En informativ artikel om fetter och enzymer.
Fetter och fettliknande föreningar
Beroende på deras naturliga förekomst skiljer man mellan animaliska och vegetabiliska fetter:
Animaliska fetter är till exempel fläskfett, grädde och smörfett. Dessutom innehåller alla kött- och charkprodukter cirka 5–45 % "dolt" fett. Vegetabiliska fetter är till exempel olivolja, solrosolja, kokosfett och vetegroddsolja. Vid rumstemperatur är fetter flytande eller fasta; de flytande fetterna kallas (mat)oljor.
Neutralfetter (triglycerider)
Den största gruppen av naturliga fetter består av blandningar av så kallade triglycerider, även kallade neutralfetter.
Tri = 3; varje triglycerid består av en glycerolmolekyl och tre fettsyramolekyler.
Den mänskliga kroppen lagrar fett som triglycerider i cytoplasman i fettcellerna. Den biologiska funktionen med denna lagringsform är att hålla en stor energireserv för "dåliga tider": fetter ger mer än dubbelt så mycket energi som kolhydrater (9,3 kcal per gram istället för 4,1 kcal).
En person som väger 70 kg med 11 kg fettreserver har alltså cirka 100 000 kcal (!) i form av triglycerider.
Dessutom har fettvävnad, särskilt underhudsfettvävnad, isolerings- och skyddsfunktioner.
Fettsyror är långa kolvätekedjor, vanligtvis med 16 eller 18 kolatomer. Beroende på om kolstrukturen i fettsyrorna har dubbelbindningar, skiljer man mellan
- mättade fettsyror: De har endast enkelbindningar,
- enkelomättade fettsyror: De har en dubbelbindning; samt
- fleromättade fettsyror: med två, tre eller ännu fler dubbelbindningar.
Fettsyror kan tas upp via kosten eller bildas av cellerna själva, men högst en dubbelbindning kan införas.
Fleromättade fettsyror
Fettsyror med mer än en dubbelbindning, till exempel linolsyra, linolensyra och arakidonsyra, kan inte syntetiseras av kroppen och kallas därför essentiella fettsyror; de måste finnas i kosten.
Dessa fleromättade fettsyror är livsnödvändiga för människor eftersom de utgör utgångsmaterial för bildandet av olika kroppsegna substanser. I vegetabiliska oljor (solrosolja, sojaolja, linolja) samt i fiskoljor är fleromättade fettsyror betydligt högre koncentrerade än i animaliska fetter.
Fettlöslighet och vattenlöslighet
Liksom andra syror dissocierar även en fettsyra delvis i vatten; H+-joner bildas, vilket gör lösningen sur. Dessutom bildas det så kallade fettsyraanionet. Denna molekyl förenar två motsatta egenskaper:
- Den långa "svansen" är starkt fettlöslig och dåligt vattenlöslig – den kallas lipofil (fettvänlig) respektive hydrofob (vattenavvisande).
- Det lilla "huvudet" däremot är väl vattenlösligt (hydrofil) och dåligt fettlösligt (lipofob).
På grund av dessa två motsatta egenskaper kan fettsyror emulgera lipofila ämnen, det vill säga dispergera dem i vatten. Även tvål består av fettsyror och verkar enligt samma princip.
Fettsyror som energibärare
Efter glukos är fettsyror det näst viktigaste bränslet för cellulär energiproduktion. De bildas under påverkan av hormoner som adrenalin genom spjälkning av de neutralfetter som lagras i fettceller till glycerol och fettsyror (lipolys).
Genom en upprepad sekvens av reaktioner i mitokondrierna, den så kallade β-oxidationen, förkortas fettsyrakedjan med två C-atomer åt gången, varvid NADH, FADH2 och acetyl-CoA bildas. Acetyl-CoA går sedan in i citronsyracykeln och bearbetas där vidare tillsammans med de reducerade koenzymerna. Från palmitinsyra, en fettsyra med 18 C-atomer, kan totalt 131 ATP-molekyler regenereras.
Detta visar återigen att bildandet av acetyl-CoA, citronsyracykeln och andningskedjan är övergripande metaboliska vägar som inte bara tjänar till nedbrytning av glukosmetaboliter.
Fysiologiskt sett matas inte alla acetyl-CoA-molekyler som bildas vid fettförbränning in i citronsyracykeln. En del används för syntes av så kallade ketonkroppar, som också kan användas för energiförsörjning.
