onsdag 3 november 2010

ATP och energi

Jag fick en fråga via mail om kroppens energi och ATP och det högg en vetenskapsnörd som jag på direkt. Det kanske blir ett svårt inlägg, men om någon tycker att det är givande blir jag glad. Jag har försökt skriva enkelt och inte krångla till det i onödan.

Kroppens inre marknad
För att vi ska orka springa krävs energi och energi får kroppen i form av mat: proteiner, kolhydrater och fett. Men för att förenkla för kroppens maskineri omvandlas allt till en enhet, adenosintrifosfat, som förkortas ATP. En bra bild är att se ATP som kroppens enkronor. De fungerar i alla olika cellers standardiserade myntinkast. Man stoppar in olika mynt och sedlar och de konverteras till enkronor som ska smörja kroppens inre marknad. Det krävs enhetlighet för effektivitet och samordning. ATP driver sedan allt från våra ben till våra tankar. Utan ATP finns inga nervimpulser, inga proteiner kan byggas och våra muskler skulle frysa fast.

Varje cell innehåller vid ett givet ögonblick ca 1 miljard molekyler ATP. Eftersom en kropp består av ca 100 biljoner celler har du just nu 100 000 000 000 000 000 000 000 ATP molekyler i kroppen och de omsätts ungefär var 20:e sekund. Tillsammans väger denna massa ynka 50 gram, men vi omsätter nästan 200 kg ATP varje dag. Knappt 3000 kalorier omsätter alltså närmare 200 kg ATP!

Adenosintrifosfat (kolatomerna syns inte)   Källa:wikipedia


Bilden ovan föreställer molekylen ATP. De tre p:na som sticker ut som en pistolpipa till vänster är tre fosfatgrupper. Om man fortsätter pistolliknelsen motsvarar kolven den enkla sockerarten ribos, som också finns i vårt RNA. Hanen är adenin, en av kvävebaserna som bygger upp vårt DNA. Så ser löpningens och livets bränsle ut. Det är ingen märkvärdig molekyl, men det borde vara en del av allmänbildningen, minst lika viktigt som att veta vem som målade Mona Lisa. (Av någon anledning är dock inte naturvetenskap lika fint som humaniora och man anses korkad om man inte känner till vem som skrev Romeo och Julia; däremot är det helt ok att inte ha koll på grundläggande naturvetenskapliga lagar).

När den yttersta fosfatgruppen spjälkas från de övriga omvandlas ATP till ADP. Pistolpipan kortas av och adenosintrifosfat blir adenosindifosfat. När detta sker frigörs energi, för elektronerna hoppar från ett jobbigt till ett bekvämare energitillstånd. Det är så livets kugghjul fungerar. ATP omvandlas till ADP som sedan byggs samman till ATP igen.

Hur bildas ATP?
Vi kan titta på hur en sorts molekyl, glukos (kolhydrater), omvandlas till energi. In i cellen kommer alltså en glukosmolekyl och där möter den syre som vi andats in.

C6H12O6 (glukos) + 6O2 (syre)

Som ett resultat av cellandning kommer det ut koldioxid, vatten, energi och värme i andra ändan. Kolet har oxiderat och syret reducerats. På kemiskt språk ser output ut så här:

6CO2 (koldioxid) + 6H2O (vatten) + 38 ATP (energi) + värme

Det känner man igen som löpare. För att orka springa hårt kräver musklerna kolhydrater, vilket kräver mer tillgång till syre och att man kan göra sig av med mer koldioxid. Man andas häftigare för att dra in och pusta ut dessa ämnen. I takt med att energiproduktionen ökar stiger också spillvärmen - man blir varm - och det sympatiska systemet slås på för att sänka kroppstemperaturen genom svettning.

