Allting hänger ihop

Ju mer man lär sig, desto lättare är det att lära sig nya saker eftersom allt hänger ihop. Det är inget mystiskt. Allt hänger ihop, för allt har ett gemensamt ursprung. Man kan välja vilken yttring av livet som helst för att bevisa det, som t ex blodet, andningen och hjärnan.

Blod och järn
Blodet består av blodkroppar. I varje blodkropp finns miljontals proteiner som kallas hemoglobin. I mitten av varje hemoglobin finns en järnatom. När du andas in syre från atmosfären binder dessa järnatomer syret till sig och fraktar syret till kroppens vävnader.

Blodflöden.

Blodets järn kommer från stjärnorna. Järn är stjärnaska. När en massiv stjärna brunnit upp återstår endast stjärnaska. Allt järn som finns i din kropp kommer från några få massiva stjärnor som exploderat och spridit sin aska i universum. Det skedde för mer än fem miljarder år sedan. Det var ungefär då vår sol tändes av gravitationen. Solen fångade upp järn och andra grundämnen som kväve, kol och syre från döda stjärnor. Förutom solen skapades planeter, däribland jorden. I begynnelsen var jorden täckt av stjärnaska.

Andning och syre
Det gick inte att andas på jorden. Atmosfären bestod av 80 procent kväve och 19 procent koldioxid. Endast anaeroba bakterier som levde utan syre kunde överleva. 

För omkring 2,5 miljarder år sedan uppfann cyanobakterierna fotosyntesen. De utnyttjade solens energi och använde koldioxid för att skapa sig själva och som restprodukt bildades syre. Detta syre fångades upp av järnet i haven och på marken. Jorden blev roströd som Mars. När allt järn rostat började syre samlas i atmosfären. För nästan en miljard år sedan bildade syret ett skyddande ozonlager. Växtcellerna tog cyanobakteriernas fotosyntes - kloroplaster - och djurcellerna tog bakterier - mitokondrier - som använder syre för att skapa energi. Djuren tog syret och gav i från sig koldioxid och växterna tog koldioxiden och gav i från sig syre. 

Människans kosmiska roll är att andas, att i utbyte mot syre ge växterna koldioxid.

Kosmos och atomer
En människa består av 7x10^27 atomer. En atom består av protoner med en livslängd på 10^32 år och elektroner med en livslängd på 10^28 år. I jämförelse med universum som funnits i 13,8^9 år är våra atomer odödliga.

Omkring 98 procent av alla våra atomer byts ut under ett år. Efter tio år är varenda atom utbytt. Varje dag tar våra kroppar in 1,05 kg materia, 2,5 kg vatten och 0,8 kg luft. Det motsvarar ca 7 procent av kroppsmassan. På två veckor tar vi alltså in hela vår kroppsmassa. Det betyder att 7 procent av dig är borta i morgon. Det motsvarar en av dina armar. Men du är inte de atomer du består av. Du är mönster i en kosmisk väv.

Till vänster en bild av hjärncell och till höger en bild av universum.

Hjärnan och mening
På vår breddgrad virvlar jorden runt sin egen axel med ca 800 km/h. Luften rör sig alltså över jorden på några dagar. Syret du andas in skapades i en stjärna för över fem miljarder år sedan. Sedan bröts syret loss från andra atomer i en växt, kanske på andra sidan jorden för bara en vecka sedan. Du kan i din tur föda en blomma med koldioxid på andra sidan jorden om några dagar.

En femtedal av allt syre som du andas in fraktas av blodets järnatomer till hjärnan. Hjärnan används för att bygga modeller. Den förutspår framtiden. Hjärnor har upptäckt och modellerat galaxer och supernover, neuroner och hemoglobin. Hjärnan gissar vad som ska hända. Just nu gissar hjärnan nästa ord i den här texten och jag kan hoppa några ord eftersom den fyller i tomrum och spakar odrning i kaos.

Hemoglobin - ett fantastiskt protein

De flesta vet nog att hemoglobin är ett protein som finns i blodet och som sköter den livsviktiga syretransporten. Det är ju helt avgörande när man springer. Men som allt annat i kroppen är det så mycket mer än det. Det är komplext och inte lätt att beskriva i enkla ord, men jag ska göra ett försök.

Järnet håller syret
Hemoglobin består av fyra subenheter. Varje subenhet har i sin tur varsin heme-grupp med en järnatom i mitten. Det är järnatomen som håller fast och transporterar syre - det är en av anledningarna till att vi behöver järn. Järnatomen sitter fast i heme-gruppen som sitter fast i resten av hemoglobinmolekylen. Det är järnet som ger blodet dess röda färg.

Hemoglobin fraktar fyra syremolekyler.

När blodet pumpas förbi lungorna är det hemoglobinets uppgift att fånga upp syre och föra det vidare till musklerna. Hemoglobinmolekylen är dock inte särskilt sugen på syre, för den befinner sig i ett inaktivt läge. Hemoglobin kan anta två olika former: en aktiv R-form då syre binds lätt och en inaktiv T-form då den ogärna binder till syre. Syretrycket är dock så högt i lungorna att syret tvingar sig på hemoglobinmolekylen. När en syremolekyl bundit sig till en av subenheterna, förändras den till den aktiva formen. Denna förändring ökar sedan sannolikheten att de övriga subenheterna blir aktiva, vilket leder till snabb syresättning av blodet.