Som redan nämnts, föredrar de flesta kroppsceller glukos som energikälla, men det finns undantag:
Hjärtmuskelceller och celler i njurbarken föredrar att använda ketonkroppar framför glukos. Nervceller är kända för att kunna ersätta sin föredragna bränslekälla med ketonkroppar vid långvarig glukosbrist.
Lipogenes
Som tidigare nämnts kan kroppen lagra överskottsenergi som fett. Detta gäller även för ett överskott av kolhydrater eller proteiner. Från glukos kan fett bildas i kroppen på följande sätt (lipogenes):
Från en mellanprodukt av glykolysen, glyceraldehyd-3-fosfat, bildas glycerolkomponenten i neutralfetter. Den andra komponenten, fettsyrorna, kan syntetiseras från acetyl-koenzym A.
Andra lipider
Till lipider (fetter och fettliknande ämnen) räknas förutom de beskrivna neutralfetterna även andra substanser med följande gemensamma egenskaper:
- De löser sig dåligt i vatten
- och bra i organiska lösningsmedel som kloroform eller eter.
De två viktigaste representanterna för denna grupp är kolesterol och de så kallade fosfolipiderna.
Kolesterol
Kolesterol är en viktig förening för kroppen, som dels bildas i kroppen och dels tas upp via animaliska livsmedel. Kolesterol förekommer inte i växter.
Kolesterol är
- en väsentlig del av cellmembranen,
- förstadium till steroidhormoner (se nedan) och
- utgångsmaterial för gallsyror (se nedan).
Steroidhormoner
Steroidhormoner härstammar från ett kolväteringssystem, steroidgrundstrukturen, och kan delas in efter antalet kolatomer.
De viktigaste steroidhormonerna är de så kallade adrenokortikosteroiderna hydrokortison, kortison, aldosteron och progesteron samt könshormonerna östrogen och testosteron.
Syntesen av steroidhormoner, som sker i binjurebarken och könskörtlarna, utgår från kolesterol. Deras nedbrytning sker i levern.
Eftersom steroidhormoner är lipofila tränger de in i cellen och binder där till specifika hormonreceptorer. Den resulterande hormon-receptorkomplexet når cellkärnan, aktiverar transkriptionen av specifika gener och därmed produktionen av motsvarande proteiner. Steroidhormoner är utbredda och har till exempel även hittats hos jästsvampar och högre växter.
Syntetiska steroider är
- preventivmedel (preventivmedel som undertrycker ägglossningen),
- kortison och många syntetiska kortisonderivat, de mest använda steroiderna,
samt anabola steroider som stimulerar proteinsyntesen och ges för muskeluppbyggnad. De är derivat av det manliga könshormonet testosteron. Idag används anabola steroider av elitidrottare (doping). Hälsoriskerna är mycket höga eftersom dessa steroider orsakar allvarliga fysiska och psykiska biverkningar. Internationella olympiska kommittén (IOC) förbjöd användningen av anabola steroider 1974. Många idrottare har blivit avstängda från tävlingar på grund av positiva tester.
Gallsyror
Gallsyror är steroidliknande föreningar som finns i mänsklig galla.
I leverceller bildas de primära gallsyrorna kolsyra och chenodesoxikolsyra från kolesterol, som efter ytterligare omvandling till "konjugerade gallsyror" utsöndras som levergalla i tarmen. Genom bakteriell "hydroxylering" i tarmen bildas de sekundära gallsyrorna deoxikolsyra och litokolsyra.
Gallsyror är oumbärliga för emulgering av fetter, aktivering av lipaser, absorption av fettsyror samt andra ämnen, såsom vitaminer, i tarmen. Cirka 90–95 % av de utsöndrade gallsyrorna återabsorberas i tunntarmen och transporteras tillbaka till levern via portvenen, varifrån de åter kommer in i gallan (enterohepatiska kretsloppet).
Idealiskt sett råder balans mellan intaget respektive egenproducerat kolesterol å ena sidan och utsöndrat respektive bearbetat kolesterol å andra sidan. Om denna reglering misslyckas, stiger kolesterolnivåerna i blodserum.
Fosfolipider
Fosfolipider har en liknande struktur som neutrala fetter (triglycerider). Den mest kända fosfolipiden är lecitin.
Deras viktigaste funktion är som komponenter i cellmembranen.
Proteiner (äggviteämnen)
"Allt som människan är, är hon genom sina proteiner."
Detta något förenklade uttalande visar att proteiner är av avgörande betydelse både för människans uppbyggnad och funktion.
