Kroppens stofskifte

Alt hvad kroppen består af, og al den mad vi spiser, er bygget op af molekyler. Alt, der sker i kroppen, kan forklares med kemi. Det er et hav af kemiske reaktioner, der får kroppen til at virke. Menneskets stofskifte er et komplekst netværk af reaktioner. For at anskueliggøre dette store netværk af reaktioner, studerer man kun små dele af stofskiftet ad gangen. Det skal dog understreges, at de enkelte reaktionsveje ikke står alene, men er en del af et kæmpe netværk af mange reaktionsveje, der påvirker hinanden.

Dette afsnit om kroppens stofskifte har fokus på den biokemiske forståelse af kost og energiomsætning.

ATP

ATP (adenosintrifosfat) er kroppens energikilde. Det er et molekyle, der indeholder meget kemisk energi, som kroppen kan bruge til at udføre arbejde, eksempelvis til at bevæge en muskel.

ATP molekylet består af et relativt stort molekyle, der hedder adenosin og af tre fosfatgrupper. Fosfatgrupperne er opbygget af grundstofferne fosfor og oxygen. ADP er et molekyle, der har den samme opbygning som ATP, men til forskel fra ATP har ADP kun to fosfatgrupper.

ATP virker som et genopladeligt batteri. Når batteriet er opladet, har det form som ATP, og når batteriet er fladt, har det form som ADP.

Når ATP bruges til energikrævende arbejde, fraspaltes den ene fosfatgruppe, og tilbage er der ADP. Dette ses på figur 2 og 3.

Figur 2. ATP og ADP

Når ADP skal ”genoplades” til ATP, skal der tilføres energi, for at ADP kan bindes til en fosfatgruppe. Denne proces ses på figur 2.

Figur 3. ATP er cellers valuta for energi. ATP kan dannes fra ADP, ved tilførsel af energi, som for eksempel udvindes ved forbrænding af næringsstoffer. 

Mitokondrier – ATP fabrikker

Mitokondrier findes inde i celler. Mitokondrierne er kroppens forbrændingsanlæg, hvor vigtige kemiske processer som f.eks. omsætning af fedt og sukker finder sted. En af mitokondriernes vigtigste opgaver er at lave ADP om til ATP.

På figur 4 ses en illustration af et mitokondrie. Et mitokondrie har to membraner, en indre og en ydre. Disse membraner virker som hinder på samme måde som cellemembraner.

Membranerne har bl.a. til formål at adskille molekyler på hver side af membranerne. På den måde blandes de forskellige molekyler ikke. Den indre membran kan selv meget små molekyler ikke komme igennem. Den indre membran adskiller matrix fra alt, hvad der ellers er i cellen. Der er derfor forskel på, hvilke enzymer og molekyler der er til stede i væsken inde i matrix, og hvad der er til stede i væsken uden for matrix.

Figur 4. Mitokondrier er organeller der findes inde i vores celler. De siges ofte at være cellens kraftværk, og har til rolle at danne store mængder ATP. 

Mangel på rent drikkevand kan løses ved hjælp af membraner

Da membraner, bestående af fosfolipider, har en unik evne til at holde molekyler adskilt, kan de bruges til at rense vand. Særlige vandtransportproteiner, der har til formål at transportere vand, kan indsættes i en fosfolipidmembran, og man kan derved få fuldstændig rent vand ved at ”si” vandet igennem membranen.

Dannelse af ATP

Størstedelen af ATP produktionen sker i mitokondrierne. ATP syntesen deles op i to dele: Respirationskæden og ATP-syntesen. Der sidder fem avancerede enzymer i den inderste mitokondriemembranen. Enzymerne sørger for at ”genoplade” ATP-batterierne. Fire af dem er aktive i elektrontransportkæden og ét i ATP-syntesen.

Respirationskæden – protonpumpen

I respirationskæden føres elektroner (e^–) fra molekylerne NADH og FADH₂, der findes inde i matrix, igennem de fire første enzymer, der sidder i membranen. I forbindelse med transporten af elektronerne pumper enzymerne protoner (H⁺-ioner) igennem den indre mitokondriemembran. Der transporteres altså protoner fra indersiden til ydersiden af den indre mitokondriemembran. Det medfører, at der er flere protoner på ydersiden af membranen end på indersiden.

Når elektronerne er ført igennem alle fire enzymer, overføres de til O₂ (oxygen), og der dannes vand. Denne proces ses på figur 5.

Hvis ikke der er oxygen til stede, vil hele respirationskæden gå i stå, og der vil derfor ikke blive dannet ATP. Da ATP er nødvendigt for alle kroppens energikrævende processer, bl.a. for bevægelse af muskler eller for hjerneaktivitet, er det vigtigt, at man får tilstrækkelige mængder oxygen.

