9789144114859 by Smakprov Media AB

Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och studenters begränsade rätt att kopiera för undervisningsändamål enligt Bonus Copyright Access kopieringsavtal, är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller Bonus Copyright Access. Vid utgivning av detta verk som e-bok, är e-boken kopieringsskyddad. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman eller rättsinnehavare. Studentlitteratur har både digital och traditionell bokutgivning. Studentlitteraturs trycksaker är miljöanpassade, både när det gäller papper och tryckprocess.

Art.nr 6109 ISBN 978-91-44-11485-9 Upplaga 6:1 © Författarna och Studentlitteratur 1996, 2017 studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund Illustrationer: Niklas Hofvander där inget annat anges Omslagslayout: Francisco Ortega Omslagsbild: Thomas Lundeberg Printed by Interak, Poland 2017

INNEHÅLL

Förord 7 Varför fysiologi? 9 1 Fysiologins kemiska och fysikaliska grunder 11

Kemiska grundbegrepp 11 Organiska föreningar 12 Kroppsvätskornas sammansättning 22

2 Celler och vävnader 27

Cellens delar 27 Vävnader 33 Cellens energiutnyttjande 45 Celldöd 48 Cellers kommunikation och reglering 48 Hormoner och neurotransmittorer 49 Intracellulär signalering 49

3 Nervceller och synapser 53

Nervsystemets organisation 53 Nervcellens elektriska egenskaper 57 Synaptisk transmission 68

4 Autonoma nervsystemet 73

Det autonoma nervsystemets två huvuddelar 75 Synaptisk transmission i det autonoma nervsystemet 76 Reglerfunktioner i hypothalamus 78

5 Endokrina funktioner 83

Allmänna principer 83 Thyreoidea 89 Parathyreoidea 91 Pancreas 91 Binjurarna 95 Kön 97 Könskörtlarna 98

I n ne h å l l

6 Sensoriska system 101

Allmän sinnesfysiologi 101 Hudsinnet 106 Balansorganet 112 Hörselorganet 119 Syn 129 Smak 139 Lukt 141

7 Smärta 145

Nociceptorer 145 Aktivering av nociceptorer vid vävnadsskada 145 Neurogen inflammation: sensoriska fibrers roll vid vävnadsskada och inflammation 146 Sensoriska nervfibrer som förmedlar nociceptiva impulser 147 Omkoppling av nervsignaler i ryggmärgen 147 Centrala nociceptiva banor, hjärnstam och thalamus 151 Hjärnbarken 152 Gliaceller 153 Smärtans kontrollsystem 154 Nociception i olika organsystem 158 Neuropatisk smärta 159 Långvarigt smärtsyndrom 162 Psykogen smärta 163 Klassificering av smärta och sjukdom 163

8 Muskulatur 165

Skelettmuskel 165 Hjärtmuskel 182 Glatt muskel 184

9 Motorik 187

Muskelreceptorer 187 Motorisk kontroll 191 Motorik på spinal nivå 194 Motorik som styrs från hjärnstammen 200 Cerebellum 202 Basala ganglierna 204 Cortex cerebri 206 Motoriska bansystem 209 Kontroll av muskeltonus 211

10 Nervsystemets högre funktioner 213

Hjärnbarkens uppbyggnad 213 Metoder att studera den levande hjärnan 214 Limbiska delar av hjärnan och deras betydelse för emotioner 215 © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

I nnehåll

Vakenhetsgrad och sömn 217 Tolkningsfunktioner och associativa funktioner 219 Tal- och skrivförmåga 221 Inlärning och minne 222 Abstrakt tänkande, medvetande 229 11 Blod 231

Blodplasma 231 Blodkroppar 232 Hemostas 234

12 Hjärta och cirkulation 237

Rytmgivare och hjärtats retledningssystem 238 Hjärtats pumparbete 244 Metoder för att undersöka hjärtfunktion 251 Blodcirkulation 252 Blodtryck 255 Blodtrycksreglering 260 Regional blodcirkulation 263 Cirkulatorisk anpassning 266 Bestämning av arbetsförmågan 268

13 Respiration 271

Andningsmekanik 273 Lungvolymer 275 Gasutbytet i lungorna 277 Gastransport i blodet 281 Andningsreglering 283 Andning vid förändrad yttre miljö 285

14 Njurar och urinvägar 287

Njurarnas och urinvägarnas anatomi 287 Njurfunktioner 290 Urinblåsan och urinering 295 Reglering av den extracellulära vätskevolymen 297 Syra–basreglering 300

15 Digestion 303

Viktiga komponenter i födan 303 Mag–tarmkanalens uppbyggnad och innervation 305 Munhåla, svalg och matstrupe 306 Magsäcken 307 Tunntarmen 309 Pancreas 312 Levern 312 Tjocktarmen 314

I n ne h å l l

16 Immunsystemet och försvar mot patogener 319

Ospecifikt försvar 319 Specifikt försvar: immunreaktioner 325

17 Kroppens energibalans 335

Energibalans 335 Energiomsättning 337 Energiutnyttjande hos olika organ 339 Svält 343 Fetma 344

18 Arbets- och träningsfysiologi 347

Arbetsfysiologi 347 Inaktivitet och träning 351 Uthållighetsträning 352 Styrketräning 355 Träningseffekter på olika vävnader 357

19 Stress 361

Fysiologiska reaktioner vid kortvarig och långvarig stress 362 Stressreaktionernas reglering 362 Störningar orsakade av långvarig och negativ stress 364 Strategier att hantera stress 366

20 Åldrandets fysiologi 367

Fysiologiskt åldrande 367 Cellulärt åldrande 368 Organsystemens åldrande 368 Hormonella förändringar 369 Hud och hår 370 Muskler 370 Nervsystemet 371 Sinnesorganen 372 Cirkulationssystemet 373 Respirationssystemet 374 Njurar, lever och digestionskanal 375 Åldrande och kost 376 Åldrande och motion 376

Underlag till illustrationer 377 Sakregister 379

FÖRORD

Målsättningen med vår lärobok i fysiologi är att förklara hur människo kroppen fungerar, från funktionen hos enstaka celler och organ till de mer komplexa processer som vi utnyttjar i våra liv. Vi klargör också några kemiska och fysikaliska grundbegrepp som är väsentliga för att förstå grundläggande fysiologiska funktioner. Vår strävan har varit att göra framställningen så rak och klar som möjligt och undvika detaljer som inte är nödvändiga för förståelsen. I den här upplagan har vi uppdaterat och kompletterat det tidigare materialet samt ändrat dispositionen inom och mellan kapitlen för att ge ett tydligare sammanhang. Ett antal nya illustrationer har tillkommit. Vi tackar studenter och kollegor för den mycket positiva återkopplingen och värdefulla synpunkter på de tidigare upplagorna, som har stimulerat oss till att slutföra arbetet med den sjätte upplagan. Stockholm i december 2016 Författarna

VARFÖR FYSIOLOGI?