- Människans form beror i huvudsak på proteiner, eftersom de är huvudkomponenterna i nästan alla organ.
- Som de viktigaste komponenterna i muskulaturen möjliggör proteiner människans rörlighet.
- Proteiner bildar "portarna" i varje cellmembran och säkerställer därmed cellens individualitet genom att styra ämnestransporten in i och ut ur cellen.
Dessutom är proteiner i form av enzymer avgörande för organismens funktionalitet.
Enzymerna
Ämnesomsättningen påskyndar sina reaktioner genom att använda livsviktiga hjälpämnen, så kallade enzymer (biokatalysatorer).
De är avgörande för att bygga upp komplexa biologiska strukturer i cellen och säkerställa deras ordnade funktion.
Aminosyror som byggstenar för proteiner
Proteiner består av olika aminosyror. Alla aminosyror har i princip samma grundstruktur. Ett centralt kolatom är bundet till fyra olika grupper eller atomer:
- en COOH-grupp,
- en NH2-grupp (aminogrupp),
- en väteatom
- och en variabel rest.
Genom denna rest (R) skiljer sig de 20 aminosyror som förekommer i mänskliga proteiner.
Av dessa 20 aminosyror är åtta essentiella, det vill säga de kan, likt essentiella fettsyror, inte syntetiseras av kroppen.
De måste därför tillföras via kosten. Icke-essentiella aminosyror kan kroppen däremot tillverka själv.
Till de essentiella aminosyrorna hör valin, fenylalanin, leucin, isoleucin, treonin, tryptofan, metionin och lysin. För spädbarn är dessutom arginin och histidin essentiella.
Aminosyrornas sammankoppling
När två aminosyror reagerar med varandra bildas ett dipeptid. Den bindning som bildas under vattenavspjälkning kallas peptidbindning.
Varje peptid har en så kallad fri ände där ytterligare aminosyror kan fästas.
När en tredje aminosyra fästs vid ett dipeptid bildas ett tripeptid.
När ytterligare aminosyror fästs talar man om polypeptider (poly = många).
Polypeptider med mer än 100 aminosyror definieras som proteiner. De flesta mänskliga proteiner består av 100 till 500 aminosyror.
Eftersom 20 olika aminosyror används för proteinsyntes och deras ordning är variabel, resulterar det i en enorm mångfald av olika proteiner.
För ett proteins funktionalitet, till exempel som ett enzym, är det avgörande att aminosyrakedjan viks till en tredimensionell struktur.
Man kan föreställa sig denna struktur bildligt som ett garnnystan. Om denna rumsliga struktur förloras, till exempel genom värme, förlorar proteinet sin biologiska funktion.
Så kan proteiner, även virusproteiner, göras inaktiva genom värme vid desinfektion och sterilisering. Detta kallas värmedenaturering av proteiner.
Protein- och aminosyrametabolism
Under matsmältningen bryts proteiner ner till sina byggstenar, aminosyrorna, som först transporteras till levern via portvenen.
Även i kroppen bryts proteiner ständigt ner (proteinkatabolism), vilket frigör aminosyror.
Dessa frigjorda aminosyror kan användas på olika sätt beroende på organismens behov.
För det första kan de användas för att bygga kroppsegna proteiner (proteinanabolism), till exempel vid tillväxt eller reparationsprocesser.
Dessutom kan vissa aminosyror omvandlas till andra aminosyror, beroende på vilka som saknas för tillfället.
Endast de essentiella aminosyrorna kan inte bildas genom omvandlingsprocesser, utan måste tillföras via kosten.
Enzymernas och koenzymernas nyckelroll
Varje enskild kroppscells liv är oupplösligt kopplat till otaliga kemiska reaktioner som ständigt sker i den.
Vid anabola reaktioner binds mindre molekyler till större enheter genom att nya bindningar bildas.
Sådana reaktioner är oftast kopplade till energitillförsel, som tillhandahålls av "cellbatteriet" ATP.
Vid katabola reaktioner bryts däremot befintliga bindningar, vilket frigör energi.
Denna energi används vanligtvis för att återställa förbrukad ATP.
Effektiviteten i denna energiomvandling till ATP är dock inte fullständig, vilket innebär att värme också genereras.
Anabola reaktioner har en betydande roll i byggnadsmetabolismen, eftersom de tjänar till att bygga nya strukturer.
I motsats till detta står driftsmetabolismen, som huvudsakligen sker genom katabola reaktioner.
För att metabolismen ska fungera är organiska kolväteföreningar avgörande, men de reagerar mycket långsamt med varandra.
