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:)

Vart tar fettet vägen när vi tappar vikt?

De senaste åren har jag läst om flera olika metoder för att gå ner i vikt, men jag har fortfarande inte hittat en enda korrekt beskrivning av viktnedgång. Tvärtom. Oftast är det ren kvasivetenskap och moderna sagor om hur man blir smal och lycklig. Jag får intrycket att de flesta tror att kilon lämnar kroppen som energi och försvinner i ett mystiskt moln av kalorier eller kilojoule - det tycks vara den vanligaste förklaringen. Men enligt E=mc² skulle några kilos övervikt som omvandlades till energi räcka till att försörja en mindre stad i flera tusen år (den värme som bildas motsvarar i verkligheten någon miljondels gram). Det kan alltså inte vara energi och inte heller värme som vi tappar. Andra säger att det är fett som vi tappar, men jag har vare sig sett fett eller kalorier samlas i golvhörnen i gymmet eller längs motionsslingorna. Fast fett är ändå ett ganska bra svar, för fett är massa och när vi tappar vikt, då tappar vi massa. Kilon är massa. Men hur tappar vi massa? På något sätt måste massan ut ur kroppen. Massa består av handfasta atomer och det är atomerna som vi måste flytta någon annanstans.

Fetmans fysik
Tänk dig en kropp lindad i plast. Om kroppen ska kunna förlora någon massa, måste massan på något sätt passera genom plasten. Så säger lagen om massans bevarande. Byter vi liknelsen med plast mot en riktig kroppsyta finns det fyra sätt för massan att passera ut genom ytan:

1. avyttring (hud, hår, naglar och sånt)
2. olika typer av utsöndringar (det man gör på en toalett)
3. svettning
4. utandning

Punkt 1 är försumbar och kan strykas. Det enda sätt vi märker det på är att det bildas damm där det finns människor. Dammet under sängen består mestadels av kroppens avyttringar.

Punkt 2 är också försumbar. Det mesta är sånt som går rakt genom kroppen som fibrer och annat osmältbart material tillsammans med några miljarder döda bakterier. Det enda som egentligen tar sig ut ur kroppen denna väg är lite kolesterol. Det som kommer ut genom bakdörren har aldrig varit inne i kroppen, som jag skrev om i ett tidigare inlägg. Det är en trevlig tanke.

Då återstår bara punkt 3 och 4. Det är de punkterna som påverkas av motion och hur vi äter, alltså när vi går ner i vikt. På något sätt andas vi ut och svettas ut fettet. För att förstå detta måste vi först förstå vad fett är och vad massa är, alltså vad fettmassa är.

Lagen om massans bevarande

Massa är i grunden en bunt atomer och fett är således också en bunt atomer. En bunt atomer bildar i sin tur olika molekyler som t ex fettsyror och glycerol. En molekyl glycerol med tre fettsyramolekyler kallas för triglycerid och består av 55 kolatomer, 98 väteatomer och 6 syreatomer, eller C₅₅H₉₈O₆. Kroppsfettet är uppbyggt av den sortens syrefattiga triglycerider. För att gå ner i vikt måste vi göra oss av med dessa atomer på något sätt. Enligt lagen om massans bevarande finns det lika många atomer före som efter en viktnedgång, de finns bara på andra ställen. Atomer kan inte försvinna. För att ta sig ut ur kroppen måste atombuntarna först styckas upp i mindre delar och det sker i mitokondrierna. Den kemiska formeln för fettförbränning ser ut så här:

C₅₅H₉₈O₆ + 76O₂ → 55CO₂ + 49H₂O + ATP

Fett + syre → koldioxid + vatten + energi

För att förbränna dessa fettatomer måste vi andas in 76 molekyler syre och av det bildas 55 molekyler koldioxid och 49 vattenmolekyler och en massa energi i form av ATP som vi kan springa, hoppa och tänka med. Det är lika många atomer på båda sidor om pilen, eftersom kroppens processer följer naturlagarna. Koldioxiden binder sig sedan till hemoglobin och fraktas till lungorna där det andas ut, medan vattnet flämtas, kissas och svettas ut.