I slutändan har 24 elektroner lämnat kolet i glukosen och förenat sig med syre. Kolet har oxiderat och syret har reducerats och i den processen frigörs energi. (Det låter bakvänt att det som reduceras får och det som oxiderar tar. På engelska har man en bra minnesregel: Oxidation Is Losing, Reduction Is Gaining = OIL RIG)

Ungefär hälften av den energi som slits loss från glukosen blir värme, den andra hälften bildar i tre kontrollerade explosioner ATP som sedan skickas runt i kroppen för att utföra arbete som att få muskler att kontrahera och tankar att tänkas.

Steg 1: Glykolys nedbrytning av glukos
Det första steget i energiomvandlingen är glykolys och det kan ske utan närvaro av syre, det är en anaerob fas. I denna fas bildas fyra ATP. Men först kräver processen en investering på två ATP. Processen måste alltså bootas, lyfta sig själv i stövelstropparna som en dator. Det krävs en gnista för att sätta eld på bensinen.

Om man bara tittar på kolet i glukosen - det är ju kol vi eldar med - så har vi 6 kolatomer (6C) i en molekyl glukos. Dessutom har vi två ATP som sätter igång processen:

C-C-C-C-C-C + 2 ATP

Dessa sex kolatomer splittras i två delar med tre kolatomer var och den energi som frigörs är fyra ATP, vilket minus investeringen på två ATP ger två ATP netto. Slutprodukten av den anaeroba glykolysen är två molekyler med tre kolatomer var som kallas pyruvat samt fyra ATP. Dessutom har vi fått några frigjorda vätejoner (H) som lagrar sin energi i molekylen NADH. De två ATP som tände gnistan har omvandlats till två ADP.

C-C-C + C-C-C + 4 ATP + 2 ADP + 2 NADH

Om det inte finns något syre för vätejonerna att bilda vatten med hamnar cellandningen i en återvändsgränd här. Men det har kroppen löst på ett smart sätt genom att de frigjorda vätejonerna som lagrats i NADH lämnar över vätejonerna till pyruvatet som då bildar laktat (mjölksyra) i en process som kallas fermentation och därmed kan cellen fortsätta producera ATP. När syre sedan finns tillgängligt finns det nytt NAD+ som kan återta vätejonerna och föra över dem till syret. Det är en reversibel process. Det är därför vi flämtar så mycket efter en hård löpning, vi måste få in syre så att laktat kan återlämna sina vätejoner och bli pyruvat igen. Det är pyruvat som sedan utgör råvara till nästa steg i cellandningen.

Steg 2: Citronsyracykeln
Innan pyruvatmolekylerna kastas in i citronsyracykeln (även kallad Krebscykeln) spjälkar de av en koltatom vardera. Kolatomen oxiderar och lämnar processen som koldioxid. Kvar är då två molekyler som kallas acetyl-CoA med två kolatomer vardera. I citronsyracykeln slås varje acetyl-CoA (2C) ihop med oxalättiksyra (4C) och bildar citronsyra (6C) och snurrar sedan ett varv där två CO2 andas ut, två ATP bildas och frigjorda vätejoner (H) lagrar sin energi i vätebärare som NADH och FADH. Denna lagrade energin frigörs i steg 3. Sedan börjar nästa varv med de kvarvarande oxalättiksyrans fyra kolatomer som förenas med nya acetyl-CoA. 

Även protein och fett kan kastas in i citronsyracykeln sedan de gjorts om till Acetyl-CoA. De hoppar över glykolysen.

Citronsyracykeln äger rum i en av evolutionens viktigaste skapelser, mitokondrierna - cellens energifabrik. Det är mitokondrier som skapas när vi tränar hårt, förmodligen är det en stor del av nyttan med hårda intervaller. De är en anpassning till ökad metabolisk stress

Mitokondrie Källa: Wikipedia




Detta steg sker i närvaro av syre och är alltså en aerob process.

Efter steg 1 och steg 2 har vi nu netto: 4 ATP, 10 NADH och 2 FADH2. Resultatet skulle bli 38 ATP, det återstår alltså 34 ATP. Det blir en uppgift för vätejonerna (H) som bärs av NAD+ och FAD+. 