Det finns runt hundratusen miljarder (1014) celler i vår kropp. Alla dessa härstammar ursprungligen från en enda äggcell. När spermien befruktat äggcellen sker ett mycket stort antal celldelningar så att ett foster bildas. Under fosterstadiet sker en differentiering, specialisering, av cellerna så att en del utvecklas till lungceller, andra till sinnesceller, muskelceller, njurceller osv. I de specialiserade cellerna sker ständigt en mängd processer som är helt nödvändiga för att vi ska överleva, från kontroll av de fortsatta celldelningarna till kraftproduktion och grundläggande minnesfunktioner. Celler av ett visst slag organiseras till fungerande organ och vävnader, som svarar för kroppsfunktioner som andning, syn och hörsel, rörelse och urinutsöndring. Såväl de enstaka cellernas funktion som funktionen hos kroppen som helhet utgör fysiologiska processer. Ordet fysiologisk betyder ”i enlighet med organismens krav”, dvs. något som är rätt och naturligt för den friska kroppen. Fysiologi är läran om de normala livsprocesserna och är grunden för att förstå hur människokroppen fungerar. Kunskapen om de fysiologiska processerna är också helt avgörande för att förstå varför skador och sjukdomar uppstår och vilken inverkan de kan ha på individen. Vad som menas med ”liv” är svårt att ent ydigt beskriva men det finns några egenskaper som kännetecknar liv, exempelvis förmåga till energi omsättning (upptag av näring och utnyttjande av denna), tillväxt och förökning. Varje levande cell har dessa egenskaper och sedan tillkommer specialiserade egenskaper hos differentierade celler såsom kontraktion, produktion och

utsöndring av vissa ämnen, transport av syre och fortledning av elektriska signaler. För att celler ska kunna fungera på normalt sätt ställs krav på deras omedelbara omgivning; denna måste vara noggrant reglerad med avseende på temperatur, salthalt, viktiga näringsämnen och syre m.m. Under utvecklingens lopp har naturen därför utvecklat ett flertal kontrollsystem som ser till att vår inre miljö hålls i det närmaste konstant, så kallade homeostasmekanismer. Kontrollen förutsätter kommunikation mellan olika delar och olika organ i kroppen. Den övergripande kontrollen sköts av två system: nervsystemet och det endokrina (hormonella) systemet. Individen måste för att överleva kunna anpassa sig på bästa sätt till omgivningen. Detta ställer en rad krav: den måste finna föda, reglera sin temperatur, undvika fiender, interagera med andra individer av samma släkte och finna individer av motsatt kön för fortplantning. Interaktion med omgivningen kan bara ske om individen uppfattar signaler från omgivningen och detta är en av nervsystemets viktigaste uppgifter. De yttre hoten mot vår överlevnad kommer framför allt från bakterier, virus och parasiter. Vår kropp har utvecklat generella försvarssystem mot dessa, av vilka immunsystemet och inflammatoriska reaktioner är de viktigaste. För förståelsen av enskilda cellers funktion är det viktigt att känna till något om de kemiska ämnen som bygger upp cellerna, hur näringsämnen är sammansatta och kan brytas ned, hur salter är fördelade i kroppsvätskorna m.m. Boken inleds därför med ett kapitel som

Va r f ö r f ys i o lo g i?

går igenom några grundläggande kemiska och fysikaliska principer och kroppsvätskornas sammansättning. Därefter följer ett kapitel som

beskriver våra cellers och vävnaders struktur och basala funktioner.

Fysiologins kemiska och fysikaliska grunder

Kemiska grundbegrepp ATOMER

Materia är uppbyggd av byggstenar, atomer. Olika atomer skiljer sig åt genom kärnans massa och laddning samt antalet elektroner som omger kärnan. Ämnen som förekommer i naturen är i regel uppbyggda av flera olika atomslag, det vill säga de är kemiska föreningar. Endast i undantagsfall förekommer ämnen av enhetlig sammansättning, grundämnen. Atomens kärna är uppbyggd av positivt laddade protoner och oladdade neutroner. Bägge dessa partiklar har massan 1 Dalton (Da). 1 Da

motsvarar 1 u = atommassenheten = 1,67 × 10–27 kg. Summan av antalet protoner och neutroner ger atomvikten (masstalet). Antalet protoner ger kärnans laddning (atomnumret). Ett grundämne har alltid ett bestämt antal protoner. Antalet neutroner kan däremot variera; atomer med samma antal protoner men olika antal neutroner kallas isotoper. De flesta grundämnen förekommer som en blandning av olika isotoper. Exempelvis förekommer kol (C) som 12C (6 protoner och 6 neutroner), 13C (6 protoner och 7 neutroner) och 14C (6 protoner och 8 neutroner). Runt atomkärnan kretsar negativt laddade

Tabell 1.1 Viktiga grundämnen i kroppen. Grundämne

Atomnummer

Symbol

% av kroppsvikten

Syre

Kol

Väte

Kväve

Kalcium

Fosfor

Kalium

0,4

Svavel

0,3

Natrium

0,2

Klor

0,2

Magnesium

0,1

1 F ysi o lo g i n s k e m i sk a och fys ik al is k a g rund er

elektroner i olika banor eller skal. Laddningen hos protoner och elektroner har motsatt tecken men är till beloppen exakt lika stora. Denna laddning kallas enhetsladdning. I en atom är antalet protoner och elektroner lika stort, vilket medför att en atom utåt inte har någon laddning. Cirka 25 grundämnen är nödvändiga för att vi ska kunna leva. Syre, kol och väte är de vanligast förekommande och utgör tillsammans cirka 94 procent av kroppsvikten. KEMISK BINDNING

De elektroner som befinner sig längst bort från kärnan kallas valenselektroner. Kärnan utövar minst kraft på dessa elektroner och de kan därför lättast påverkas av andra atomer. Antalet elektroner i det yttersta elektronskalet kommer därför att bestämma atomens kemiska egenskaper. Elektronerna i det yttersta skalet kan förflyttas eller delas mellan olika atomer varvid kemiska bindningar uppkommer. Man kan skilja på två huvudtyper av kemisk bindning: kovalent bindning och jonbindning. En kovalent bindning innebär att elektroner i det yttersta skalet delas mellan olika atomer som på så sätt binds till varandra. En partikel som hålls samman av kovalenta bindningar kallas molekyl. En jonbindning uppkommer genom att en valenselektron hoppar från en atom till en annan. Man får då en positiv och en negativ jon som attraheras av varandra på grund av att de har motsatt laddning. Jonbindningar förekommer i salter. Dessa kännetecknas av att bindningen kan spricka upp under påverkan av ett lösningsmedel (till exempel vatten) varvid jonerna blir fria och kan röra sig oberoende av varandra. Ofta förekommer ett mellanting mellan kovalent och jonbindning, så kallad polär kovalent bindning. Detta innebär att atomerna delar på elektroner men att en atom attraherar dessa elektroner mer än den andra atomen. Ett exempel

är vatten (H2O) där syret attraherar elektroner mer än väte. Vattenmolekylen har därför en liten negativ laddning vid syret och en motsvarande positiv laddning vid vätena. En molekyl med ojämlik laddningsfördelning kallas polär. Det finns också två typer av bindningar som är mycket svagare än kovalenta bindningar och jonbindningar. Dessa är vätebindningar och van der Waalskrafter. Vätebindningen uppkommer i polära molekyler som innehåller väte. Den svaga positiva laddningen vid väteatomen kan då attrahera en negativt laddad del av en annan polär molekyl. Vätebindningar förekommer bland annat mellan vattenmolekyler. van der Waalskrafter är svaga krafter som förekommer även mellan opolära molekyler. Både väte bindningar och van der Waalskrafter kan förekomma mellan olika delar av stora molekyler, till exempel proteiner, och är då betydelsefulla för dessa molekylers tredimensionella form.

Organiska föreningar En klassisk indelning av kemiska föreningar är att skilja på organiska och oorganiska ämnen. Indelningen uppkom genom att man i kemins barndom trodde att vissa föreningar bara kunde bildas i levande organismer och dessa ämnen kallades organiska. Redan i början av 1800talet kunde man dock i provrör framställa det organiska ämnet urea (urinämne) ur oorganiskt material. Begreppen lever dock kvar och organiska föreningar kännetecknas av att: • de förekommer framför allt i djur och växter • de är uppbyggda av ett fåtal atomslag av

vilka de viktigaste är kol, väte, syre, kväve, svavel och fosfor • den vanligaste bindningstypen är kovalent bindning.

