5.1. Organismit
Organismeilla eli eliöillä tarkoitetaan oliota, joka täyttää tunnusmerkistön, kuten kasvun, mukautu-misen, lisääntymiskyvyn sekä aineenvaihdunnan. Eliöihin luokitellaan eläimien lisäksi muun muassa kasvit, sienet, bakteerit ja aitotumaiset organismit.5
Ihmisellä tapahtuu joka sekunti tuhansia elintoimintoja, jotka perustuvat kemiallisiin reaktioihin. Ke-hon kemiallisten reaktioiden merkittävä seikka on niiden tapahtumisnopeus. Törmäysteorian mukaan reagoivien hiukkasten tulisi törmätä toisiinsa riittävällä nopeudella, oikeanlaisella suunnalla ja riittä-vällä energialla, jotta kemiallinen reaktio olisi mahdollinen. Ihmiskehossa tapahtuviin kemiallisiin reaktioihin vaikuttavat reaktioon osallistuvien aineiden konsentraatiot, kehon lämpötila, reaktio ai-neiden hienojakoisuudet ja entsyymien läsnäolot reaktioissa. Monet nopeasti vaikuttavat suun kautta otettavat lääkeaineet ovatkin pulverimaisia, suuri pitoisuuden omaavia, matala aktivoitumisenergisiä aineita, jotta kemiallinen reaktio tapahtuisi mahdollisimman nopeasti ja lääkeaine pääsisi vaikutta-maan elimistöön.2
Entsyymit ovat ihmiskehossa useimmiten proteiineja, jotka toimivat katalyytteinä. Entsyymeissä on aktiivinen kohta, mihin reagoivat aineet pystyvät kiinnittymään. Substraatit pystyvät hajoamaan tai yhdistymään muodostaen reaktiotuotteita. Entsyymit pystyvät sitoutumaan vain tiettyihin substraat-teihin.15 Erilaiset entsyymit ovat tarkkoja pH-arvoista, koska rakenne entsyymiproteiineissa muuttuu herkästi, jos pH-arvon vaihtelee pienimuotoisestikin. pH-arvon vaihtelun seurauksena substraatin si-toutuminen entsyymiin voi estyä. Soluissa oleelliselle toiminnalle tärkeiden proteiinien, esimerkiksi proteiinihorminien aktiivinen rakenne riippuu pH-arvoista. Ihmisellä on tämän seurauksena muodos-tunut moninaisia puskurisysteemejä suojellakseen elintoiminnoille tärkeitä soluja sekä elimiä.5 Veri on erinomainen esimerkki puskuriliuosta. Veressä on ominaisia puskurikapasiteetteja, jotka pys-tyvät estämään pH-arvojen muutoksia, joilla on vaikutus elintärkeisiin elintoimintoihin. Veressä eräänä puskurisysteeminä toimivat (R17) hiilihappo (𝐻2𝐶𝑂3) ja vetykarbonaatti (𝐻𝐶𝑂3−). Tämä pus-kurisysteemi voi toimia emäksenä, että happona. Jos vereen tulee emäksistä ainetta, silloin hydroniu-mionit neutraloivat ja tasapainottavat pH-arvot. Hapon päätyminen vereen puskuriliuoksen (𝐻𝐶𝑂3−) neutraloi sen aiheuttaman muutoksen.5
25