Steg 3: Elektrontransportkedjan
Detta steg kallas också andningskedjan och det är här det händer, och det sker i mitokondriernas membran. In kommer "heta" vätejoner som tillfälligt lagrats i form av 10 NADH och 2 FADH2 och som nu kastas vidare i en kedja där varje kast får vätejonerna att kallna och frigöra en gnutta energi. Denna "elström" genom proteinkomplexen driver pumpning av vätejoner från mitokondriens inre till utrymmet mellan membranen. Den spänning som uppstår används sedan för att driva det oerhört komplexa enzym som kallas ATP syntas. ATP syntas kan liknas vid en fabrik, en kvarn, där vätejonen faller ner och på vägen ner vrider den runt ett hjul som mekaniskt fogar samman tre ADP med tre fosfatjoner till tre energirika ATP-molekyler. 

De tio vätejonerna som är bundna till NADH räcker till trettio ATP, medan det energifattigare FADH2 bildar fyra ATP. Sammantaget blir det alltså 38 ATP-molekyler som kan få oss att springa och när det är gjort omvandlas det till ADP och blir råvara till ATP-fabriken igen. Det sker i varje cell, varje sekund, med en svindlande hastighet och man kan knappt stå på benen när man begrundar detta faktum.

I videoklippet nedan visas ATP syntas. I klippet talas om protoner och det är samma sak som vätejoner.





På slutet anländer syremolekyler och tar två var av de ganska nedkylda uttröttade vätejonerna i händerna och tillsammans bildar de vatten. Vatten var ju restprodukt tillsammans med koldioxid. Allt vi förbränner slutar alltså som koldioxid och vatten.

25 kommentarer:

  1. Fredrik Petersson4 november 2010 13:09

    Mycket bra skrivet. Har fått detta förklarat ett par gånger men detta är nog den tydligaste förklaringen hittills.

    Själv käkar man väldigt lite kolhydrater och vissa hävdar att citronsyracykeln är beroende av just tillförsel av kolhydrater i kosten. Andra hävdar att det behövs en extremt liten andel kolhydrater för att hålla processen igång, vilket kroppen själv kan producera utifrån protein och fett. Har du några synpunkter på detta?

    SvaraRadera
  2. Fredrik: Det känns jättebra att du uppskattade texten och att du tyckte den var tydlig och bra:) Jag var lite nervös över att inlägget var lite svårt och det är svårt att bedöma sin egen pedagogiska förmåga. Varje formel sägs halvera antalet läsare. Puh, känner mig lite lättad:)

    Äter man lite kolhydrater ställer ju kroppen om metabolismen och blir allt bättre på att utnyttja fett och fett är enerigrikt. En triglyceridmolekyl ger mer än tio ggr fler ATP är en glykosmolekyl, men kräver också mer syre för att brinna upp. Jag tror att det är bra att träna kolhydratsnålt och stressa cellerna så att de blir bättre på att utnyttja denna fettresurs, men när det är dags att tävla ska man vara uppladdad med så mycket kolhydrater som det går.

    När det gäller din fråga… Fett, kolhydrater och proteiner är avidentifierade när de står framför citronsyrecykelns port. De är alla acetyl CoA med två kolatomer som ska brinna. Så jag är lite skeptiskt till att den inte skulle snurra utan kolhydrater. Jag kan tänka mig att tanken är att det kan bli brist på oxalättiksyra som ju förenas med acetyl CoA i början av cykeln och oxalättiksyra bildas då av pyruvat som i sin tur bildas av glukos. Men jag känner mig lite skeptisk till att det skulle vara ett problem för någon vars metabolism har anpassats till få kolhydrater sedan länge. Skicka gärna en länk med resp ståndpunkt för jag har aldrig stött på den frågan förut.

    Jag vet att när det gäller hjärnan står det i nästan alla böcker att den är beroende av glukos. Men finns inte tillräckligt med glukos görs acetyl CoA om till ketonkroppar som hjärnan kan utnyttja och förmodligen blir den bättre på det ju längre tiden går, så de stämmer ju inte riktigt att hjärnan måste ha glukos.

