42195 meter biokemi
idrottens kemi/augusti Artikeln ingår i en serie med anledning av att 2011 är Kemins år, utlyst av FN. Tidigare artiklar i serien finns på www.kemivarldenbiotech.se och på www.kemi2011.se 42195 meter biokemi (Av Ulf Ellervik, professor i bioorganisk kemi, Lunds universitet) Ett maratonlopp är ett tufft test av människokroppens molekylära motor. Här får vi följa författarens och löparens väg från start till mål. P aris visade sig verkligen inte från sin bästa sida, men trots att vädret var kallt och ruggigt, dallrade luften av värme från de 35 000 löpare som stod och väntade. Det var tidig morgon, den 10 april 2005, och jag skulle snart springa mitt första maraton. Vi tar oftast vår kropp för given men under ett maratonlopp sätts allt på sin spets, så snör på er löparskorna och följ med på en lång och stundtals tämligen plågsam tur genom biokemins fascinerande värld. Jag var givetvis en smula spänd inför drygt 4 mils löpning och min kropp sva- 44 rade genom att frigöra adrenalin från binjuremärgen. Adrenalin är ett hormon som förbereder kroppen för flykt genom att öka blodflödet till hjärtat och musklerna och samtidigt öka frisättningen av glukos från kroppens förråd av glykogen. Adrenalinet gör det lätt att springa men det är samtidigt otaktiskt att göra av med kroppens lättillgängliga, dyrbara energi för tidigt i loppet. De flesta biologiska processer drivs av en molekyl som heter adenosintrifosfat, som oftast förkortas ATP. Eftersom adenosintri- fosfat hela tiden bildas och bryts ner, använder kroppen varje dag mer än sin egen vikt i ATP. För att vi ska kunna röra oss krävs det att våra muskler kan dra ihop sig vilket, rent kemiskt, är en ganska komplicerad process. Musklerna består av muskelfibrer, som är flerkärniga, avlånga celler. Muskelcellerna innehåller så kallade muskelfibriller som i sin tur är uppbyggda av flera olika proteiner där aktin och myosin är de två viktigaste. När startsignalen går skickar hjärnan en signal till skelettmusklerna i benen och frigör kalciumjoner som gör att myosin kemivärlden Biotech med Kemisk Tidskrift. Nr 7-8. Augusti 2011 syret för att effektivt använda glukos. Istället tar kroppen till en slags nödfunktion som kallas för anaerob metabolism där glukos bryts ner till mjölksyra. För varje glukosmolekyl frigörs direkt två ATP. Mjölksyra ger alltså snabbt energi men så fort vi fått upp flåset går kroppen över till den mer effektiva aeroba metabolismen som frigör hela 36 ATP per glukosenhet. Under ett normalt lopp kommer dock kroppen utnyttja båda typerna av metabolism. Ibland, kanske i en uppförsbacke, räcker inte syret riktigt till och då bildas mjölksyra istället. ATP. Kroppen använder varje dag mer än sin egen vikt i adenosintrifosfat. binds till aktin. Myosin är laddat med en ATP-molekyl och när den binder till aktin frigörs energin och den främre delen av myosinet vinklas, vilket fortplantar sig som en rörelse i muskelcellen. Om det nu finns tillräckligt med energi binds en ny ATP-molekyl till myosin och proceduren upprepas. Det hela kan liknas vid en kuggstång. Finns det bara tillräckligt med ATP kan vi fortsätta springa under mycket lång tid. Å andra sidan, om mängden ATP minskar får musklerna svårare att jobba och benen blir tunga. När vi dör upphör produktionen av ATP helt och musklerna stannar i sin spända form vilket brukar kallas för likstelhet. När vi börjar springa används först den ATP som finns i fri form i muskeln. Dessutom finns ett förråd av kreatinfosfat, en molekyl som blixtsnabbt kan omvandlas till ATP. Tillsammans har vi ungefär 2 gram av dessa molekyler - vilket ger 5 kcal energi. Vårt förråd av ATP och kreatinfosfat räcker i omkring 10 sekunder vilket motsvarar maratonloppets första 80 meter. Egentligen har vi ganska gott om energi i kroppen men nästan allt är lagrat i form av kolhydrater, fett och