De viktigaste typerna av organiska föreningar är kolhydrater, lipider, proteiner och nukleotider.

1 Fysiologins kemisk a och f ysik alisk a grunder

KOLHYDRATER

Kolhydrater är den gemensamma benämningen för sockerarter (sackarider) och kedjor av sådana. Kolhydrater är uppbyggda av kol, väte och syre och kan förenklat skrivas med formeln C n(H 2O)n. Benämningen hydrater (hydor = vatten) kommer från att proportionerna mellan väte och syre är 2:1, det vill säga samma som i vatten (H2O). En del kolhydrater innehåller även fosfor, kväve eller svavel. Kolhydrater förekommer rikligt i växter. De finns även i djur, där de framför allt tjänstgör som bränsle för olika energikrävande processer. Kolhydraterna kan fungera som signalmolekyler i cellen och som ”klister” mellan celler. Den totala mängden kolhydrat i kroppen utgör cirka 1 procent av kroppsvikten. Kolhydrater indelas i monosackarider, di sackar ider (oligosackarider) och polysackarider efter antalet enheter, monomerer, som ingår i molekylen. Monosackarider

De enklaste kolhydraterna är monosackarider. De är färglösa kristaller som är lättlösliga i vatten och ofta förenade med en söt smak. Monosackarider utgör grunden för disackarider,

oligo- och polysackarider. Monosackarider är aldoser (innehåller en aldehydgrupp per socker molekyl) eller ketoser (en sockermolekyl med en ketongrupp) med hydroxylgrupper. Monosackariderna indelas efter antalet kol atomer i molekylen. De viktigaste monosackariderna i kroppen är trioser (3 C), pentoser (5 C) och hexoser (6 C). Ett exempel på en pentos är ribos som ingår i nukleinsyror (se nedan). Viktiga hexoser är glukos (druvsocker), fruktos (fruktsocker) och galaktos. Monosackarider bildar ofta föreningar (estrar) med fosforsyra, till exempel glukos-6-fosfat. Disackarider

Disackarider innehåller två monosackarider som är förenade med en så kallad glykosbindning. En glykosbindning uppstår när en hydroxylgrupp reagerar med kolatomen hos en annan monosackarid. Vid denna kondensation avgår vatten (figur 1.1). Det finns tre vanligt förekommande disackarider: glukos + glukos ⇒ maltos (maltsocker) + H2O glukos + galaktos ⇒ laktos (mjölksocker) + H2O glukos + fruktos ⇒ sackaros (rörsocker) + H2O

CH2OH

OH O

+ H2O

CH2OH Glukos

Maltos

H2O OH Glukos

Figur 1.1 Två monosackaridmolekyler, på bilden två glukosmolekyler, kan slås samman till en disackarid. Bilden visar hur en OH-grupp bunden till kolatom 1 i den ena monosackariden och H från en OH-grupp bunden till kolatom 4 i den andra monosackariden tillsammans bildar vatten (H2O) och en sammanbindande syregrupp uppstår. Bindningen kallas 1, 4-glykosbindning.

1 F ysi o lo g i n s k e m i sk a och fys ik al is k a g rund er

Maltos bildas vid nedbrytning av polysackariden stärkelse. Sackaros finns hos många växter, till exempel sockerbetor. Laktos finns i modersmjölk och har betydelse för utvecklandet av en normal bakterieflora hos barn.

som glidmedel i leder samt bidrar till bindvävens elastiska egenskaper. Heteropolysackarider bildar också stora aggregat med proteiner, så kallade proteoglykaner. Proteoglykanerna fungerar som biologiska filter och påverkar väv nadernas tillväxt, mognad samt struktur.

Polysackarider

Polysackarider eller glykaner bildas genom sammanslagning av ett stort antal glukosmolekyler i långa kedjor (polymerer). Homopolysackarider innehåller bara en typ av monosackarider medan heteropolysackarider innehåller fler. Exempel på homopolysackarider är stärkelse, cellulosa och glykogen. Stärkelse är lagringsformen för kolhydrat i växter. Cellulosa är den viktigaste beståndsdelen i växternas cellvägg. Bindningen mellan glukosenheterna är olika i stärkelse och cellulosa. De enzymer (se nedan) som finns i vårt matsmältningssystem kan bryta ned stärkelse men inte cellulosa. Detta innebär att den mängd cellulosa (”fibrer”) som vi intar med födan passerar ut igen med avföringen. Glykogen är den form i vilken kolhydrat lagras i vår kropp. Glykogen bildas från glukos i blodet och förekommer framför allt i lever- och muskelceller där det är lagrat i granulae (korn) tillsammans med enzymer som bryter ned och bygger upp glyko genet. Glykogenet är stabilt när dessa enzymer är inaktiva. Efter en måltid får man ett överskott på glukos och enzym som bygger upp glykogenförrådet aktiveras. Vid behov av energi aktiveras enzym som snabbt bryter ned glykogenet. Heteropolysackarider är uppbyggda av disackaridenheter varav en är N-acetylglukos amin eller N-acetylgalaktosamin. Den andra sockergruppen är oftast glukuronsyra. Exempel på heteroglykaner är kondroitinsulfat (finns bland annat i leder), dermatansulfat (finns i hud och bindväv) och hyaluronan. Hyaluronan finns i ledvätskan och i ögats glaskropp. Hyaluronan har en hög molekylvikt och är en mycket viskös (seg) substans. Hyaluronan finns också i och mellan brosk samt i senor. Hyaluronan fungerar

LIPIDER

Lipider eller fetter omfattar bland annat fettsyror, neutralfetter och steroider. Dessa föreningar är olösliga i vatten och man säger därför att de är hydrofoba. De är däremot lösliga i opolära, lipofila lösningsmedel som alkohol och aceton. Lipider ingår i cellmembran samt utgör en viktig form av energi. Lipider kan också fungera som hormoner och intracellulära signal substanser. Lipider finns bland annat i kött- och mjölkprodukter samt i vegetabiliska oljor. Fettsyror

Fettsyror består av kol, väte och syre samt en karboxylgrupp (COOH) som är bunden till en alkylgrupp (figur 1.2). Fettsyrorna kan vara mättade eller omättade. De mättade fettsyrorna har den allmänna formeln CH3(CH2)nCOOH, där n vanligtvis är 14 eller 16. I mättade fett syror sammanbinds kolatomerna enbart av enkla kovalenta bindningar, det vill säga varje kolatompar delar på två elektroner. I omättade fettsyror finns en eller flera dubbelbindningar mellan kolatomer, det vill säga ett kolatompar delar på fyra elektroner. Dubbelbindningen leder till en veckning av molekylärstrukturen. Vegetabiliska oljor består huvudsakligen av omättade fettsyror medan animaliskt fett innehåller huvudsakligen mättade fettsyror. Neutralfetter

Neutralfetter är föreningar (estrar) som består av glycerol och fettsyror. Neutralfetter har mycket låg polaritet varför de i stort sett är olösliga i © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

1 Fysiologins kemisk a och f ysik alisk a grunder

Stearinsyra

ishavsfiskar, skulle vara helt orörliga om de innehöll mycket mättade fettsyror. De har därför en större andel omättade fettsyror.