Figur 5. Respirationskæden er den række af processer, hvor elektroner fra FADH₂ og NADH bruges til at danne en protongradient, på tværs af den indre mitokondriemembran. Processen forbruger oxygen, og danner vand.  Denne gradient kan bruges til production af ATP. 

ATP – syntese

Først når de fire enzymer har arbejdet nok til, at der er tilstrækkelig stor forskel på antallet af protoner på de to sider af den indre mitokondriemembran, begynder det femte enzym at arbejde. Det femte enzymet kaldes ATP-synthase.

På figur 6 ses en illustration af ATP-synthase, som sidder i mitokondriernes indre membran. ATP-synthase er sidste led i at lade ADP op til ATP. Dette sker, ved at der bindes en fosfatgruppe til ADP. Denne proces kræver energi. ATP-synthase får energi ved at lukke protoner tilbage fra ydersiden af membranen til matrix.

Figur 6. ATP-synthase er et enzym, der bruger protongradienten, som respirationskæden opbygger, til at danne ATP ud fra ADP. 

Molekyler kan bedst lide at fordele sig jævnt. Åbner du fx et vindue i et rum, vil oxygenmolekylerne (O₂ -molekylerne) med tiden fordele sig således, at der er samme koncentration af oxygenmolekyler ude og inde. Hvis dette ikke var tilfældet, ville man risikere, at der var dele af rummet, hvor man ikke kunne trække vejret.

Ligesom oxygenmolekylerne vil protonerne helst fordele sig, så der er samme koncentration over det hele. Når protonerne lukkes tilbage i matrix, frigives der energi, som ATP-synthasen bruger til at omdanne ADP til ATP.

Respiration

Respiration er den proces, hvor kroppen bruger oxygen (O₂) til at forbrænde sukker. Man beskriver ofte respirationen med følgende kemiske reaktionen, hvor sukker (C₆H₁₂O₆) reagerer med oxygen og bliver til vand (H₂O) og carbondioxid (CO₂).

Energien, som man får ud af respirationen er i form af ATP-molekyler. Respirationen sker ikke i ét trin, som den ellers ser ud til at gøre, hvis man tager udgangspunkt i reaktionsligningen herover. Der skal en række kemiske processer til, før sukker og oxygen omdannes til vand og kuldioxid. Disse processer kaldes glykolysen, citronsyrecyklussen og respirationskæden.

Glykolyse – nedbrydning af sukker

Glykolysen er en reaktionsvej i kroppens stofskifte, der bruger sukker til at lave ATP. Tre vigtige molekyler, som man får ud af glykolysen er ATP, NADH og pyruvat.

Glykolysen er første trin i kroppens sukkerforbrænding og efterfølges af yderligere energiomsætning.

Figur 7. Glykolysen er en række af reaktioner, der omdanner glukose (sukker) til 2 molekyler pyruvat, 2 ATP og 2 molekyler NADH. 

Pyruvat

Pyruvat er et produkt af glykolysen. Pyruvat bliver ligesom sukker omdannet i kroppen. Hvad pyruvat laves om til, afhænger af, om der er oxygen til stede.

Hvis der er oxygen til stede, kan pyruvat bruges til at danne mere ATP via reaktionsvejen, der kaldes citronsyrecyklus. Her dannes bl.a. ATP og mere NADH.

Hvis der ikke er oxygen til stede, så omdannes pyruvat til mælkesyre. Ved omdannelsen af pyruvat til mælkesyre er der ikke noget energimæssigt udbytte. Uden oxygen får man kun den ATP, der produceres ved glykolysen. Skal man udnytte sukkeret bedst muligt, er det altså nødvendigt, at der er oxygen til stede.

Tidligere har man mistænkt mælkesyre for at være årsag til ømhed i forbindelse med træning. Derfra stammer udtrykket ”at musklerne syrer til” i forbindelse med træning. Forskning tyder dog på, at det blot er en skrøne, at mælkesyren er årsagen til ømheden.

Ved høj fysisk aktivitet skal kroppen bruge mere oxygen, end når kroppen er i hvile. Dette skyldes, at kroppens forbrug af ATP er meget højt, når musklerne arbejder. Man har derfor brug for mere oxygen, så pyruvat kan bruges til at danne flere ATP-molekyler.

Citronsyrecyklus og respiration

Citronsyrecyklus er ligesom glykolysen en reaktionsvej i kroppens stofskifte. Formålet med citronsyrecyklussen er at bruge acetyl-CoA til at omdanne ADP molekyler til ATP molekyler.