Därför har varje cell verktyg som påskyndar nästan varje kemisk reaktionskedja: de så kallade enzymerna (biokatalysatorer).
Enzymer och koenzymer
Kemiskt sett tillhör enzymer gruppen proteiner. De ämnen som omvandlas av ett enzym kallas substrat.
Under enzymreaktionen förändras substratet kemiskt genom att nya bindningar bildas eller befintliga bryts.
Därvid bildas ett eller flera reaktionsprodukter. För ett enzyms effektivitet är dess aktiva centrum avgörande.
Detta bildas genom en speciell veckning av polypeptidkedjan som enzymet består av. Därigenom bildas en struktur på ytan som exakt passar substratet.
Precis som en nyckel bara passar i ett specifikt lås, binder även substratet endast till det aktiva centrumet för "sitt" enzym.
För att enzymer ska fungera behöver de flesta dessutom en "hjälpare", det så kallade koenzymet.
Detta är nödvändigt eftersom enzymet självt inte deltar direkt i den kemiska reaktionen, utan endast sammanför reaktionspartnerna på rätt sätt.
Endast koenzymet förändras under enzymreaktionen genom att ta upp eller avge elektroner eller atomer från substratet.
Koenzymer är oftast komplexa organiska molekyler och är i grunden inga proteiner.
Koenzymer härstammar ofta från vitaminer.
Hastigheten med vilken ett enskilt enzymmolekyl omvandlar substrat till produkter är enorm. Den kan nå flera hundratusen substratmolekyler per sekund.
Faktorer som påverkar enzymatiska reaktioner
Många enzymer arbetar inte bara med koenzymer, utan också med vissa joner som Mg2+, Fe2+ eller Zn2+. Om dessa joner saknas, påverkas enzymfunktionen.
Dessutom är kroppstemperatur och pH-värde mycket viktiga för enzymaktiviteten. Med stigande temperatur ökar substratomvandlingshastigheten för ett enzym initialt kraftigt.
Vid höga temperaturer, till exempel feber över 41 °C, skadas enzymet dock och dess proteinstruktur förstörs. Då sjunker omvandlingshastigheten nästan till noll.
Enzymfunktionen beror också på pH-värdet. För de flesta intracellulära enzymer är ett pH-värde på cirka 7,2 optimalt.
Extracellulärt arbetande enzymer, som de proteinspjälkande pepsinerna i magen, har däremot oftast ett betydligt annat pH-optimum.
Oxidation och reduktion
Enzymernas och koenzymernas arbetsmetod kan exemplifieras med två särskilt vanliga reaktionsformer i ämnesomsättningen:
- oxidation (oxidationsreaktion)
- och reduktion (reduktionsreaktion)
Man talar om oxidation när en molekyl avger elektroner. Detta sker oftast genom avgivande av väteatomer, alltså ett elektron och ett proton vardera.
En oxidation är endast möjlig om ett annat ämne tar upp de avgivna elektronerna i en motreaktion.
Upptagandet av elektroner kallas reduktion. Ofta sker reduktionen genom upptagande av väteatomer, alltså ett elektron och ett proton vardera.
Vid den ovan beskrivna oxidationsreaktionen sker samtidigt reduktionen av det involverade koenzymet NAD+:
NAD+ + 2 H– + 2 elektroner >> NADH + H+.
NAD+ (nikotinamid-adenin-dinukleotid) är ett komplext uppbyggt koenzym och härstammar från vitaminet nikotinsyra. Det spelar den viktigaste rollen i ämnesomsättningen som bärare av elektroner respektive väteatomer.
Vid den nämnda oxidationen av laktat till pyruvat reduceras koenzymet från NAD+ till NADH + H+.
Nettot är att NAD+ inte tar upp båda avgivna väteatomerna, utan ett proton och två elektroner.
Därav följer: Oxidations- och reduktionsreaktioner är oskiljaktigt sammanlänkade, man talar om redoxreaktioner.
Varje gång ett ämne oxideras, måste ett annat reduceras.
Under lämpliga förhållanden kan reaktionen också ske i motsatt riktning. Då reduceras pyruvat, alltså tar upp elektroner eller väteatomer, och NADH oxideras. Därvid avger NADH två elektroner och ett proton.
Oavsett reaktionsriktningen är den alltid bunden till ett specifikt enzym, i det nämnda exemplet till LDH (laktatdehydrogenas).
Utan detta enzym sker reaktionen extremt långsamt, och det blir ingen nämnvärd substratomvandling.