H H

Oljesyra

H H

O Linolsyra

Figur 1.2 Tre fettsyror, en mättad (sterinsyra), en enkelomättad (oljesyra) och en fleromättad (linolsyra). Dubbelbindningen/bindningarna i de senare fallen ger molekylen en vinklad form.

vatten. Glycerol är en alkohol som innehåller tre kolatomer och varje kolatom kan binda en fettsyra. Man kan på så sätt bilda monoglycerider, diglycerider och triglycerider (triacylglyceroler). Triglycerider lagras i fettceller (adipocyter) i fettväven som utgör kroppens största energidepå. Anledningen till att triglycerider används som energidepå är att det är den mest koncentrerade formen av energi. Detta beror på att kolatomerna i fettsyror är mer reducerade än i kolhydrater och ger vid oxidation ungefär dubbelt så mycket energi. Triglycerider binder inte vatten pga sina hydrofoba egenskaper i motsats till glykogen. I fettcellerna finns enzymer, lipaser, som katalyserar nedbrytningen av fett vid behov av energi. Lipaser i tarmen spjälkar fettet från födan. Fettväven fungerar också som mekaniskt skydd och köldskydd. Fetter där mättade fettsyror dominerar är som regel mer trögflytande än fetter med hög halt av fleromättade fettsyror. Däggdjur har en kroppstemperatur på 37 °C. För att fettväven ska ha en smidig konsistens vid denna temperatur har däggdjur övervägande mättade fettsyror. Djur med lägre kroppstemperatur, till exempel © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

Fosfolipider

Fosfolipiderna är liksom neutralfetterna uppbyggda kring ett glycerolskelett. Fosfolipiderna har dock bara två fettsyror och den tredje kol atomen i glycerol har en fosfatgrupp bunden till sig. Till fosfatgruppen är sedan i regel en annan molekyl bunden. Fosfatgruppen med vidhängande molekyl har elektrisk laddning och är på så sätt hydrofil. Den övriga delen av fosfolipid molekylen är oladdad och därmed hydrofob. Detta betyder att fosfolipiden har en hydrofil och en hydrofob del. Denna egenskap gör att fosfoli pider kan bilda membraner i vattenlösningar och fosfolipider är den viktigaste byggstenen i cellmembranet. Membranerna bildas som ett dubbelt molekyllager där de hydrofoba svansarna vänds in mot mitten. Vattnet på bägge sidor om membranet har kontakt med de polära huvudena (se figur 2.2). Fosfolipiderna utgör således en barriär mot transporten av polära molekyler och joner, men deltar också i transport, sekretion och signaltransduktion. Fosfolipider är också viktiga för bildning av signalsubstanser inuti cellen. De flesta celler förnyar ständigt sina membraner genom nedbrytning följt av en återuppbyggnad av fosfolipiderna. Nedbrytningen sker under inverkan av fosfolipaser. Fosfolipaserna medierar också uppbyggnaden av membraner genom att stimulera signalmolekyler. Fosfolipaser frisätts vid inflammatoriska reaktioner och leder då till bildning av arakidonsyra och prostaglandiner (se kapitlet Smärta). Steroider

Steroider eller steroler är strukturella lipider. Steroler innehåller en steroidkärna, som består av fyra ringar, tre ringar med 6 kolatomer och en ring med 5 kolatomer (figur 1.3). Viktiga

1 F ysi o lo g i n s k e m i sk a och fys ik al is k a g rund er

Kolesterol

CH3 CH3

H H

Testosteron

CH3

H H

Figur 1.3 Två exempel på steroider, kolesterol (som ingår i cellmembraner) och testosteron (manligt könshormon).

föreningar med denna struktur är kolesterol, könshormoner, gallsyror och D-vitamin. Kole sterol har hydrofila och hydrofoba egenskaper och kan därför ingå i cellmembranet tillsammans med fosfolipider. PROTEINER

Proteiner, eller äggviteämnen, utgör cirka hälften av kroppens organiska massa. Ordet protein kommer av grekiskans proteios som betyder ”viktigast”. De är en komplex och synnerligen viktig grupp ämnen som krävs för de allra flesta funktioner (se nedan). I kroppen finns cirka 100 000 olika proteiner. Proteiner är uppbyggda av långa kedjor av aminosyror. Våra proteiner innehåller 20 olika klassiska aminosyror som är uppbyggda av kol, väte, syre och kväve, samt i vissa fall svavel. Dessutom finns det en speciell aminosyra, seleno cystein, som liknar den klassiska aminosyran cystein, men där svavel har ersatts med selen.

Aminosyrorna kopplas samman genom peptidbindningar. Kedjor som innehåller färre än 100 aminosyror kallas för polypeptider och innehåller de fler än 100 aminosyror benämns de proteiner. Ofta är proteinerna mycket stora, med tiotusentals aminosyror och en molekylvikt upp till några hundra kDa. Aminosyror består av en karboxylgrupp, en aminogrupp och en sidokedja som alla är bundna till det så kallade α-kolet. Sidokedjan skiljer de olika aminosyrorna åt. I en neutral lösning blir aminosyrorna dipolära: en positiv NH3+ samt en negativ COO-. De 21 olika aminosyrorna skiljer sig åt avseende storlek, laddning och löslighet i vatten (hydrofoba eller hydrofila). Proteiner har olika tredimensionell form (så kallad konformation) och detta bestämmer till stor del proteinets egenskaper. Av de 100-tals olika former som ett protein kan anta dominerar den som är mest termodynamiskt stabil (lägst fri energi). Proteinet är då i sin nativa konformation. Proteiner som är runda och kompakta kallas globulära och är ofta vattenlösliga. Proteiner som fungerar som byggelement är oftast långsträckta och vattenolösliga och kallas fibrösa. Ett proteins form bestäms av dess ordningsföljd av aminosyror, vilket kallas för proteinets primärstruktur. Aminosyrakedjan är ofta vriden i en spiral, så kallad α-helix, eller formad i parallella veck, så kallade β-lameller. Dessa former bestäms av svaga tvärbindningar (till exempel vätebindningar) mellan olika delar på aminosyrakedjan och kallas sekundärstruktur. Sekundärstrukturen utgör den första fasen i proteinets veckning. Aminosyrakedjan med sin sekundärstruktur kan sedan formas ytterligare och man talar då om proteinets tertiärstruktur. I proteiner som innehåller flera aminosyrakedjor (subenheter) finns slutligen en kvartärstruktur, som är det tredimensionella förhållandet mellan de olika subenheterna. En proteinstruktur (del av ett protein) med en särskild funktion benämns domän. Vissa proteiner bildas med hjälp av specialiserade proteiner, så © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

1 Fysiologins kemisk a och f ysik alisk a grunder

kallade chaperoner. Dessa binder till polypeptid kedjan och hjälper till med veckningen. Flera sjukdomar antas bero på felveckade proteiner, till exempel Alzheimers sjukdom. Genom att ändra temperaturen eller surhetsgraden (pH) kan man förändra strukturen hos proteiner. En ökad temperatur kan leda till denaturering av proteiner, vilket medför att funktionen går förlorad. Proteiner kan ha en strukturell funktion eller fungera som transportmolekyler, receptorer eller enzymer: 1 Strukturella proteiner kan bilda fiberstrukturer som kollagen i hud och senor, keratin i hårstrån. 2 Transportproteiner förekommer i vattenlösningar och bildar globulära strukturer. Exempel på transportproteiner är albumin som bland annat transporterar fettsyror. 3 Receptorer finns bland annat i cellmembran och har en transmembranär domän med ändar till ut- och insidan av cellen. G-proteinkopplade receptorer är exempel på sådana receptorer (se figur 2.15). Andra receptorer är cytoplasmatiska som exempelvis glukokortikoidreceptorn. Glukokortikoidreceptorn är uppbyggd av olika domäner varav en är ligandbindande (det vill säga den binder signalmolekylen) och en DNA-bindande. Den DNA-bindande domänen kan påverka promotorregionen hos vissa gener och därmed aktiviteten (uttrycket). 4 Enzymer är speciella proteiner som syntetiseras (bildas) i cellerna. Enzymer fungerar som biokatalysatorer, det vill säga de påskyndar kemiska reaktioner så att de går med tillräcklig hastighet vid normal kroppstemperatur. 5 Kontraktila proteiner som aktin och myosin gör att muskelceller kan kontraheras; kinesin möjliggör intra cellulär transport. © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