𝐻2𝐶𝑂3(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂(𝑙) ⇌ 𝐻𝐶𝑂3−+ 𝐻3𝑂+(𝑎𝑞) (R17) Veressä toisena puskurisysteeminä on epäorgaaninen divetyfosfaatti-ioni (𝐻2𝑃𝑂4−), joka toimii hap-pona ja sen vastinemäs on vetyfosfaatti (𝐻𝑃𝑂42−). Veren luontainen pH-arvo on 7,4, josta huomataan, että veri on hieman emäksistä. Sen seurauksena veressä on noin 1,6 kertainen määrä vetyfosfaattia enemmän, kuin divetyfosfaattia. Veren puskurikapasiteettiominaisuus liittyy myös hemoglobiinimo-lekyyliin. Hemoglobiinissa on heikkoja happoja sekä niiden vastinemäksiä.5
Biokemiallisissa tutkimuksissa käytetään usein puskuriliuoksia, jotka suojelevat tutkittavia ja herkkiä näytteitä pH-arvon muutoksilta. Teollisesti pH:n mittauksissa käytetään tunnettuja puskuriliuoksia pH-mittareiden kalibrointiin. Tällöin mittarit mittaavat pH-arvot realistisesti. Monissa lääkkeissä, ku-ten aspiriini särkylääkkeessä (asetyylisalisyylihappo) on merkintä puskuroitu. Lääkkeet ovat pusku-roitu, jotta lääkkeen liuetessa elimistöön, ei kehon ominainen pH-arvo muutu veressä eikä elimis-tössä, vaikka lääke olisikin itsenään hapan tai emäksinen.2
Entsyymit ovat biologisia katalyyttejä. Entsyymit alentavat katalyytin tavoin aktivoitumisenergiaa katalyytin tavoin. Entsyymeillä on kaksi toimintaperiaatetta. Entsyymi pitelee substraattia siten, jotta sen sidoksien asennot ovat paremmassa asennossa transitiotilaan siirtymiseen. Entsyymi saavat tuo-tua substraatteja toisiaan lähemmäksi, jonka seurauksena entropia laskee ja aktivoitumisenergia ma-daltuu.3
Inhibiittorit ovat aineita, jotka hidastavat tai estävät kokonaan kemiallisia reaktioita. Inhibiittorit vä-hentävät entsyymien katalyyttistä aktiivisuutta. Inhibiittorit pystyvät sitoutumaan substraatin paikalle (kuva 6) aktiiviseen kohtaan tai muuntamalla aktiivisen kohdan muotoa. Entsyymien tervettä toimin-taa elimistössä voivat hidastoimin-taa tai estää täydellisesti kompetetiiviset inhibiittorit. Esto voi olla irre-versiibeli eli palautumaton tai reirre-versiibeli eli palautuva reaktio. Irreirre-versiibelit inhibiittorit muuntavat entsyymejä pysyvästi estyneeseen tilaan. Reversiibeli esto poistuu, kun entsyymin ympäristöstä pois-tuu toiminnalle haitallinen inhibiittori.20
Kuva 6. Entsyymin toimita kilpailevalla ja ei-kilpailevalla estäjällä.
Lääkeaineiden yhteisvaikutukset tulee tuntea ennen toisen lääkeaineen aloittamista. Yksi lääkeaine voi olla kompetitiivinen inhibiittori, kilpaillen samoista cyp-entsyymeistä toisen vaikuttavan lääkeai-neen kanssa. Uhrilääkkeeksi kutsutaan lääkeainetta, jonka toiminta estyy cyp-enstyymissä. Kyseinen uhrilääke ei pysty poistumaan ihmisen elimistöstä normaalilla tavalla, joten uhrilääkkeen pitoisuudet kertyvät elimistössä ja vaikutukset voivat olla haitallisia ja arvaamattomia. Kun cyp-entsyymin voit-tanut inhibiittori poistuu elimistöstä, alkaa uhrilääkkeen poistuminen elimistöstä normalisoitumaan.