Molekylet, der skal bruges i citronsyrecyklussen hedder acetyl-CoA. Acetyl-CoA kan dannes ud fra pyruvat, der er produktet af glykolysen, men acetyl-CoA kan også dannes ud fra fedt.

Når acetyl-CoA reagerer i citronsyrecyklussen dannes der ATP, NADH, FADH₂ og CO₂

Figur 8. I citronsyrecyklussen bliver pyruvat først omdannet til Acetyl-coenzym A (Acetyl-CoA), som derefter omdannes til CO₂. Cyklussen danner også NADH, FADH₂ og ATP. 

Respiration

På figur 9 ses det, at der dannes CO₂ i citronsyrecyklussen.  CO₂-molekylerne, der dannes i citronsyrecyklussen er de selv samme, som optræder i reaktionsligningen for respirationen.

Kigger man nærmere på reaktionsvejen for sukker, kan man opspore, hvor alle molekylerne fra respirationsligningen dannes. På figur 9 er molekylerne fra respirationsligningen også farvemarkerede:

Figur 9. Respiration er betegnelsen for de processer, der omdanner sukker til ATP, CO₂ og vand, ved forbrug af ilt. Omdannelsen foregår via glykolysen, citronsyrecyklussen og respirationskæden. 

Mangel på oxygen medfører, at elektrontransportkæden blokeres. Hvis dette sker, ophobes NADH og FADH₂, hvilket også hæmmer citronsyrecyklussen. Derfor kan man kun få et begrænset energiudbytte fra sukker, hvis kroppen er i underskud af oxygen. Evnen til at transportere oxygen rundt i kroppen er derfor afgørende for, hvor hurtigt man kan omsætte energi.

Forbrænding af fedt

Fedt er molekyler, som kroppen kan bruge til at omdanne ADP til ATP. Når fedt forbrændes i kroppen, får man en masse NADH og FADH₂ molekyler, som kroppen bruger til at lave ATP med. Derudover får man nogle molekyler, acetyl-CoA, som kan lave ATP ved at indgå i reaktionsvejen kaldt citronsyrecyklus. I citronsyrecyklus laves endnu flere molekyler, der kan omdanne ADP til ATP.

Det tager dog meget længere tid for kroppen at forbrænde fedt, end det tager at forbrænde sukker. For at få energi hurtigt, forbrænder kroppen derfor altid sukker, før den forbrænder fedt. Meget af det fedt man spiser, sætter sig i fedtdepoter i kroppen og bruges kun i tilfælde, hvor der ikke er sukker nok til at danne det antal ATP-molekyler, som kroppen skal bruge.

Energiholdig mad

Kosten er kroppens kilde til energi. Kosten indeholder forskellige molekyler, som kroppen kan bruge til at lave ATP med. I kosten findes bl.a. kulhydrater og fedt, som er to typer af molekyler, som kroppen kan bruge til at ”genoplade” sine ADP molekyler til ATP.

Figur 10. Fedt nedbrydes til Acetyl-CoA, som omsættes i citronsyrecyklussen. 

Kulhydrater

Kulhydrater er forskellige typer af sukker. Det er meget energirige molekyler. Der findes store mængder af kulhydrater i bl.a. frugt. Også kornprodukter, altså produkter lavet ud fra mel som f.eks. brød og pasta, indeholder store mængder kulhydrater.

Der er forskel på kulhydrater. Nogle typer af kulhydrater er hurtigere at optage end andre. Sukker fra eksempelvis cola kan kroppen optage meget hurtigt. Man får derfor meget store udsving i sit blodsukker, hvis man drikker en cola. Kulhydrater fra groft brød kan kroppen ikke optage lige så hurtigt, og udsvingene i blodsukkeret er derfor mindre når man spiser rugbrød, end når man drikker cola.

Figur 11. Fødevarer med et højt glykæmisk indeks har en større effekt på ens blodsukker. Et højt glykæmisk indeks betyder, at fødevaren kraftigt øger blodsukkeret, efter indtag. 

Et glykæmisk indeks illustrerer fødevarens påvirkning af blodsukkeret igennem 2 timer. Et højt glykæmisk indeks betyder, at fødevaren får blodsukkeret til at stige og falde igen hurtigt.

Fedt

Fedt indeholder også store mængder af energi, endda mere end kulhydrater. Fedt forbrændes langsommere i kroppen end kulhydrater. Derfor forbrændes fedt kun i tilfælde, hvor mængden af kulhydrater i kroppen ikke er tilstrækkelig til at opfylde energibehovet. Dvs. at man forbrænder fedt, når man bruger mere ATP, end det der kan dannes af kulhydraterne i kroppen.

