Solu ja perinnöllisyys (BI2)

Tavoitteita

Kurssin keskeisiä tavoitteita on, että opiskelija ymmärtää solun merkityksen elämän perusyksikkönä, tunnistaa erilaisia soluja ja niiden rakenteita sekä osaa kytkeä solun kemiallisen rakenteen ja toiminnan yksilön toimintaan. Solun toiminnan ymmärtämisessä tavoitteena on, että opiskelija hallitsee solun energiatalouden prosessit ja niiden merkityksen. Lukion kemian pakollisen kurssin rakenne tukee tämän biologian kurssin opiskelua.

Taidollisissa tavoitteissa korostuu, että opiskelija tietää, kuinka soluja tutkitaan ja hallitsee kokeellisen työskentelyn taitoja. Kurssilla tulee antaa aikaa ja mahdollisuuksia harjoitella näitä taitoja. Kokeellinen työskentely on tärkeä osa biologian opiskelua ja tutkimusta. Myös lukiokursseissa on asioita, jotka voivat jäädä pääosin ymmärtämättä, jos ilmiötä ei tutkita kokeellisesti. Tällainen on esimerkiksi osmoosi.

Perinnöllisyyden osuudessa korostetaan, että opiskelija tuntee geneettisen informaation rakenteen ja periytymisen lainalaisuuksien perusperiaatteet. On huomattava, että perinnöllisyyden tiettyjä aihealueita (kuten mutaatioita ja ihmisen perinnöllisyyttä) käsitellään muissakin kursseissa. Näin tässä kurssissa keskitytään perinnöllisyyden perusteisiin, ja esimerkiksi risteytystehtäviä voidaan harjoitella lisää myös syventävillä kursseilla.

Solu elämän perusyksikkönä

Ennakkokäsitysten kartoitus
Aluksi palautetaan mieleen, mitä oppilaat tietävät solusta. Opiskelijat piirtävät kuvan solusta ja nimeävät siihen tuntemansa osat. Opettaja voi koota tiedot taululle. Tämän jälkeen pohditaan solun tutkimisen historiaa eli mitä solusta on tiedetty eri vuosisatoina.

Solujen tutkiminen mikroskoopilla
Koko kurssi voidaan aloittaa tutkimalla erilaisia soluja valomikroskoopilla. Samalla kerrataan mikroskoopin käyttöohjeet.

Työturvallisuus laboratoriossa
Selvitä, missä ovat ja miten toimivat: a. käsisammutin (ohje sammuttimen kyljessä) ja sammutuspeite, b. hätäsuihku tai lähin vesipiste, c. ensiapulaukku tai lääkekaappi. d. Selvitä hätäpoistumistiet.

Työskentelyn turvallisuus:

a. Lue työohjeet tarkasti.
b. Käytä tarvittaessa suojalaseja ja suojakäsineitä.
c. Jos mahdollista, käytä työtakkia, koska esimerkiksi väriaineet voivat sotkea vaatteet.
d. Käsittele hengitykselle vaarallisia aineita aina vetokaapissa.
e. Älä kaada myrkyllisiä aineita viemäriin, vaan niille varattuun astiaan.
f. Pese kätesi lopetettuasi laborointityöt.

Kemikaalit ja turvallisuus:

a. Varmista aina pakkauksesta, mitä aineen käsittelyssä on otettava huomioon.
b. Huolehdi kemikaaleja sisältävien astioiden asiallisesta merkitsemisestä.
c. Suojaa tarvittaessa pulpetti (esim. väriaineita käsitellessä).
d. Tutustu pakkausten turvallisuusmerkintöihin.

Opiskelijan piirros punasipulin plasmolyysistä.

Solun energiatalous

Analogia ATP-molekyylin energiasta
Selitetään ATP-molekyylin rakenne ja toiminta solujen energian välittäjänä. Mistä tahansa eliön energia onkin peräisin, se ei sellaisenaan ole soluille käyttökelpoista, vaan se on muutettava soluille käyttökelpoiseen muotoon, joka on ATP-molekyylien kemiallista sidosenergiaa.

ATP-molekyylien toimintaa voi verrata CD-soittimen akun energian siirtymiseen ja lataamiseen. ATP-molekyylin rakenne ja toiminta on hyvä käsitellä ennen energian sitomista ja vapauttamista, koska se toimii molemmissa tapahtumissa energian välittäjänä.

Valon vaikutus fotosynteesiin
Erilaisia fotosynteesin ja soluhengityksen tarkasteluun liittyviä laboratoriotöiden ohjeita on runsaasti eri oppikirjoissa ja niihin liittyvissä materiaaleissa. Lukiossa kannattaa erityisesti korostaa, että myös tuottajien soluissa tapahtuu soluhengitystä ja että pimeäreaktio tapahtuu heti valoreaktion jälkeen, eikä varsinaisesti tarkoita pimeässä tapahtuvaa reaktiota.

