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 30 biljoner celler har du just nu 30 000 000 000 000 000 000 000 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 (edit: tyvärr talar de också om intelligent design ...).

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.