Kroppens tre energisystem

Jag sprang långa intervaller häromdagen, 5 x 1500 meter. Syftet är att få upp farten inför jobbklassikern, men jag vill också förbättra min uthållighet inför Swiss alpine. Swiss alpine är årets viktigaste lopp.

Gå eller jogga mellan intervaller?
Jag joggade lite lätt mellan intervallerna så att cellerna inte fick tid att ladda upp ny energi. Det tränar upp uthålligheten. Om syftet med intervallerna enbart vore att öka hastigheten, då hade jag kunnat stå stilla och låta cellen ladda upp fräscht ATP och nytt kreatinfosfat.

Intervallerna tvingar nervsystemet att anpassa sig; jag försöker upprätthålla en bra löpteknik trots att jag blir trött. Löpsteget finslipas. Det produceras nya mitokondrier när jag stressar cellerna. Det skapas fler transportmolekyler som skyfflar laktat från muskler med överskott till muskler med underskott. Cellerna bildar fler enzymer som hanterar flödet av laktat, pyruvat och vätejoner. Nya blodkärl tränger genom vävnaden för att effektivare ta hand om det syre jag tuggar i mig. Det händer massor i mina celler när de anpassar sig till de utmaningar som ett intervallpass utsätter dem för och det finns inget jobbigare än att anpassa sig.

På slutet förlängs löpsteget och kroppen följer inte riktigt med. Jag kämpar för att bibehålla tekniken ända in i slutet. Ett överskott av signalsubstansen serotonin byggs upp i hjärnan när jag rusar sista biten, vilket aktiverar receptorer på några hjärnceller så att de inte längre kan generera impulser till musklerna och jag ramlar ihop när jag kommer fram. Sen ligger jag raklång och stirrar upp mot den klarblå himlen, som sakta fyllts med roterande stjärnor. En hundägare står en bit bort och ser ut att fundera på om hon ska ingripa eller om hon kanske ska springa därifrån. Jag piggnar till. Stjärnorna faller ner som snöflingor. Jag reser mig upp. Borstar bort snön och joggar hem. Krafterna strömmar tillbaka. Cellerna fylls med energi igen. Jag nickar till hundägaren när jag lunkar förbi henne. Hon ser lättad ut. Hon kanske tänker att hon nog trots allt vågar gå här i fortsättningen också.

Energi
Det kändes som om energin tog slut, men energi kan inte ta slut. När den tar slut stelnar musklerna och man dör. Det var hjärnan som skapade en känsla av att energin var slut.

För minst 13,7 miljarder år sedan skapades all energi. Den bands fast i materia, i atomer och molekyler. Människan har tre olika system för att omvandla denna energi till arbete och värme. Två av dessa är syreoberoende system och kallas ATP-kreatinfosfat och glykolys, medan ett är syreberoende och kallas andningskedjan. Dessa system bryter ner molekylbyggen av fett, kolhydrater och protein och bildar ATP, kroppens gemensamma energivaluta. Maten vi äter måste alltså göras om till ATP innan cellerna kan använda sig av energin. Det är ATP som får benen att springa och tankar att flöda genom hjärnan.

Vilket av systemen man använder beror på vad man gör. Om jag lyfter bänkpress har jag inte tid att vänta på att hjärtat ska pumpa ut blod i musklerna; jag behöver energi snabbt och då använder jag ATP-kreatinfosfat. Om jag springer långt och länge litar jag till andningskedjan. I själva verket använder man dock både syreberoende och syreoberoende system hela tiden.

Energi på kort sikt: ATP - kreatinfosfat 
ATP - kreatinfosfat är det enklaste och snabbaste systemet och det är oberoende av syretillgången. Detta system utgörs av ATP som finns redo att användas i musklerna. När ATP bryts ner till ADP genom att avge en fosfatmolekyl, frigörs energi. Detta färdiga lager räcker i någon sekund. Med hjälp av enzymer fogas sedan nytt ATP samman av ADP och kreatinfosfat. Denna energi räcker så länge det finns ett lager av kreatinfosfat. Det är därför många som tränar styrka och behöver maximera sin explosiva förmåga äter kreatin. Det kreatin man äter slår sig ihop med fosfaterna i cellerna och bildar extra mycket kreatinfosfat. Efter en kraftansträngning som räcker 7-10 sekunder är lagren dock slut. Efter den tiden saktar t o m Usain Bolt ned. Sedan krävs det mer komplicerade system för att bilda ATP. 