Laboratoriotöitä tehtäessä tulee aina tehdä työselostus. Mahdollisuuksien mukaan siihen liitetään kaikki kokeellisen työskentelyn vaiheet. Seuraavan työn voi toteuttaa myös opettajan demonstraationa.

Tarvikkeet ryhmää tai työparia kohti:

  • 6 kpl 50 ml:n keittopulloa tai muita pieniä pulloja
  • 6 kpl 600 ml:n keitinlasia
  • 1 kpl 400 ml:n keitinlasi
  • mehupilli
  • 6 lasilevyä tai muovikelmua (parafilm)
  • spriiliukoinen tussi
  • vesikasvi (esim. vesirutto)
  • bromitymolisiniliuosta (indikaattoriväri, jonka väri muuttuu pH:n muuttuessa)
  • vettä
  1. Merkitse keittopullot ja keitinlasit numeroin 1–6.
  2. Täytä 400 ml:n keitinlasi vedellä ja lisää siihen tipoittain bromitymolisiniliuosta niin, että saat liuoksesta sinisen. Liuoksen pH on tällöin noin 7,6.
  3. Laita valmistettua liuosta keittopulloihin 1 ja 6, täytä pullot kokonaan.
  4. Puhalla mehupillillä ilmaa jäljelle jääneeseen liuokseen, kunnes sen väri muuttuu keltaiseksi. Liuoksen pH on tällöin noin 6.
  5. Laita tätä liuosta keittopulloihin 2–5, täytä pullot kokonaan.
  6. Laita keittopulloihin 3–6 vesikasvin oksa. Täytä pullot kokonaan.
  7. Laita 600 ml:n keitinlaseihin 400 ml vettä.
  8. Laita kaikki keittopullot ylösalaisin omaan keitinlasiinsa. Yritä toimia niin, että keittopulloihin ei pääse ilmakuplia. Tämä vaihe on helpompi, jos suljet pullon suun pienellä lasilevyllä (aluslasin puolikas) ennen veteen laittamista ja irrotat sen, kun pullo on ylösalaisin veden alla.
  9. Peitä kaikki keitinlasit lasilevyllä tai kelmulla.
  10. Vie keitinlasit 1–3 valoon ikkunalle tai kasvilampun alle, numero 4 huonevaloon ja numerot 5 ja 6 pimeään. Laadi nyt hypoteesit siten, että tarkastelet jokaista koejärjestelyä erikseen. Piirrä kuvat keittopulloista ja niiden väreistä työselostukseesi.
  11. Tarkastele keitinpulloissa tapahtuneita värimuutoksia ja laske pulloihin muodostuneet happikuplat. Selitä tulokset. Mitä merkitystä oli keittopulloilla 1 ja 2?

Fotosynteesin tutkimiseen voi käyttää pelargoniaa. Kun kasvin lehdet peitetään foliolla, ei niissä osissa tapahdu fotosynteesiä.
Bromtymolisinen on indikaattoriliuos, jonka väri muuttuu pH:n mukaan. Sen avulla voi seurata fotosynteesiä ja soluhengitystä, koska hiilidioksidi muuttaa veteen liuetessaan sen pH:ta.

Solujen toiminnan ohjaaminen

Proteiinisynteesileikki

Näitä tarvitset:

  • kolmenvärisiä pahvilappuja (A5)
  • monistuspaperia
  • narua
  • tusseja
  1. Kirjoita DNA-molekyylin emäsosat puolikkaille monistuspapereille (3 x opiskelijoiden määrä).
  2. Kirjoita lähetti-RNA:n emäskolmikot pahvilapuille (esim. punainen).
  3. Kirjoita siirtäjä-RNA:n emäskolmikot pahvilapuille (esim. keltainen).
  4. Kirjoita aminohappojen nimet pahvilapuille. Laput voi tehdä pyöreiksi (esim. vihreä). Kaikkien tehtyjen osien tulee täsmätä DNA:n emäskolmikoiden kanssa (koodaavan juosteen vastinjuoste).
  5. Leikkaa naruista noin 60 cm pitkiä pätkiä. Laput laitetaan naruilla oppilaiden kaulaan. Tee kaikkiin pahvilappuihin reiät kiinnitystä varten.
  6. Tyhjennä luokan keskilattia. Laita itse DNA-molekyylin toisen juosteen emäsosat valitsemaasi järjestykseen. Jaa oppilaille toisen juosteen emäslaput (1/opiskelija).
  7. Opiskelijat kokoavat lapuistaan DNA-molekyylin toisen juosteen. Piirrä lattiaan liidulla DNA-molekyylin ympärille tumakotelo, jossa on aukkoja ja ribosomi jonnekin solulimaan.
  8. Yhteisesti mietitään, miten proteiinisynteesi alkaa ja kumman juosteen viereen RNA-molekyyli syntyy. Tehdään tilaa muodostuvalle RNA-molekyylille.
  9. Jaa roolit opiskelijoille: lähetti-RNA:n emäskolmikot, siirtäjä-RNA:n emäskolmikot, aminohapot. Opiskelijat laittavat roolinsa pahvilapun kaulaansa.
  10. Lähetti-RNA:n emäskolmikot muodostavat lähetti-RNA:n asettumalla seisomaan DNA:n vastinjuosteen oikean emäskolmikon viereen. Kun kaikki ovat löytäneet oikean paikkansa, he tarttuvat toisiaan kädestä.
  11. Valmis lähetti-RNA siirtyy tumakotelon aukosta solulimaan ribosomin pinnalle.
  12. Solulimassa siirtäjä-RNA:t etsivät omat aminohapponsa oppikirjan aminohappotaulukon avulla. Löydettyään oman aminohapponsa he tarttuvat aminohappoa käteen ja kuljettavat sen oikealle paikalle lähetti-RNA:n viereen.
  13. Aminohapot tarttuvat toisiaan kädestä ja muodostavat polypeptidiketjun.
  14. Mietitään yhdessä, mitä polypeptidiketjulle seuraavaksi tapahtuu.