6 Hormoner som exempelvis insulin som är nödvändigt för cellernas glukosupptag. 7 Syrebindande protein, till exempel hemoglobin som transporterar O2 i blodet. 8 Antikroppar är proteiner som är nöd vändiga för vårt försvar mot infektioner. 9 Jonkanaler, exempelvis Na+-kanaler, som möjliggör selektiv passage av Na+ genom cellmembranet. Enzymer

Enzymer fungerar som biokatalysatorer, det vill säga de påskyndar kemiska reaktioner så att de går med tillräcklig hastighet vid normal kroppstemperatur. Enzymer är mer eller mindre speci fika, det vill säga varje kemisk reaktion kräver ett speciellt enzym. Detta medför att varje cell måste innehålla hundratals olika enzymer för att katalysera de olika reaktioner som ska äga rum. Olika typer av celler har också olika enzymer. Muskelceller har till exempel enzymer som är specialiserade på att utnyttja kemisk energi till att producera kraft. Enzymer fungerar genom att sänka ”aktiveringsenergin” för en reaktion. Enzymreaktioner går ofta miljontals gånger snabbare än jämförbara okatalyserade reaktioner. Enzym aktivitet kan påverkas av andra molekyler. Inhibitorer är molekyler som minskar enzym aktivitet, medan aktivatorer är molekyler som ökar enzymaktivitet. I enzymatiska reaktioner benämns molekyler som går in i reaktionen för substrat, vilka sedan omvandlas till andra molekyler, kallade produkter. De flesta enzymer är mycket större än de substrat de verkar på, och endast en liten del av enzymet (3–4 aminosyror) är direkt inblandad i reaktionen. Området där enzymet katalyserar själva reaktionen kallas för active site (figur 1.4). Det finns enzymer som behöver binda till molekyler som inte är protein, så kallade cofaktorer, för att kunna aktiveras. Co-faktorer kan antingen vara oorganiska (exempelvis

1 F ysi o lo g i n s k e m i sk a och fys ik al is k a g rund er

metalljoner) eller organiska. Organiska cofaktorer kan vara prostetiska grupper eller co-enzymer. Vissa enzymer har även bindningsplatser för små molekyler, vilka ofta är direkta eller indirekta produkter eller substrat i den reaktion enzymet katalyserar. Dessa bindningsställen kan bidra till att öka eller sänka enzymets aktivitet, och möjliggör modulering av aktiviteten. Många av de enzymer som finns i kroppen är så kallade proenzymer (zymogener), det vill säga fysiologiskt inaktiva. Proenzymet aktiveras genom att ett proteas klyver bort de aminosyror som blockerar enzymets active site, vilket gör att substratet kan binda. Ett enzym kan hindras från att reagera genom att en hämmare (inhibitor) binder till enzymet. Enzymers aktivitet kan också förändras genom att en eller flera fosfatgrupper binds till enzymet, det vill säga det fosforyleras. Många läkemedel och gifter fungerar genom att påverka funktionen hos enzymer.

NUKLEOTIDER

Nukleotider består av en kvävebas, en pentos och en eller flera fosfatgrupper. Fem olika kväve baser förekommer: adenin, guanin, cytosin, uracil och tymin. Energiföreningar

Exempel på mycket viktiga nukleotider är adenosintrifosfat (ATP) och guanosintrifosfat (GTP). ATP förekommer i samtliga celler och utgör en upplagringsform av kemisk energi som direkt kan användas i energikrävande reaktioner. ATP spjälkas till adenosindifosfat (ADP), som är en annan nukleotid, samt fosfat. Den energi som då frigörs kan exempelvis användas för att transportera joner, vid syntes av olika ämnen eller för muskelkontraktion. Energin i ATP kan också användas för att fosforylera (binda en fosfatgrupp till) andra ämnen som på så sätt förs upp på en högre energinivå och därmed lättare kan reagera med andra ämnen.

Produkter Substrat Active site

Enzym

Enzym-substratkomplex

Enzym

Figur 1.4 Principen för enzymers verkan. Den molekyl som ska påverkas (substrat) binds till den plats där reaktionen ska ske (active site) där substratet passar in som hand i handske. Efter reaktionen lämnar delarna, produkterna, enzymfickan och enzymet kan reagera med ett nytt substrat. Processen kan upprepas hundratals gånger. Andra enzymer verkar i motsatt riktning, det vill säga de kan katalysera reaktioner där mindre enheter slås ihop till en större molekyl.

1 Fysiologins kemisk a och f ysik alisk a grunder

Fosforylering är en viktig reglermekanism i många cellulära funktioner. Nukleinsyror

Cellernas genetiska material (genomet eller arvs massan) är uppbyggt av långa kedjor av nukleotider som kallas nukleinsyror. I cellkärnan är nukleinsyrorna uppbyggda kring pentosen deoxiribos och kallas därför deoxiribonukleinsyra eller DNA. I cytoplasman är nukleinsyrorna uppbyggda kring pentosen ribos och kallas ribonukleinsyra eller RNA. Det allra första livet på jorden innehöll sanno likt RNA, som evolutionärt sett är äldre än både DNA och proteiner. RNA är en makromolekyl och är uppbyggd av en kedja av sammankopplade nukleotider. Varje nukleotid består av tre delar: en ribos, en fosfatgrupp och en av de fyra kvävebaserna adenin (A), uracil (U), guanin (G) och cytosin (C). RNA-molekylen är vanligen uppbyggd av en lång kedja av nukleotider, det vill säga den är enkelsträngad. Olika typer av RNA har olika funktioner. De vanligaste formerna av RNA är: 1 Budbärar-RNA (eller messenger-RNA, mRNA) överför informationen om hur proteinet ska byggas upp från cellkärnans arvsmassa till ribosomerna ute i cyto plasman där proteinerna tillverkas. 2 Preliminär-mRNA (pre-RNA eller heterogeneous nuclear RNA, hnRNA) är grundsträngen till mRNA när den har kodats från DNA-strängen. Denna genomgår sedan splicing, då inaktiva RNA-delar klipps bort, innan den transporteras ut ur cellkärnan. 3 Ribosom-RNA (rRNA) bygger upp ribosomerna tillsammans med olika proteiner. 4 Transport-RNA (tRNA) transporterar aminosyrorna till proteintillverkningen i ribosomerna. Det finns ett transport-RNA för varje typ av aminosyra. © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