BPG - nyckeln till blodets dörr
När vi börjar springa alstras energi genom en process som kallas glykolys. Den består av tio reaktioner. I en av reaktionerna bildas en tillfällig molekyl som kallas 2,3-bisfosfoglycerat (BPG). Allt BPG används dock inte i reaktionen. En bråkdel släpps fri av det ansvariga enzymet. Ju mer man använder musklerna, desto mer glykolys och följaktligen också mer BPG. När blodet når de arbetande musklerna, binder sig BPG till blodets hemoglobin. Det leder till att hemoglobinet inaktiveras och släpper av syre. Tack vare BPG hamnar därmed syret i närheten av de arbetande musklerna. Cellerna offrar således lite energi för att utnyttja BPG som en signal till kroppen att öka flödet av syre dit det behövs. Cellerna är fantastiska.

BPG passar perfekt i hålrummet i hemoglobinmolekylen och låser fast det i inaktiv T-form så att syre avges.

I musklerna finns proteinet myoglobin som är bra på att ta upp och lagra syre, men det är inte lika bra på att släppa ifrån sig syre. Myoglobin tar upp syre som släpps från hemoglobin, men släpper bara ifrån sig syre när koncentrationen av syre är mycket låg. När musklerna jobbar hårt och får brist på syre släpper alltså myoglobin ifrån sig syre och det är ju då syre behövs. Perfekt!

Myoglobin binder syre där hemoglobin släpper det. Vid t ex pO2=20 så släpper hemoglobin nästan allt syre, medan myoglobin syremättas till 90 procent.

När hemoglobinmolekylen lämnar musklerna är den fastlåst i den inaktiva formen av BPG. Den kan inte ta upp syre, bara ge ifrån sig syre. På väg till lungorna avger dock hemoglobin BPG när celler - som utnyttjar de energirika bindningarna i BPG - greppar tag i det. Om hemoglobin vore fastlåst i sin inaktiva form skulle det inte kunna ta upp syre i lungorna, nu är det förvisso i inaktivt men inte fastlåst av BPG längre. Bara syrehalten är tillräckligt hög så kommer syret att binda till hemoglobin igen och de kortlivade blodcellerna pumpas vidare ytterligare ett varv i kroppen.

Andningens alkemi
När celler omvandlar fett och glukos till energi bildas koldioxid, som på något sätt måste ut ur kroppen. Ett obegripligt blixtsnabbt enzym som heter karbanhydras (varje enzym skapar en miljon bindningar i sekunden!) bildar kolsyra av vatten och koldioxid. Kolsyran spjälkas sedan i bikarbonat och protoner, vilket sänker pH-värdet och det sänkta pH-värdet fungerar också det som en signal till hemoglobinmolekylen att släppa ifrån sig syre. Eftersom hemoglobinet är inaktivt och stängt för syre, kan det ta med sig koldioxid i form av protoner och bikarbonat ut till lungorna igen där karbanhydras återbildar det till koldioxid som vi kan pusta ut.

Anledningen till att vi andas hårt när vi springer är att vi måste buffra syran som bildas av koldioxid och därmed motverka att pH-värdet sjunker. Det är alltså inte i första hand behovet av syre, utan tvånget att andas ut koldioxid, som driver andningen. Den bästa bufferten är bikarbonat. Bikarbonat binder till en proton för att producera vatten och koldioxid. Om vi inte andas ut koldioxiden tillräckligt snabbt, omvandlas koldioxid tillbaka till protoner och bikarbonat. Det sjunkande pH-värdet bidrar då till att vi tappar alla krafter och springer in i väggen. Det är inte mjölksyra som ger surt blod, utan försurningen följer av hur vi skapar energi i musklerna. Det är andningen som reglerar balansen. Vi har sensorer som ständigt kontrollerar vårt blod och talar om för hjärnan när man ska öka andningen och vädra ut koldioxiden. De är mycket mer känsliga för en ökning av koldioxid i blodet än för en minskning av syre. Allt hänger på andningen och allt hänger på BPG och syret hänger på järnet och allt hänger ihop.

Rökare har dock svårt att hänga ihop i långa lopp. Deras celler skapar mycket mer BPG, vilket låser fast hemoglobin i sin inaktiva form så att de inte kan ta upp syre. Rökning ökar också mängden kolmonoxid med mellan 3-15 gånger. Eftersom kolmonoxid binder till hemoglobin 250 gånger bättre än syre, leder det till att blodet fungerar sämre som transportör av syre och koldioxid. Det är en bra anledning till att sluta röka. Andningen kommer att gå lättare och då orkar man mycket mer.

Snön försvann
Eftersom snön smälte bort i slutet av året så har det inte blivit så mycket skidor. Jag har däremot sprungit 70 km den här veckan och det är mer än jag brukar. Det känns lätt att springa just nu. Jag ska inte ge något nyårslöfte, men minnesgoda läsare kanske minns att jag lovade att skriva en bok både 2013 och 2014. Det kanske är dags att göra slag i den saken nu när nya dörrar har öppnats.

Nästa vecka kommer årets första nummer av Runners World och från och med det numret är jag med och bidrar med en krönika om löpning och vetenskap. Jag ska dessutom börja blogga på Runners Worlds hemsida inom kort, det är en chans att nå fler läsare och som skribent vill man framför allt att människor ska läsa och ta till sig det man skriver, även ganska krångliga inlägg om biokemi:)