26
Lääkeaineet tulisi toimia, ettei toisen lääkkeen vaikutus perustu aiemmin käytetyn lääkkeen entsyy-missä vaikuttavaan aktiiviseen kohtaan, vaan muualle entsyymiin (kuva 6). Syöpätutkimuksissa on havaittu, että inhibiittorien läsnäolo ja toiminta elimistössä voi paljastaa varhaisen vaiheen syöpäso-lut.Tämän takia lääkkeiden yhteisvaikutukset voivat olla vaarallisia ja nykyteknologia sekä tietotai-dot ovat saavuttaneet pitkälle kehitettyjen tutkimusten pohjalta hyvän tietoverkon eri lääkeaineiden yhteisvaikutuksista.18
Ei-kilpailevaa estäjästä käytetään myös nimitystä nonkompetitiivinen inhibiittori. Yleensä nonkom-petitiivisien inhibiittorien rakenne ei muistuta ollenkaan substraatin rakennetta. Nonkompetiitivinen inhibiittori kiinnittyy, ettei niiden (kuva 6) kiinnittyminen haittaa substraatin toimintaa. Tällöin aktii-visien kohtiin pääsemisestä ei muodostu kilpailua.16
5.2. Ekosysteemi
Luonnossa esiintyy mitä monimuotoisempia ekosysteemejä, mitkä ovat elintärkeitä erilaisille elämän muodoille. Ekosysteemi eli luonnon järjestelmä tarkoittaa elävien eliöiden ja elottomien tekijöiden yhteinen kokonaisuus rajatulla alueella, esimerkiksi luola tai niitty. Valitettavasti ekosysteemien mo-nimuotoisuus on jatkuvasti vähentynyt. Syitä tälle ovat muun muassa ilmastonmuutos, maatalouden tehotuotantojärjestelmä ja metsien, vesistöjen sekä maaperän liiallinen hyväksikäyttö.16
𝐶𝑎𝐶𝑂3(𝑠) + 𝐶𝑂2(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂(𝑙) ⇌ 𝐶𝑎2+(𝑎𝑞) + 2𝐻𝐶𝑂3−(𝑎𝑞) (R18) Turistikohteina laajojen tippukiviluolastojen kattoon ja pohjalle muodostuu tippukiveä. Tippukivi-luolastoja esiintyy alueilla, joiden maaperä on huomattavan kalkkipitoinen. Tippukivet muodostuvat tasapainoreaktion (R18) mukaisesti. Luolaston pohjalle muodostuvaa pylväsmäisiä kalkkikivettymiä kutsutaan stalagmiiteiksi. Kattoon muodostuvista tippukivistä käytetään nimitystä stalaktiitti.17 Tippukiveä muodostuu sadeveden reagoidessa maaperän hiilidioksidin kanssa, samalla muodostaen hiilihappoa. Ilman pieneliöitä maaperässä ei olisi korkeampaa hiilidioksidipitoisuutta ympäröivään ilmaan verrattuna. Muodostuva hiilihappo liuottaa maaperän kalkkikiveä ja vapautuva kalsium- ja bikarbonaatti-ionit pääsevät kulkeutumaan syvemmälle maaperään. Osa liuenneista ioneista pääsee veden haihtumisen mukana luolaston kattoon muodostaen saostumaa. Tämän seurauksena kalsium-karbonaatti pääsee uudelleen jähmettymään katossa olevaksi stalaktiitiksi.17
27
Kuva 7. Tippukiviluolasto.18
Typpilannoitukset lisäävät maaperän happamuutta, jolloin maaperässä vetyionien määrä kasvaa. Vil-jelymaat Suomessa omaavat tavanomaisesti pH-arvoja 4,5 − 7,0 välillä. Useimmat viljeltävät kasvit viihtyvät parhaiten pH-arvon ollessa 6,0 − 7,0. Happamimmilla viljelysmailla kasvit eivät kasva op-timaalisesti ja omaa maaperälle tyypillistä kuohkeutta. Tämä johtuu myös eliöistä, jotka eivät pärjää happamissa olosuhteissa. Liian happamilla mailla voidaan nostaa pH-arvoja kalkitsemalla maaperää, tällöin kalkki korvaa maaperän vetyionit kalkkikivellä neutraloiden hapanta maaperää.19
Vesi esiintyy luonnossa kaikissa kolmessa olomuodoissaan, kiinteänä, kaasuna ja nesteenä. Vedellä on kolmoispiste, joka on tasapainotila, missä kaikki olomuodot esiintyvät tasapainossa toisiinsa näh-den. Vedellä kolmoispiste on lämpötilan arvolla 273,16 𝐾 (0,01 𝑜𝐶) ja paineen ollessa 611,73 𝑃𝑎 (0,006 𝑏𝑎𝑟), tämä kolmoispiste on hyvin tarkka lämpötilan - ja paineen arvoista. Pienet-kin muutokset muuntavat kolmen olomuodon tasapainotilasta veden pelkästään yhteen olomuotoon.20 Sadeveden normaali pH-arvo on alle 6. Saastuneemmilla alueilla, jossa sadeveden pH-arvo menee alle 5,6, kutsutaan kyseistä sadetta happosateeksi, koska satanut vesi on huomattavasti happaman puolella. Tämä johtuu ilmansaasteista, jotka happamoittavat sadevettä. Tällöin hiilidioksidi (𝐶𝑂2) liukenee sadeveteen muodostaen hiilihappoa, joka luokitellaan heikoksi hapoksi. Ilmansaasteet muo-dostuvat osittain teollisuudessa typpi- ja rikkipäästöistä sekä fossiilisia polttoaineita poltettaessa.
