa silmien yhteispeli ei onnistu, vaan silmien verkkokalvoihin piirtyy eri alue näkökentästä. Karsastuksen jatkuessa aivot voivat oppia hylkäämään heikomman silmän antamaa informaatiota pysyvästi.

Kuuloaisti

Ääni on ilmassa eteneviä paineaaltoja, joiden tiheyden vaihtelut ilmenevät eri taajuuksina. Ne aistitaan sävelkorkeudeltaan erilaisina ääninä. Korva muuttaa vastaanottamansa paineaallot hermoimpulsseiksi, jotka tulkitaan aivoissa korkeudeltaan ja voimakkuudeltaan erilaisiksi ääniksi.

Korvalehti vastaanottaa ääniaaltoja, jotka ohjautuvat korvakäytävän kautta tärykalvolle ja saavat sen värähtelemään. Tärykalvon värähtelyn takia kuuloluut (vasara, alasin ja jalustin) alkavat liikkua ja muuntavat ilmassa etenevät paineaallot mekaaniseksi värähtelyksi. Viimeisenä oleva kuuloluu, jalustin, on kiinnittyneenä sisäkorvaan johtavaan eteisikkunaan, jonka kautta värähtely siirtyy sisäkorvassa olevaan nesteeseen. Ääniaalto etenee nesteessä simpukan sisällä. Aaltoliike liikuttaa simpukan kalvoja, mikä aiheuttaa mekaanisen ärsytyksen kuuloaistinsoluissa.

Simpukan aistisolut erottelevat korkeudeltaan ja voimakkuudeltaan erilaiset äänet

Simpukassa on kolme vierekkäistä käytävää, joissa olevaan nesteeseen välikorvan kuuloluut siirtävät luissa tapahtuvan mekaanisen värähtelyn. Kuuloaistisolut sijaitsevat keskimmäisenä olevassa simpukkatiehyessä tyvilevyyn kiinnittyneinä. Aistisolujen pinnassa on jäykkiä, ohuita ulokkeita, minkä takia aistisoluja kutsutaan karvasoluiksi. Ne ärtyvät kosketuksesta, kun karvat osuvat katekalvoon ja samalla taipuvat tyvilevyn liikahdellessa nesteen värähtelyn tahdissa.

Karvasoluissa syntyneet impulssit siirtyvät kuulohermoon ja edelleen isoaivojen ohimolohkoissa sijaitseviin kuulokeskuksiin. Ihmiskorva erottaa ääniä, joiden taajuus on välillä 20 – 20 000 Hz.

Sisäkorvan tasapainoelin

Sisäkorvan tasapainoelin koostuu kolmesta toisiaan vastaan kohtisuorassa asennossa olevasta kaarikäytävästä sekä niiden tyvellä sijaitsevista kahdesta rakkulasta. Tasapainoelimestä tulevat hermoimpulssit kulkevat kuulo-tasapainohermoa pitkin aivorungon alueelle, missä ne yhdistyvät näkö-, lihas- ja jänneaistin sekä ihon välittämään tietoon. Jos aivot saavat eri aistien kautta ristiriitaista tietoa vartalon liikkeistä, voi seurauksena olla matkapahoinvointi.

Haju- ja makuaisti

Makua aistivat solut sijaitsevat eri puolilla kieltä olevien kielinystyjen makusilmuissa. Kullakin perusmaulla on sille herkin alueensa kielen pinnassa. Perusmakuja ovat suolainen, makea, hapan, karvas (kitkerä) ja umami (natriumglutamaatti). Perusmakujen yhdistelmistä syntyy tuhansia erilaisia makuaistimuksia.

Hajuaisti on tarkempi ja herkempi kuin makuaisti. Hajusolut sijaitsevat nenäontelon katossa olevassa, noin postimerkin kokoisessa hajuepiteeelissä. Sitä peittää limakerros, johon hajuaineiden on liuettava ennen tarttumistaan reseptoreihin. Aistisolujen haarakkeiden ja hajuhermon kautta hermoimpulssit kulkeutuvat isoaivojen kuoren hajualueelle.

Kipuaisti

Kipua aistivia soluja on lähes kaikkialla elimistössä. Niitä on etenkin ihossa ja sisäelimiä ympäröivissä kalvoissa. Kipuaistimus voi syntyä mistä tahansa ärsykkeestä, jos se on liian voimakas. Esim liian kova ääni sattuu korviin. Vapaat hermopäätteet toimivat kipureseptoreina. Kipuun ei totu, sillä kipuaisti ei adaptoidu toisin kuin tunto- tai hajuaisti. Joskus kipu voi kuitenkin muuttua krooniseksi. Kroonisen kivun syytä ei aina tiedetä.

Biologia 4: luku 10 Munuaiset ja maksa

Munuaiset pitävät hengityselinten kanssa yllä elimistön oikeaa pH:ta. Virtsan pH:n vaihtelun avulla elimistön pH pysyy tasaisena. Munuaiset myös pitävät elimistössä olevan veden määrän vakiona ja säätelevät monien elimistölle tärkeiden ionien, kuten natriumin ja kaliumin määriä. Lisäksi munuaiset poistavat verestä solujen aineenvaihdunnassa syntyneitä kuona-aineita kuten ureaa.