    SvaraRadera
  3. Fredrik Petersson7 november 2010 16:01

    Tack för svaret.

    Det brukar talas om att "fettet brinner i kolhydraternas låga" vilket jag personligen ej tror på. Det är dock väldigt inarbetat hos många, speciellt i träningskretsar. Har tyvärr ingen länk till det men går man in på diverse konditionsforum brukar det alltid finnas något krig om det =)

    Har även hört om att hjärnan måste ha glykos men som du säger så fixar kroppen alternativ om det tar slut. Om man ser evolutionärt så borde hjärnan vara mer van vid att använda just ketoner som bränsle istället för glukos då sockerrika livsmedel i större mängder varit ovanligt under stora delar av vår evolution.

    Nackdelen med att läsa mycket böcker, bloggar och forum är att man glömmer bort vart man läser olika saker :) Har dock läst någonstans att hjärtats favoritbränsle är just ketoner. Ska se om jag kan luska ut vart jag läste det.

    SvaraRadera
  4. Går som sagt alldeles utmärkt att lyfta tungt och springa (långt) med Ketoner som huvudbränsle.. men vid tävling hjälper det att även ha fyllda glukogendepåer.. train low and race hard!

    Tricket är att Keto-anpassa kroppen, så man kan använda (bränslet) från de bästa av världar.

    SvaraRadera
  5. Hej!
    Jag läser just nu termin 1 på sjuksköterskeprogrammet, och sliter mitt hår för att förstå allt det här med ATP, glykolys och citronsyracykeln..och jag vill bara säga att jag är glad att jag hittade din blogg! Nu har saker och ting klarnat lite i min trötta hjärna :) Tack!

    /Alva

    SvaraRadera
    Svar
    1. Vad roligt att du hade nytta av artikeln och lycka till med sjuksköterskeprogrammet:)

      Radera
  6. Hej!
    Stort tack för denna fina beskrivning av processen!
    Jag blir ödmjuk över det arbete som läggs ned i mina celler för att driva mig framåt...
    Jag kommer att behöva läsa den många gånger, men till slut kanske det sitter.
    Mycket väl exponerat, bildligt, berättande och mer begripligt och gripbart för en som inte är fysiskt/kemiskt skolad!
    Stort tack!
    Yogamannen...

    SvaraRadera
    Svar
    1. Tusen tack för den återkopplingen:)

      Radera
  7. Hej Johan. Jag måste bara få skriva att detta är fantastiskt kul läsning. Riktigt bra faktiskt.

    Men du skriver att kroppen från energi av olika saker. "För att vi ska orka springa krävs energi och energi får kroppen i form av mat: proteiner, kolhydrater och fett" Dock så missar du Alkoholen. Jag kanske har missa den och då är det som det är.
    En annan sak är att du skriver att

    "För att orka springa hårt kräver musklerna kolhydrater, vilket kräver mer tillgång till syre och att man kan göra sig av med mer koldioxid."

    Nu kanske jag missuppfattar detta. Men är det inte så att Fett som energikälla kräver mer syre än kolhydrater och det är väl en av andledningarna till att kroppen går från "fettdrift" till "kolhydratsdrift". Rätt mig gärna om jag har fatta detta fel.

    SvaraRadera
    Svar
    1. Tack för det:) Jo nog finns det energi i alkohol, det har jag säkert skrivit om någon annanstans. Ja fett kräver mycket mer syre och därmed är det jobbigare att utvinna energin, men å andra sidan räcker den mycket längre. Exakta beräkningar på milligram utandad luft finns här:
      Vart tar fettet vägen när man tappar vikt

      Radera
  8. Bra skrivet! - Visst är det läskigt med formlerna, men i detta fall hjälpte det till att förklara och räta ut några av mina frågetecken!