Fettet blåser ut genom näsan
Det går inte en dag utan att man kan läsa om en kändis som tappat vikt. Jag läste nyligen att Leif GW Persson gått ner i vikt igen. För några år sedan följde han LCHF och nu följer han 5:2. Enligt honom själv har han gått ner 5 kilo tack vare 5:2 dieten. Han har alltså tappat 5 kilo fettmassa. Hur har Leif GW blivit av med denna massa? Eftersom vi känner till fettets kemiska formel är det bara att räkna: Atommassan för kol är 12, för väte 1 och för syre 16 (avrundat). Den sammanlagda atommassan för C₅₅H₉₈O₆ blir därmed: (55 x 12) + (98 x 1) + (6 x 16) = 854. Syret binder till kol i form av koldioxid (CO₂) och till väte i form av vatten (H₂O). Alltså binder 4 av syreatomerna till kol, vilket ger (55 x 12) + (4x16) = 724 och 2 syreatomer binder till väte, vilket ger atommassan 98 + 32 = 130. Den massa vi tappar består således av 724/854 = 85 % kol och 130/854 =15 % väte. Tillsammans med de syreatomer vi andas in försvinner alltså 85 % av fettet som koldioxid och 15 % som vatten. Leif GW pustade ut 4,25 kilo kol genom näsan och svettades resp andades ut vattenånga på 0,75 kilo. Det är inget vi ser, men när det är kallt kan man se att vi andas ut ett moln av vattenånga och koldioxid. Vi går alltså upp i vikt genom munnen och ner i vikt genom näsan (om man inte andas med öppen mun, vilket man inte bör göra).

Hur mycket vikt kan man tappa på en dag?
Hur mycket kol andas vi ut? Enligt Daltons lag för partialtryck kan utandningsluften innehålla högst 4,4 % koldioxid. Eftersom en vanlig utandning är på ca 500 ml, rymmer den luften maximalt 22 ml koldioxid. Densiteten på koldioxid är 1,98 g/liter, vilket ger en vikt på 0,04 gram koldioxid per utandning. Eftersom vi andas i snitt 9-14 gånger per minut och lite mindre på natten, andas vi ungefär 17 000 gånger på ett dygn. 17 000 utandningar à 0,04 gram ger 680 gram koldioxid, varav 12/44 är kol och det ger 185 gram kol. Det är ganska exakt så mycket kol vi äter i form av kolhydrater, fett och protein på en dag. För att gå ner i vikt måste vi minska antalet kolatomer som vi lagrar i kroppen och det kan man bara göra genom att äta färre kolatomer eller andas ut fler kolatomer. När man tränar bryts fett ner och oxideras och för att få syre (76O₂) till förbränningen andas man djupare och häftigare. Det kanske kan ge en viktnedgång på något hekto per dag, förutsatt att man inte kompenserar genom att äta mer och träning leder till ökad aptit. 

När man läser att folk går ner ett kilo per dag handlar det om att man minskat på kroppens vatteninnehåll; många dieter är vattendrivande och leder till snabb viktnedgång till en början. Men för att bli av med fettet måste man andas ut det och man kan inte andas ut mer än 0,01 gram kol (0,04 gram koldioxid) per andetag. Även dieter måste följa naturlagarna. Vikten styrs av kolatomer in och kolatomer ut. Naturlagarna är långsamma men obevekliga och jag tror mer på en diet som lovar en viktnedgång på högst ett kilo i månaden än på en diet som lovar fem kilo i veckan. För att tappa fem kilo måste man dels i stort sett avstå från att äta kolatomer, dels andas ca 50 000 gånger om dagen. Det verkar inte sannolikt. När man räknar på saker kan man se vad som verkar sannolikt och vad som verkar mindre sannolikt, men bantningsbranschen räknar nog inte med det och jag tror faktiskt inte heller att de riktigt fattar det. Kanske kan detta inlägg så en del frö av tvivel hos en och annan. Jag hoppas det. Jag hade varit mer positiv till bantningsbranschen om den kunde visa på konkreta resultat, men det enda som blir tunnare är bantarnas plånböcker.

Livets cirkel
Det mänskliga kroppsfettet förvandlas till koldioxid och koldioxiden tar växterna hand om för att med hjälp av solljus skapa energirika kopplingar mellan kolatomerna, det vi kallar socker. Sedan äter djur och människor detta socker och det vi inte genast förbränner blir fett igen. All energi som vi springer med kommer alltså från solen, som fick sin energi från Big bang som fick sin energi från ingenstans.

Jag består av en stor bunt atomer som jag en gång i tiden har ätit och druckit. Jag är summan av mina matvanor. Om 10 år är alla atomer i mig utbytta mot andra atomer, men atomer är lika varandra och jag hoppas jag är mig lik. Lagen om massans bevarande försäkrar mig dessutom att dessa atomer kommer att hänga med i minst 10^³⁵ år till. Det är inte mina atomer och det är inte jag, jag har bara lånat dem en stund av universum och jag är mer som en flodfåra som atomerna strömmar igenom. Floden är sig ganska lik men vattnet är alltid nytt.

Puh, det var ett krävande inlägg med många siffror som jag hoppas hamnade rätt (och jag hoppas jag inte skrämde bort alltför många med alla formler). Nu kan jag andas ut mina 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 atomer och när jag andas in följer troligtvis några atomer med från de sista andetagen från var och en av alla människors som någonsin funnits. Allt hänger ihop, utom bantningsbranschen.


PS
Uppdaterat detta inlägg på Hjärnfysikbloggen