5 RNA-interferens (RNAi) deltar i regleringen av genernas aktivitet genom att förena sig med budbärar-RNA och hindra den genetiska informationen att nå ribosomerna och därmed proteinsyntesen. RNA kan också ha en katalytisk funktion, det vill säga det kan påskynda olika kemiska förlopp i cellerna. Dessa enzymer kan bestå av rent RNA eller RNA i kombinationer med prote iner, så kallade ribonukleoproteiner. RNA kan också ha stor betydelse för regleringen av olika geners aktivitet. DNA är en nukleinsyra som är uppbyggd av två långa kedjor av nukleotider, det vill säga den är dubbelsträngad. Varje nukleotid kan sägas bestå av tre delar: en av deoxiribos, en fosfatgrupp och en av de fyra kvävebaserna adenin (A), guanin (G), cytosin (C) och tymin (T). Kvävebasernas ordningsföljd i DNA-molekylen bestämmer uppbyggnaden av kroppens alla proteiner. DNAmolekylen kan finnas i flera något olika former men den vanligaste är en dubbelspiral, så kallad dubbelhelix bestående av två nukleotidkedjor. Inom cellen arrangeras DNA i långa strukturer som kallas kromosomer. I kromosomerna finns histoner (proteiner) som packar ihop och organiserar kromosomen till kromatin. Kromatinet reglerar interaktionerna mellan DNA och andra proteiner och kontrollerar på så vis vilka delar av kromosomen som transkriberas. Dubbelsträngat DNA betecknas dsDNA. I dubbelspiralen är kvävebaserna vända inåt mot spiralernas mitt där de parvis, en bas från varje kedja, är hopkopplade med vätebindningar. Baserna kan inte kopplas ihop hur som helst: en adeninbas i den ena kedjan är alltid bunden till en tyminbas i den andra (A-T), medan en cytosinbas alltid är bunden till en guaninbas i den andra kedjan (C-G) (se figur 1.5) På så sätt är den ena kedjan den andra kedjans komplement och från en kedja kan man alltid återskapa den andra. DNA-molekylen kan på detta vis föra den genetiska informationen vidare.

1 F ysi o lo g i n s k e m i sk a och fys ik al is k a g rund er

H CH2

O C

Deoxiribos

N C

Deoxiribos

C H

C O

N Deoxiribos

C N

N C

C N

N Deoxiribos

N H

Figur 1.5 Bilden visar de fyra kvävebaser som bygger upp nukleinsyrorna i cellens DNA. Kvävebaserna är adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och tymin (T). Strukturerna är sådana att adenin kan bindas till tymin (med två vätebryggor) och cytosin till guanin (med tre vätebryggor) (vätebryggorna är streckade linjer i figuren). I DNA är kvävebaserna bundna till pentosen deoxiribos. Deoxiribos alternerar med fosfatgrupper (P), vilket bygger upp långa strängar från vilka kvävebaserna möter sin partner. De fyra kvävebaserna kan sitta på vilken av strängarna som helst men måste ha sin rätta partner på den motsatta strängen. Ordningsföljden av baserna är helt avgörande för sammanfogandet av bestämda aminosyror till ett visst protein (se s. 42). Tre baser – till exempel AGA – ”betyder” aminosyran arginin.

DNA-molekylens huvudsakliga funktion är att förvara information som används för organismernas utveckling och funktion. DNA innehåller de instruktioner som behövs för att tillverka cellernas komponenter, via RNA och proteiner. De delar av DNA-molekylen som ansvarar för tillverkningen av dessa komponenter kallas gener. Det är denna sekvens av olika kvävebaser som utgör den genetiska koden, vilken bestämmer ordningen av aminosyror i proteiner samt deras storlek. Ordningsföljden av aminosyror avgör vilken form proteinet får och vilken funktion det kan fylla i kroppen. Koden läses av genom att delar av DNA:t översätts till RNA i en process som kallas transkription. Transkriptionen från genernas DNA till mRNA sker ofta i flera steg. I det första steget tillverkas en preliminär mRNA (pre-mRNA) genom direkt transkription av den ursprungliga DNAsekvensen. Denna preliminära mRNA redigeras sedan genom att sekvenser som inte kodar några

aminosyror (intron) tas bort. De kvarvarande bitarna (exonerna) kombineras sedan ihop till den slutliga mRNA-sekvensen. Översättningen (translationen) från nukleo tider i RNA till aminosyror i proteiner sker enligt den genetiska koden. För varje grupp om tre nukleotider i DNA-molekylen läggs vid translationen en enda aminosyra till i det protein som tar form (se figur 2.13 och 2.14) Replikation är den process som dubblerar DNA-molekylen vid celldelningen så att en kopia av molekylen kan hamna i varje dottercell. På så sätt förs den genetiska informationen vidare från cellgeneration till cellgeneration. Vid celldelningen rätas dubbelspiralen i DNA-molekylen ut, och de två kedjorna skiljs åt likt de två delarna av ett blixtlås under inverkan av enzymet helikas. Med hjälp av ett flertal proteiner och enzymer, varav det viktigaste är DNA-polymeras, byggs en ny komplementär kedja upp genom att matchande nukleotider läggs på plats. När detta © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

1 Fysiologins kemisk a och f ysik alisk a grunder

har skett har två nya identiska DNA-molekyler bildats. De två nya DNA-molekylerna hamnar sedan i varsin dottercell. Oftast sker denna DNA-replikation utan problem men ibland inträffar ett fel i kopieringen och den genetiska informationen har förändrats; en mutation har uppstått. VITAMINER

Vitaminer är inte någon enhetlig kemisk grupp ämnen. Man upptäckte i början av 1900-talet att förutom kolhydrater, fetter och proteiner måste födan innehålla små mängder av andra organiska ämnen, och man benämnde dessa vitaminer. De flesta vitaminer måste tillföras med födan eftersom de inte kan syntetiseras i kroppen. Brist på specifika vitaminer ger bristsjukdomar, men dessa är ovanliga i vårt samhälle där kosten normalt innehåller alla vitaminer vi behöver. I vissa speciella fall kan det dock vara av värde att tillföra extra vitaminer, till exempel vid olika sjukdomstillstånd där upptaget av vitaminer är nedsatt. Vitaminer har visat sig vara en mycket heterogen grupp ämnen som grovt kan delas in i vattenlösliga (B, C) och fettlösliga (A, D, E och K). Vattenlösliga vitaminer inbegriper olika B-vitaminer som bland annat deltar som coenzymer vid kolhydratnedbrytningen samt C-vitamin (askorbinsyra) som bland annat behövs för sårläkning och benbildning. De vattenlösliga vitaminerna förekommer i olika livsmedel och de har det gemensamt att de lakas ut och försvinner vid kokning. Vattenlösliga vitaminer kan inte lagras i kroppen. Om man överdoserar eller försöker bygga upp en reserv med hjälp av vitamintabletter, blir resultatet att överskottet försvinner via urinen. Bristsymtomen kommer därför snabbt vid felaktig diet. Folsyra (vitamin B9) förebygger vissa fosterskador som till exempel ryggmärgsbråck (spina bifida). Det är därför kvinnor rekommenderas att äta extra folsyra inför och under en gravidi© F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

tet. Vitamin B9 deltar i syntesen av nukleinsyran tymidin (en byggsten i DNA). Saknas tymidin kan inte cellerna dela sig varför det skyddande rör som omger ryggmärgen inte sluts och ett bråck uppstår. Kobolamin (Vitamin B12) används till produktionen av röda blodkroppar samt bidrar till nervsystemets funktion genom att medverka i bildningen av myelin. Vitamin B12 kan i motsats till övriga vattenlösliga vitamin lagras och vi har ett förråd i levern som räcker cirka fyra år. Askorbinsyra (C-vitamin) är nödvändigt för bindvävens ämnesomsättning. Det underlättar järnupptaget i mag-tarmkanalen samt har en antioxidativ effekt på andra ämnen i kroppen. Födoämnen som innehåller höga halter av C-vitamin är till exempel citrusfrukter, grön saker, vinbär, nypon, paprika och lever. Fettlösliga vitaminer finns mest i fetare livsmedel. För att kroppen skall kunna ta upp dem ur födan behövs galla, som hjälper till med spjälkningen av fetter i tunntarmen. Gall- och leversjukdomar kan därför resultera i brist på fettlösliga vitaminer, även om maten innehåller tillräckligt med vitaminer. Fettlösliga vitaminer är A-vitamin som är viktig för nattseendet, D-vitamin som behövs för kalciumupptag från födan, E-vitamin som fungerar som en antioxidant och förhindrar bildandet av toxiska metaboliter, samt K-vitamin som behövs för blodkoagulering. Retinol (A-vitamin) har sin viktigaste funktion i ögats näthinna. Retinol ingår i syn pigmentet (rodopsin) i stavarna, som är celler som omvandlar ljus till elektriska signaler. Brist på retinol gör att ögat får svårare att se i mörkret och man drabbas av nattblindhet. Denna nattblindhet försvinner snabbt vid tillförsel av retinol. D-vitaminer är en grupp fettlösliga prohormoner som i samarbete med parathormon påverkar balansen mellan kalcium och fosfat i blodet. De två huvudsakliga formerna av D-vitamin är vitamin D2 och D3. D3-vitamin