    SvaraRadera
    Svar
    1. Tack, jättekul att du hade glädje av inlägget och hörde av dig:)

      Radera
  9. Du har skrivit den texten 2010 och nu är vi på 2015 och jag är säker på att elever 2020 kommer vara lika nöjda med läsningen som jag. Vill bara tacka dig för dina tydliga förklaringar. Jag går på naturvetenskapgrogrammet och detta hjälpte mig mycket.
    Hoppas du fortsätter lägga fram liknande texter som hjälper oss begripa det som låter knepigt.
    Tack återigen.
    M.

    SvaraRadera
    Svar
    1. Tack M för att du hörde av dig och kul att texterna kommer till användning och ännu roligare att du valt naturvetenskap:)

      Radera
  10. Hej!
    Det är snart 2017 och din text har alldeles nyss hjälp mig som läser till NO-lärare för yngre barn i grundskolan :) Så tack jättemycket!!!!!
    /Sandra

    SvaraRadera
    Svar
    1. Vad roligt Sandra:) lycka till med jobbet. Superviktigt jobb.

      Radera
  11. Julia Andersson19 november 2016 17:42

    Hej! Skulle du kunna förklara hur jag ska veta hur många ATP som krävs för att bilda en glukosmolekyl? och varifrån kommer energin för att bilda dessa ATP-molekyler?
    /Julia

    SvaraRadera
    Svar
    1. Hej, Julia. Eftersom en molekyl glukos har 6 kolatomer och varje varv i en växts calvincykel kräver en koldioxid (CO2) och 3 ATP så behövs 6 varv, alltså 18 ATP (egentligen behövs 12 NADPH också).

      Så svaret på a) är 18 ATP

      Energin skapades för länge sedan i solens inre då två väteatomer slogs ihop till en heliumatom och i den processen skapades en foton (solljus) som till slut lämnade solen och träffade ett grönt blad som använde energin i fotonen till att skapa ATP som sedan används för att skapa glukos.

      Så svaret på b) är solen eller fission i solens kärna.

      Radera
    2. Julia Andersson19 november 2016 20:24

      Wow, tusen tack för bra och snabbt svar!

      Radera
  12. Hejsan, jag har också några frågor om du skulle vilja hjälpa mig med dem så vore det snällt.

    Vad är det för vits med "antigibbereliner" egentligen?

    Vad händer med en växt om man toppbeskär den?

    Varför bör man inte låta en fruktskål stå precis bredvid en krukväxt?

    Hur kan det komma sig att växter som är tiotals meter höga får vatten till bladverket? Med andra ord – vilka krafter transporterar vattnet från marken, via växten och ut i luften.

    Hur kan man på rötterna se om man har att göra med en enhjärtbladig eller en tvåhjärtbladig växt.


    var tillväxer en rot?

    // William, Naturstudent

    SvaraRadera
    Svar
    1. Hej WIlliam, jag antar att antigibbereliner påverkar tillväxten negativt, att det växer sämre om man skär av toppen. Vatten kan sugas upp enligt samma princip som i ett sugrör. Eftersom vattnet avdunstar i lövverket så finns det ett sug. Dessutom finns det ett rottryck underifrån. Rötter använder kemikalier för att växa rätt. Hos 2hjärtbladiga rötter finns en huvudrot med sidorötter, hos 1hjärtbladiga en serie birötter. fruktskål och krukväxt vet jag inte.

      Radera
  13. Vad intressant, hur får man till det Irl? Vad behöver jag göra och äta för att få till det?

    SvaraRadera
  14. Otroligt intressant, får jag läsa det några gånger till klarnar det nog ännu mer.
    Nu slipper jag bli avsnäst av min doktorerade biokemist till dotter, om jag frågar varför jag kissar så mycket när jag tränar.
    Väldigt bra skrivet, fattade åtminstone grunderna, även fast mina kemikunskaper är ganska undermåliga. Det var inget som behövdes som maskinkonstruktör.
    Men som pensionär kan jag ju bättra på kemin.

    Tack för en intressant artikel.

    SvaraRadera