Proteiinisynteesin ymmärtämisessä on tässä kurssissa tärkeää perusperiaatteen ymmärtäminen. Syventävissä kursseissa asiaa käsitellään lisää.

  1. Kun soluissa tarvitaan jotain tiettyä proteiinia, avautuu DNA:n kaksoisjuoste kyseisen geenin kohdalta. Lähetti-RNA muodostuu DNA:n ohjeen mukaan kopioitumalla nukleotidi kerrallaan.
  2. Lähetti-RNA siirtyy tumallisilla soluilla muokkauksen jälkeen tumakalvon aukoista solulimaan (esitumallisilla soluilla lähetti-RNA syntyy suoraan solulimaan).
  3. Polypeptidiketju muodostuu lähetti-RNA:n ohjeen mukaan, kun siirtäjä-RNA:t tuovat aminohappoja lähetin määräämässä järjestyksessä ribosomille. Aminohapot liittyvät toisiinsa peptidisidoksin. Polypeptidiketjussa on yleensä muutamasta sadasta tuhanteen aminohappoon. Näin muodostuu aminohapon primaarirakenne. Polypeptidiketju on muodostunut DNA:n ohjeen mukaan, ja vähitellen se laskostuu valmiiksi proteiiniksi.

Periytymisen perusteet

Miten ratkaisen risteytystehtävän?
Esimerkiksi.
Kaksi mustaa kania saa kuusi poikasta joista neljä on mustaa ja kaksi valkeaa. Mitkä ovat vanhempien genotyypit?

  1. Selvitä, mitä kysytään. Päättele tai tee oletus. Molemmissa tapauksissa sinun täytyy perustella vastauksesi risteytyksen avulla.
  2. Valitse kirjaimet, joilla kuvaat ominaisuuden alleeleita. Käytä dominoivasta alleelista isoa ja resessiivisestä alleelista pientä kirjainta. Merkitse ne selityksineen näkyviin. Muista käyttää aina saman geenin eri alleeleista samaa kirjainsymbolia. Mikäli alleeleita on enemmän kuin kaksi, käytä apuna numeroita (V, v1, v2)

    musta: V
    valkea: v

  3. Merkitse näkyviin, minkälaisia yksilöitä olet risteyttämässä.

    fenotyyppi:musta koiras     x musta naaras
    genotyyppi: Vv     Vv

                            
  4. Tarkista, minkälaisia sukusoluja kummallekin vanhemmista voi syntyä ja tee risteytystaulukko, johon merkitset sukusolut sekä jälkeläisten geno- ja fenotyypit.

    siittiöt V ja v  munasolut V ja v

    siittiöt?
    munasolut?
    Vv
    VVV mustaVv musta
    vVv mustavv valkea
  5. Taulukko kuvaa jälkeläisten todennäköisiä lukusuhteita kyseisessä risteytyksessä. Laita lukusuhde näkyviin.
  6. fenotyyppejä: 3:1
    genotyyppejä: 1:2:1

6. Vastaa tehtävän kysymykseen kirjallisesti. Vastauksen tulee olla yksiselitteinen ja selkeä. Apuna perusteluun tarvitset tekemääsi taulukkoa.

Koska jälkeläisten joukossa on valkeita, resessiivistä alleelia ilmentäviä yksilöitä, tulee mustien vanhempien olla heterotsygoottisia (Vv). Mustia ja valkeita jälkeläisiä syntyi lukusuhteessa 2:1 eikä 3:1 (katso taulukko. Tämä johtuu sattumasta, joka voi vaikuttaa lukusuhteisiin silloin kuin jälkeläismäärä on pieni).

Risto Hamari & Mervi Holopainen |Kuva: Mervi Holopainen