protein. Det mesta av kolhydraterna i kroppen är bundet i form av glykogen, en makromolekyl med upp till 30 000 glukosenheter. När ATP och kreatinfosfat tagit slut börjar kroppen därför förbränna glukos som frigörs från glykogenet. Problemet är att det tar omkring två minuter för hjärtat och lungorna att uppnå sin fulla kapacitet och fram till dess räcker inte När kroppen anpassat andningen till löpningen kommer mjölksyran ganska snabbt omvandlas till energi och undersökningar med radioaktivt inmärkta substanser har visat att den faktiskt bryts ner snabbare än glukos - under förutsättning att det finns gott om syre. Mjölksyran hämmar också den vanliga metabolismen vilket gör att den fungerar som en slags broms så att vi inte tar ut oss för mycket. Att den anaeroba metabolismen är sämre än den aeroba syns tydligt i elitlöparnas maratontider där de oftast springer snabbare på den andra halvan av loppet jämfört med den första. I 2011 års Boston Maraton gick kenyanen Geoffrey Mutai in som segrare på den otroligt imponerande tiden 2.03.02. Hans tid på första halvan var 1.01.58 medan andra halvan var nästan minuten kortare, 1.01.04. Under långa tider trodde man att det var mjölksyra som var orsaken till träningsvärk och till stor del bygger denna missuppfattning på en serie försök som nobelpristagaren Otto Meyerhof gjorde i början av 1900-talet. När man skickar ström genom grodlår drar musklerna ihop sig och man kan få benen att röra sig - trots att grodan är död. Meyerhof observerade att grodlåren bara kunde fås att röra sig en handfull gånger och han upptäckte att det bildades stora mängder mjölksyra. Hans tolkning var att mjölksyran gav muskelutmattning. Det var först på 70-talet som forskarna upp- täckte att detta inte var riktigt sant - en timme efter ett lopp finns ingen mjölksyra kvar i musklerna. Träningsvärk, eller fördröjd muskelvärk som det officiellt heter, brukar istället öka i styrka för att nå en topp efter ett eller ett par dygn. Man vet ännu inte exakt hur värken uppkommer men undersökningar från Umeå Universitet visar att det är en del av uppbyggandet av muskeln snarare än ett inflammatoriskt svar på muskelskador. Träningsvärk uppstår framförallt när musklerna måste jobba i bromsande rörelser, det vill säga utan att kunna dra ihop sig. Det är därför värken blir värre när vi springer nerför en backe än uppför. När vi blir utmattade är det svårare att undvika rörelser som ger träningsvärk och de flesta maratonlöpare får kraftig träningsvärk. Dagen efter loppet var Paris fyllt med människor som med ömmande lårmuskler gick baklänges i trapporna. Några minuter efter start var min aeroba metabolismen i full funktion och under de kommande milen, i huvudsak genom Bois de Vincennes, lunkade jag på med i snitt fem minuter per kilometer. Strax efter halva loppet formligen flög jag fram i något som på engelska kallas för ”runner’s high” - endorfinerna slog till. 1975 publicerade två forskargrupper, oberoende av varandra, artiklar kring kroppsegna substanser som verkade ha en opiumliknande, smärtlindrande effekt. Eftersom de bildades i kroppen döptes de till endorfiner (endogenous morphine). Förutom vid smärta verkar endorfiner spela en viktig roll vid skratt, sex och inte minst vid fysisk träning och precis som med morfin kan vi bli beroende av endorfiner. En träningsnarkoman är alltså beroende av endorfinkicken efter ett hårt träningspass. Efter 45 minuters hård löpning utsöndrar kroppen endorfiner som motsvarar 10 milligram morfin – en normal smärtstillande dos. Tyvärr varade inte mitt endorfinrus särskilt länge. Trots att jag åt socker vid varje station under loppet kom den berömda väggen efter ganska exakt 30 km. I vanliga fall har vi omkring 400 g glykogen i Kolhydratladdning nästan fördubblar glykogenmängden i musklerna. kemivärlden Biotech med Kemisk Tidskrift. Nr 7-8. Augusti 