42195 meter biokemi

Transcription

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