Happosateet ovat yleistyneet teollistumisen seurauksena, jolloin luonnon ekosysteemit kuihtuvat, koska ne ovat optimoituneet toimimaan normaalilla sadevedellä.19
28 5.3. Oskilloiva reaktio
Oskilloivan reaktion teorian kehittivät venäläiset Boris Belousov ja Anatol Zhabotinsky. Heidän mu-kaansa oskilloivasta reaktiosta käytetään nimeä Belousov-Zhabotinsky-reaktio (BZ-reaktio).19 Oskil-loiva reaktio demonstroi systeemiä, joka ei ole saavuttanut tasapainotilaa. Reaktion lähtöaineiden ja tuotteiden konsentraatiot muuttuvat ajan funktiona jaksollisesti, muodostaen aaltoliikemäisen vaihte-lun. Vastaavanlaista rytmillistä aaltoliikettä voidaan havainnollistaa sydämen sykkeenä.21
Oskilloivaa reaktiota voidaan havainnollistaa demonstraatiotyönä, missä valmistetun liuoksen väri vaihtelee sykleissä värittömästä, oranssinsävyihin noin 20 sekunnin sykleissä. Demonstraatiossa as-tiaan laitetaan 22,7 𝑚𝑙 vettä ja 2,3 𝑚𝑙 väkevää rikkihappoa. Tämän jälkeen annetaan liuoksen sei-sahtua ja hetken jäähtyä, koska reaktio on lämpöä vapauttava. Tämän jälkeen jäähtyneeseen liuokseen laitetaan 270 𝑚𝑔 malonihappoa ja 242 𝑚𝑔 kaliumbromaattia. Lopuksi lisätään 55 𝑚𝑔 mag-naani(II)sulfaattia samalla magneettisekoittimen sekoittaessa (R19) kokonaisliuosta. Tämän jälkeen alkaa värinmuutokset, jotka havainnollistavat oskilloivasta reaktiosta.21
3𝐶𝐻2(𝐶𝑂𝑂𝐻)2(𝑎𝑞) + 4𝐵𝑟𝑂3−(𝑎𝑞) → 4𝐵𝑟−(𝑎𝑞) + 9𝐶𝑂2(𝑔) + 6𝐻2𝑂(𝑙) (R19) Oskilloivia reaktiota tapahtuu luonnossa eläimillä sekä eliöillä hyvin erilaisin tavoin, mutta saman kemiallisen reaktiotyypin mukaisesti. Teoriantiedon mukaan leopardin täplät kehittyvät sen sikiövai-heessa oskilloivan reaktion mukaisesti, jotka näemme aikuisilla leopardeilla. Samankaltainen reaktio tapahtuu näkinkenkien raitojen muodostumisessa.22
Keltaisen limamaisen sienen voi havaita luonnossa ja myöhempänä tarkastelu aikana voi huomata, että keltainen limasieni on liikkunut. Limasienet elävät huomaamatonta elämää luonnossa ja puutar-hoissa, kuten lahojen kantojen tai kaatuneiden puunrukojen pinnoilla. Limasienet voivat kasvaa muu-tamasta millimetristä mitasta jopa neliömetrin kokoiseksi, jonka takia ne ovat helppo tunnistaa huo-miovärinsä takia.2
Keltainen limasieni eli suomenkieliseltä nimeltään paranvoi (Fuligo septica) peittää kirkkaankeltai-sella limallaan alueita luonnossa muodostamillaan limakoilla eli plasmodioleillaan. Kun ruoka lop-puu elinpaikalta, amebat vapauttavat kemikaalia signaalina muille kokoontua yhtenäiseksi möykyksi, josta muodostuu monisoluisia klimppejä, jotka liikkuvat suotuisemmille elinpaikoille. Uusilla elin-paikoilla se muodostaa itiöitä, jotka siirtyvät eteenpäin ravinteikkaimmille alueille. Kokoontumisen alkuvaiheessa on selkeästi erottuva rakenne, mikä muistuttaa oskilloivasta reaktiosta, jossa aineet diffuntoituvat geelin lävitse.2
29