2011 45 idrottens kemi/augusti skelettmusklerna och därtill ytterligare 100 g i levern. Eftersom de flesta personer använder 60-65 kcal för att springa en km räcker kroppens glykogen, som motsvarar 2000 kcal, till lite drygt 3 mils löpning. När glykogenet tar slut får kroppen gå över till andra energikällor. Vi har omkring 7-8 kg protein i kroppen vilket motsvarar 30 000 kcal. Det är energi nog för att springa nästan 50 mil men problemet är att alla proteiner i kroppen är funktionella och protein används därför helst inte som energikälla. Vid ett långdistanslopp kommer trots det omkring 5 procent av energin från nedbrytning av protein. Det är istället fett som blir den viktigaste energikällan. Jag har själv ungefär 8-9 kg fett vilket motsvarar 80 000 kcal, energi nog för att springa från Malmö till Skellefteå. Då kan det väl inte vara så svårt att jogga runt lite i Paris? Det är tyvärr bara en mindre del av fettet, omkring 300 g, som ligger insprängt i musklerna och därmed är lättillgängligt för kroppen under ett maratonlopp. Trots att fett egentligen ger mest energi per viktsenhet krävs det också mycket syre för att omvandla det till energi och när syret inte räcker till sjunker ATP-nivåerna Löparen kan förlora flera liter vätska per timme. drastiskt och benen blir som trästockar. Ett sätt att undvika detta är att kolhydratladda. Med en genomtänkt kost kan man nämligen nästan dubblera mängden glykogen i musklerna. Samtidigt binds också 2 kg vatten, något man har nytta av under själva loppet. Vätskeförluster är nämligen en annan anledning till att det är jobbigt mot slutet av ett maraton. Så fort hudens temperatur går över 37°C börjar vi att svettas eftersom svettning är ett mycket effektivt sätt att bli av med värme. Vi kan förlora flera liter vätska varje timma, vätska som måste ersättas om vi inte ska riskera värmeslag. Det är dock inte helt självklart vad man ska dricka för att ersätta den förlorade vätskan. Vanligt vatten är helt klart det bästa alternativet vid kortare pass men eftersom vatten inte smakar så mycket har de flesta människor svårt att dricka tillräckligt mycket för att ersätta förlusterna. När vi svettas förlorar vi även en hel del salt och under ett långt lopp är det bäst att dricka någon form av sportdryck som ger både salt och socker. Sportdryck brukar innehålla 6-8% kolhydrater och har dessutom en syrlig smak som gör det enkelt att dricka mycket. Det är dock bäst att undvika fruktjui- ce under ett maratonlopp eftersom den innehåller mycket fruktos. Problemet med fruktos är att vi har en begränsad förmåga att ta upp fruktos i tunntarmen. Den fruktos som inte tas upp transporteras vidare till tjocktarmen där den dels minskar vattenupptaget, vilket ger diarré, och dels omvandlas av bakterier till gaser av olika slag, främst koldioxid, metan och vätgas. Omkring 40 procent av befolkningen i västländer har därtill en minskad förmåga att ta upp fruktos, snarlikt laktosintolerans, som ger extra besvärliga magproblem. För min egen del tog glykogenet slut precis i höjd med Eiffeltornet. Det var nästan overkligt. Som en blixt från klar himmel blev benen blytunga. Det handlade inte längre om löpning utan bara om att övervinna smärtan från benen och de sista 12 kilometrarna var plågsamma med en snitthastighet på drygt 6 minuter per kilometer. Efter 3 timmar 47 minuter och 54 sekunder stapplade jag dock över mållinjen. Att biokemi kan vara så plågsamt!. kb Joule eller kalori SI-enheten för energi är joule (J). Trots det används oftast enheten kalori (cal) för näringsinnehåll i mat och följaktligen för den energi som krävs för olika fysiska aktiviteter. I talspråk används ofta felaktigt ordet kalori i meningen kilokalori (kcal). 1 kcal = 4,18 kJ. Ca 60 kcal går åt för att springa 1 kilometer. 46 kemivärlden Biotech med Kemisk Tidskrift. Nr 7-8. Augusti 2011
© Copyright 2024