Diagram över energikällor, källa.

Energi på medellång sikt: Glykolys
Glykolys är det dominerade systemet för träning som varar från 10 sekunder till ungefär 2 minuter. Under glykolys bryts kolhydrater i form av glukos eller glykogen ner genom en serie kemiska reaktioner och bildar pyruvat. För varje molekyl av glukos, bildas netto två molekyler ATP. Det är ganska dålig utdelning, men det går fort. Pyruvat kan sedan antingen bilda laktat (mjölksyra) eller acetyl-koenzym A (acetyl-CoA). Acetyl-CoA används av mitokondrierna direkt i citronsyracykeln, medan laktat kan återskapas till nytt pyrovat eller fraktas till andra energibehövande ställen i kroppen, genom laktattransportörer. Laktat har omvärderats på sistone och anses numer av de flesta forskare vara löparens vän snarare än fiende. Laktat är ett utmärkt bränsle, inte en giftig restprodukt.

Energi på lång sikt: Andningskedjan
Eftersom människor utvecklats för att springa långa sträckor, är också det aeroba systemet, som är syreberoende, det mest komplexa av de tre energisystemen. Det är ett långsamt, men effektivt, system. Det pressar ut varje droppe ATP genom att vrida om molekylerna i två steg: citronsyracykeln (krebscykeln) och elektrontransportkedjan. Båda dessa system finns i mitokondrierna.

Kolhydrater metaboliseras först i glykolysen, vilket ger pyruvat som används för att bilda acetyl-CoA. Acetyl CoA utgör råvara till citronsyracykeln, som i sin tur kastar ut en ATP (dvs 2 per molekyl glukos) för varje varv den snurrar runt. Dessutom skapas vätebärare (elektronbärare) som skickar elektroner vidare i en kedja av proteiner som frigör energi i nästa system, elektrontransportkedjan. Denna energi används för att pumpa ut vätejoner från mitokondriernas inre till dess yttre membran. När vätejonerna sedan faller tillbaka in genom membranet hamras 34 nya molekyler ATP mekaniskt ihop genom ATP Syntas. Fullständig förbränning genom glykolys, citronsyracykeln och elektrontransportkedjan producerar 36 molekyler ATP för varje svald molekyl glukos. Andningskedjan alstrar alltså 18 gånger mer ATP än glykolys från varje glukosmolekyl.

Citronsyracykeln. Syren ska förstås vara syre och en proton är samma sak som en vätejon. Källa Wikipedia.

Fett är det viktigaste bränslet för andningskedjan, åtminstone om man springer riktigt långt. De kolhydrater man har brinner snabbt och enkelt, men räcker å andra sidan endast i ca två timmar om man kolhydratladdat ordentligt. Fettet räcker dock i dagar. De fettsyror som används är länkade som långa kedjor av kolatomer och skickas till mitokondrierna, där kolatomerna används för att producera acetyl-CoA. Därefter används acetyl-CoA på samma sätt som vid förbränning av kolhydrater.

Långa intervaller
Det blir mest långa intervaller på kort sikt, sedan mer backintervaller. Långa intervaller tränar i första hand andningskedjan, medan korta intervaller i högre grad tränar de snabba energisystemen. Men man bör nog träna alla system, såvida man inte är sprinter. Genom att springa fort, blir man bra på att springa fort och det gör jag om jag kör kortare intervaller ibland, som 10-20-30.

Men mitt mål är framför allt att bli uthålligare. Jag vill ju klara ultralopp, som Swiss alpine och UTMB. Därför blir det en del bergslöpning. Jag måste springa med god fart både upp och ner för berget. Det var något jag missade ifjol inför Swiss alpine. Start och målgång sker i Davos och därmed springer jag faktiskt lika mycket ner som upp och det sliter isär muskelfibrerna att springa neråt. Det är en av de största skillnaderna mellan löpning och skidor.

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.