1 F ysi o lo g i n s k e m i sk a och fys ik al is k a g rund er

(kolekalciferol) som bildats i huden eller tillförts kroppen via maten, ombildas i levern till kalcidiol (25-hydroxikolekalciferol) och kal citriol (1,25-dihydroxikolekalciferol). Kalcidol påverkar kroppens alla vävnader bland annat genom att signalera när cellerna ska dela sig och det kan blockera celldelningsimpulser. Kalcidiol minskar risken för flera olika typer av cancer samt vissa autoimmuna sjukdomar. Hur mycket D3-vitamin vi bildar beror på solens strålar. UVB är den mest biologiskt aktiva strålningen, och alltså den som behövs för att bilda D3-vitamin. UVB-strålarna förekommer rikligast en solig sommardag. Är det molnigt kommer mest UVAstrålar och UVA-strålning är den som finns i solarier. Direkt solljus i 15–30 minuter räcker för att bilda D3-vitamin och efter cirka 18 timmar finns det då mätbart högre D-vitaminnivåer i blodet. 20-åringar har, jämfört med 80-åringar, mycket lättare att bilda D3-vitamin. Men på höst och vinter räcker solljuset inte varför särskilt barn kan behöva ett extra D-vitamintillskott. Den andra typen av D-vitamin, D2 (ergokal ciferol), syntetiseras bland annat i njurarna och reglerar kroppens kalciumbalans och medför bland annat att tarmen tar upp kalcium från födan. Vitamin D2 kan fås via maten och då främst från fet fisk, äggula och svampar (främst trattkantareller). Standardmjölk innehåller D-vitamin och extra D-vitamin är tillsatt till mjölkprodukter med lägre fetthalt. En allvarlig brist på D-vitamin under uppväxten ger ett mjukt och missformat skelett, vilket kan leda till den så kallade engelska sjukan (rakit). Brist på D-vitamin kan också bidra till benskörhet, osteoporos, som bland annat medför en ökad risk för benbrott senare i livet.

totala antalet negativa joner (anjoner) är lika stort som det totala antalet positiva joner (katjoner). Lösta i kroppsvätskorna finns också en del proteiner och andra organiska ämnen (till exempel glukos). Kroppsvätskorna kan delas in i två delar: intracellulärvätska och extracellulärvätska. Intracellulärvätskan är den största delen och innehåller cirka 2/3 av kroppsvattnet. Intracellulärvätskan utgör cirka 40 procent av kroppsvikten. Extracellulärvätskan kan delas in i vävnadsvätskan som omger cellerna (den interstitiella vätskan) och blodplasma. Det sker ett ständigt utbyte av ämnen mellan kroppsvattnets olika delar. Via blodplasman sker det också ett utbyte mellan kroppsvattnet och vår omgivning (figur 1.6). Detta utbyte sker genom passage genom celler i njurarna, lungorna, huden och mag–tarmkanalen. Kroppsvätskornas sammansättning är av avgörande betydelse för cellernas funktion. Det är antalet partiklar (joner eller molekyler) per Mag-tarmkanalen

Huden Lungorna

Blodplasman

Njurarna

Vävnadsvätskan

Intracellulärvätskan

Kroppsvätskornas sammansättning Kroppsvätskorna består till största delen av vatten och salter. Salterna är lösta i vattnet, det vill säga de förekommer som fria joner. Det

Figur 1.6 Kroppens vätskerum. Utbyte sker hela tiden mellan kroppens olika vätskerum och med vår omgivning.

1 Fysiologins kemisk a och f ysik alisk a grunder

volymenhet som är betydelsefullt. Det är därför olämpligt att använda till exempel gram per liter för att ange halten av ett ämne eftersom olika ämnen har olika massa. Ett hanterligt sätt att ange halten av ett ämne är att använda enheten mol: 1 mol = det antal gram som ämnets atom- eller molekylvikt anger Exempelvis har kol (C) atomvikten 12 Da och 1 mol C väger 12 gram. Molekylvikten för glukos är 180 Da och 1 mol glukos motsvarar följaktligen 180 gram. Det är alltså lika många partiklar i 1 mol C som i 1 mol glukos. Antalet partiklar i 1 mol är 6,02 × 1023: detta tal kallas för Avogadros konstant. Om man löser 1 mol av ett ämne i 1 liter vatten kommer lösningen att innehålla 1 mol per liter eller vara 1 molar (M). I kroppsvätskorna förekommer inte så höga koncentrationer som 1 M. De högsta koncentrationerna man vanligen ser är drygt 100 mM (0,1 M) för till exempel natrium-, kalium- och kloridjoner. Koncentrationen av flertalet ämnen i kroppsvätskorna är mycket lägre (nM = 10–9 M eller lägre). Jonsammansättningen i de olika delarna av kroppsvattnet skiljer sig markant åt (figur 1.7). Den extracellulärt dominerande katjonen (positiva jonen) är Na+, medan K+ dominerar intracellulärt. Den extracellulärt dominerande anjonen (negativa jonen) är Cl–, medan fosfatjoner (PO43–; förekommer som HPO42– och H2PO4– vid normalt pH) och negativt laddade proteiner dominerar intracellulärt. Anledningen till att de olika vätskerummen har olika jonsammansättning är att de är avgränsade av membraner som har begränsad genomsläpplighet. Vidare innehåller membranet jonpumpar, det vill säga proteiner som aktivt transporterar joner från ett vätskerum till ett annat. TRANSPORTPROCESSER

Fördelningen av vatten och partiklar i de olika vätskerummen styrs av olika transportprocesser. Viktiga transportprocesser är diffusion, © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

Extracellulärvätskan Div

Intracellulärvätskan _

Div

HCO3

K+

Proteiner _ Aminosyror _ Fosfater

Figur 1.7 Kroppsvätskornas sammansättning.

osmos och filtration. Dessa processer sker utan tillförsel av energi och kallas därför passiva. Det finns också aktiv transport som kräver tillförsel av energi. Diffusion

Diffusion beror på att partiklar hela tiden rör sig (brownska rörelser) och på så sätt knuffar på varandra. Detta innebär att en sorts partikel alltid vill ha ett så stort avstånd som möjligt till nästa partikel av samma sort. Diffusion kommer alltså att göra att man i ett vätskerum jämnt sprider ut en sorts partiklar, det vill säga det blir inga koncentrationsskillnader mellan olika delar. Diffusion kan ske genom ett membran om detta är genomsläppligt för den aktuella partikeln. Osmos

Osmos är närbesläktat med diffusion, men här transporteras i stället vattenmolekyler. Förutsättningen för osmos är att man har ett membran som släpper igenom vatten, men inte vissa partiklar. Ett exempel på ett sådant semipermeabelt membran är cellmembranet.