Når fedt ikke forbrændes, lagres det i depoter, som kroppen kan bruge i situationer med lavt blodsukker. Man har lavt blodsukker, når der f.eks. er gået lang tid efter et måltid. Fedtforbrændingen er ofte høj i søvnperioder og efter fysisk aktivitet, hvor man har forbrændt mange kulhydrater.

Proteiner

Udover at kosten indeholder energirige molekyler som kulhydrater og fedt, indeholder kosten også proteiner, vitaminer, mineraler og salte, der også er vigtige for kroppens opretholdelse. 

Hvad er proteiner?

Proteiner er store molekyler, der er opbygget af lange kæder af forskellige aminosyrer. Nogle proteiner indeholder over 100000 aminosyrer, der snor sig i lange kæder. Der findes 20 forskellige aminosyrer, som er nødvendige for proteinopbygningen. Aminosyrer består af et skelet, som er ens for alle aminosyrer. Skelettet består af grundstofferne carbon (C), nitrogen (N), oxygen (O) og hydrogen (H). Udover at aminosyrer består af et aminosyreskelet, har alle aminosyrerne hver deres sidekæde. Disse sidekæder har meget forskellige kemiske egenskaber. Nogle har overskydende eller manglende ladninger, nogle er vandopløselige, og andre er fedtopløselige.

Aminosyreskeletterne passer sammen som legoklodser, og kroppen bygger sine egne proteiner ved at lave forskellige kombinationer af aminosyrer.

Proteinerne er aminosyrekæder, der folder spontant sammen. Aminosyrernes sidekæder påvirker hinanden, så proteinet folder på en helt specifik måde. De vandopløselige og fedtopløselige sidekæder ligger så vidt muligt adskilt fra hinanden, mens positivt ladede sidekæder lægger sig tæt op ad negativt ladede sidekæder.

Figur 12. Proteiner er lange kæder af aminosyrer. Proteiner kan folde sig sammen på forskellige måder, afhængigt af hvilke aminosyrer de består af. 

Som resultat af sidekædernes forskellige kemiske egenskaber, får alle proteiner en særlig tredimensionel struktur. Denne struktur afgøres af, den rækkefølge aminosyrerne er sat sammen i.

Proteiner i kosten

Det er vigtigt at få proteiner gennem kosten. Til forskel fra kulhydrater og fedt, bruges proteiner ikke som energikilde. De er i stedet vigtige byggesten for kroppen. Kroppen skal bl.a. bruge proteiner til at lave nye celler og til at opbygge muskler. Det er også vigtigt at få proteiner i kosten, da kroppen skal bruge dem til at bygge enzymer med. Enzymer er særlige proteiner, der får en række processer til at forløbe hurtigere, se nedenfor.

Når kroppen får proteiner fra kosten, nedbrydes de til enkelte aminosyrer. Kroppen kan derefter sammensætte sine egne proteiner ud fra de forskellige aminosyrer.

Vitaminer og mineraler

Vitaminer og mineraler er nødvendige for at stofskiftet kan virke optimalt. Nogle af kroppens processer virker ikke, hvis man har mangel på vitaminer og mineraler. Det kan medføre sygdomme, og i sidste ende kan kroppen ikke overleve uden de nødvendige vitaminer og mineraler.

Frugt og grøntsager er vigtige kilder til mange vitaminer. Det er derfor, at man skal spise både frugt og grøntsager.

Grundstoffet jern (Fe) er et vigtigt mineral. Findes i særligt i fuldkornsprodukter og kød. Jern er vigtigt for mange processer i kroppen. Jern er bl.a. vigtig i transporten af oxygen. Jern bliver rødt, når det kommer i kontakt med oxygen. Det er tilstedeværelsen af jern, der gør blodet rødt.

Jern er også vigtigt for respirationskæden. I flere af de enzymer, der indgår i respirationskæden, sidder der centre, der blandt andet er opbygget af jern. Disse centre er vigtige for at elektroner kan transporteres igennem enzymerne.

Kostpyramiden

Kostpyramiden er et redskab, der beskriver retningslinjer for et optimalt mængdeforhold mellem forskellige ernæringskilder. En kostpyramide er bygget op af flere lag, hvor de nederste lag er det man bør spise mest af.

Figur 13. Kostpyramiden beskriver hvordan sund kost bør sammensættes. Man bør spise mest af de fødevarer, der ligger nederst i pyramiden, og mindst af de fødevrer, der befinder sig i toppen af pyramiden.