Ureaa syntyy maksassa aminohappojen hajoamistuotteena. Munuaiset myös valmistavat erytropoietiinia, joka lisää punasolujen muodostumista. Lisäksi munuaiset osallistuvat verenpaineen säätelyyn. Oikean pH:n säilyttäminen elimistössä on tärkeää mm. siksi, että soluissa toimivat entsyymit vaativat toimintaympäristölleen tietyn happamuuden.

Nefronit ovat munuaisten toiminnallisia yksiköitä        

Nefronin toiminta voidaan jakaa kolmeen vaiheeseen: suodattuminen, takaisinimeytyminen ja aktiivinen eritys. Munuaiskeräsessä muodostuvaa alkuvirtsaa muodostuu noin 180 litraa vuorokaudessa. Alkuvirtsan suodattuminen tapahtuu munuaiskeräsessä, jossa on kolme kertaa korkeampi verenpaine kuin hiussuonissa yleensä, joten suodatus on tehokasta. Verisolut ja suurino osa plasman proteiineista eivät suodatu koteloon, koska ne ovat liian suuria. Sen sijaan koteloon suodattuu sekä kuona-aineita että elimistön soluille hyödyllisiä aineita.

Hyödylliset aineet ja osa vedestä imeytyvät takaisin munuaistiehyissä. Munuaistiehyisiin erittyy AKTIIVISESTI aineita hiussuonista. Aktiivisen erittymisen avulla elimistöstä poistuu esim hormoneja, lääkeaineita, ioneja ja elintarvikkeiden lisäaineita. Aineet siirtyvät munuaistiehyistä kokoojaputkiin ja poistuvat virtsan mukana.

Virtsateihin kuuluvat munuaisaltaat, virtsanjohtimet, virtsarakko ja virtsaputki. Virtsateissä virtsan koostumus ei enää muutu. Jotkin ruoat ja juomat, kuten kahvi, vähentävät antidiureettisen hormonin (ADH) eristystä ja siten lisäävät elimistöstä poistuvan virtsan määrää. Hermosto ja hormonit ohjaavat munuaiset toimimaan vallitseviin olosuhteisiin sopivalla tavalla. Mitä enemmän juodaan, sitä enemmän elimistöstä poistuu virtsaa.

Maksa

Kaikki aineet, jotka ovat imeytyneet vereen ruuansulatuselimistöstä, kulkevat maksan läpi. Maksa hajottaa, muokkaa ja varastoi elimistön aineenvaihduntareaktioissa syntyneitä aineita sekä säätelee elimistön sisäistä tasapainoa. Suurin osa maksaan tulevasta verestä tulee ruuansulatuselimistöstä maksan porttilaskimoa pitkin.  Kun veri on kulkenut maksan läpi, se poistuu maksalaskimoa pitkin alaonttolaskimoon.

Maksa hajottaa ja muokkaa elimistölle haitallisia ja tarpeettomia aineita, kuten elintarvikkeiden sisältämiä lisäaineita, alkoholia ja ympäristömyrkkyjä. Maksan soluissa alkoholi muuttuu asetaldehydin kautta haitattomaksi etikkahapoksi. Pitkäaikainen alkoholin käyttö kuitenkin vaurioittaa maksakudosta. Se lisää rasvan kertymistä maksasoluihin. Runsaan käytön seurauksena voi kehittyä maksakirroosi. Siinä normaali maksakudos korvautuu sidekudoksella ja seurauksena on maksan toiminnan heikkeneminen. Maksan solut muokkaavat haitallisia aineita vaarattomampaan muotoon muuttamalla ne vesiliukoisiksi, jolloin ne voivat poistua munuaisten kautta.

Maksa valmistaa sappinestettä, hiilihydraateista rasvoja sekä maitohaposta ja aminohapoista glukoosia. Lisäksi maksa valmistaa ureaa aminohappojen typpiosista. Maksa valmistaa myös kolesterolia sekä joitakin hormoneja ja veriplasman proteiineja kuten fibrinogeenia.

Kolesteroli

Kolesterolia valmistuu maksassa. Sieltä se siirtyy sappinesteen mukana ohutsuoleen ja imeytyy verenkiertoon. Kolesteroli on välttämätön solukalvon rakenneosa. Sitä tarvitaan myös steroidihormonien, sapen ja D-vitamiinin  valmistamiseen. Kolesteroliin liittyy maksassa kuljetusproteiineja. LDL kuljettaa kolesterolia maksasta kudoksiin ja HDL takaisin maksaan. Jos veressä on paljon LDL- lipoproteiinia, sitä tarttuu verisuonten seinämiin. Tällöin verisuonet ahtautuvat ja jäykistyvät, jolloin verenkierto heikkenee ja seurauksena on ateroskleroosi eli valtimonkovettumatauti. Siihen liittyy lisääntynyt sydän- ja aivoinfarktin riski. HDL-lipoproteiini pystyy poistamaan kolesterolia verisuonten seinämistä.

Maksa varastoi verta, rautaa, glukoosia glykogeeniksi, A- ja B12-vitamiineja sekä elimistölle haitallisia aineita kuten raskasmetalleja.