1 F ysi o lo g i n s k e m i sk a och fys ik al is k a g rund er

Om koncentrationen av partiklar som inte kan passera membranet är högre på ena sidan kommer vatten att dras till den sidan så att koncentrationsskillnaden minskar. Den osmotiska transporten fortsätter tills man får en jämvikt mellan den osmotiska kraften, som vill utjämna koncentrationsskillnaden, och det hydrostatiska trycket (vattentrycket), som vill trycka tillbaks vattnet. Antalet partiklar/volym avgör helt det osmotiska trycket, det vill säga partiklarnas storlek har ingen betydelse för den osmotiska effekten. I praktiken har dock partiklarnas storlek betydelse för den osmotiska transporten därför att stora partiklar oftare har svårare än små partiklar att passera olika membraner. Exempelvis talar man i blodplasma om det kolloidosmotiska trycket. Detta tryck beror på de stora plasmaproteinerna som endast utgör cirka 5 procent av antalet partiklar i blodplasma. Majoriteten av partiklarna (till exempel Na+) är betydligt mindre och kan därför fritt passera kapillärväggen mellan blodplasma och vävnadsvätskan och bidrar därför ej till den osmotiska transporten. Lösningar med samma partikelkoncentration som intracellulärvätskan sägs vara isotona. Lösningar med lägre partikelkoncentration är hypotona och de med högre är hypertona. Om en cell badas i en hypoton lösning kommer den att svälla: vatten transporteras in i cellen för att utjämna skillnaden i partikelkoncentration. I en hyperton lösning sker det motsatta, det vill säga cellen kommer att krympa. En isoton koksaltlösning innehåller 150 mM NaCl (9 gram NaCl per liter). Eftersom koksaltet är löst har vi 150 mmol Na+ och 150 mmol Cl– per liter, det vill säga 300 mmol partiklar per liter eller 300 mOsm (milliosmoler per liter). Vattenmolekyler kan i princip inte passera genom cellmembranets lipidskikt. I stället finns speciella proteiner i membranet som tjänstgör som vattenkanaler. Dessa proteiner kallas akvaporiner. I vissa celler (till exempel i njuren) kan vattenflödet genom akvaporinerna regleras.

Filtration

Filtration innebär transport över ett membran från sidan med högre vätsketryck till sidan med lägre. Med filtration transporteras H2O samt partiklar som är tillräckligt små för att passera genom porer i membranet. Filtration är framför allt betydelsefull i njurarna. Aktiv transport

Aktiv transport av partiklar sker i motsatt riktning mot diffusion. Detta innebär att ett ämne pumpas genom ett membran från en lösning med låg koncentration till en lösning med högre koncentration. Denna typ av transport kräver tillförsel av energi, vilken erhålls genom spjälkning av ATP till ADP och fosfat. Aktiv transport kräver specifika transportproteiner eller pumpar. Det finns till exempel Na–K-pumpar i cellmembranen som pumpar K+ in i cellen och Na+ ut ur cellen. SYROR OCH BASER

De flesta funktioner i vår kropp är mycket känsliga för förändringar av surhetsgraden eller pH. Exempelvis har enzymer ett pH-optimum och deras funktion försämras snabbt både vid en ökad och en minskad surhetsgrad. Surhets graden bestäms av förhållandet mellan syror och baser. En syra är en protongivare och en bas är en protontagare enligt: HA  A– + H+ där syran HA avger en proton (H+) och reaktionen går åt höger eller basen A– tar upp en proton och reaktionen går åt vänster. I en sur lösning är jämvikten förskjuten åt höger (det vill säga hög koncentration av protoner, H+) och en basisk lösning har en vänsterförskjuten jämvikt. En lösnings pH-värde anger dess surhetsgrad. pH-värdet definieras som den negativa 10-logaritmen av H+-koncentrationen: © F ö r f a t t a r n a o c h S t u d e n t l i t t e r a t u r

1 Fysiologins kemisk a och f ysik alisk a grunder

pH = –log [H+] Om [H+] = 10–3 M är pH = 3; om [H+] = 10–4 är pH = 4 osv. En ändring med en pH-enhet motsvarar alltså 10 gångers ändring av [H+]. I en neutral lösning är pH = 7, det vill säga [H+] = 100 nM. Sura lösningar har ett pH som är lägre än 7, och basiska lösningar har ett pH som är högre än 7. FRIA SYRE- OCH K VÄVERADIK ALER

En fri radikal är en molekyl som har oparade elektroner, vilket gör den mycket reaktiv. I våra celler reagerar fria radikaler bl.a. med fetter, proteiner och nukleotider. Dessa reaktioner påverkar molekylernas funktion och därmed också olika cellfunktioner. Den först bildade (primära) fria syreradikalen superoxid (O2-•) bildas från syrgasmolekylen (O2) i samband mitokondriernas O2-beroende nedbrytning av kolhydrater och fetter (se kapitlet Celler och vävnader). Superoxid kan även bildas av olika enzymer. Kväveoxid (NO•) är den primära kväveradikalen som framför allt bildas från aminosyran arginin

av en grupp enzymer, kväveoxidsyntaser. De primära radikalerna kan omvandlas till andra reaktiva molekyler (figur 1.8). Fria radikaler neutraliseras av olika anti oxidativa system och antioxidanter. I våra celler finns effektiva antioxidativa system. Exempel på detta är superoxiddismutaser och katalas som först omvandlar superoxid till den mindre reaktiva molekylen väteperoxid (H2O2) och därefter till syrgasmolekyler och vatten. Vi får också i oss antioxidanter via kosten och exempel på detta är C-vitamin, E-vitamin och karotener. Tidigare ansågs fria radikaler som generellt skadliga och en viktig orsak till ett flertal sjukdomstillstånd och även till normalt åldrande. Med detta följer att kost och kosttillskott med hög halt av antioxidanter betraktas som nyttiga. På senare tid har man dock upptäckt att fria radikaler har ett flertal viktiga fysiologiska funktioner. Våra celler fungerar som bäst vid en bra balans mellan hur mycket fria radikaler som produceras och hur snabbt de neutraliseras. Både överskott och underskott av fria radikaler leder till försämrad funktion. Exempelvis hämmar ett stort intag av antioxidanter positiva effekter av uthållighetsträning.

H2O + O2 kat

ala

mitokondrier oxidaser

–•

SOD

H2O2 Fe 2+

•

ONOO –

H2O glutation oxiderat glutation •

Figur 1.8 Fria radikaler (rödmarkerade) bildas bland annat i mitokondriernas O 2 -beroende metabolism. SOD = superoxiddismutas. O 2-• = superoxid; NO• = kväveoxid; ONOO – = peroxynitrit; OH• = hydroxylradikal.

Författarna är eller har varit verksamma som professorer vid Karolinska Institutet och har lång erfarenhet av undervisning för olika studentkategorier. Alla fyra bedriver eller har bedrivit forskning vid Karolinska Institutet, Jan Lännergren och Håkan Westerblad inom muskelfysiologi, Mats Ulfendahl inom sinnesfysiologi och Thomas Lundeberg inom integrativ fysiologi.

FYSIOLOGI Fysiologi beskriver hur kroppen fungerar. Den här läroboken beskriver funktionen i enstaka celler, i samtliga organ och i kroppen som helhet. Syftet har varit att göra en lättförståelig framställning där onödiga detaljkunskaper rensats ut, det vill säga förståelse prioriteras framför detaljer. I den nya upplagan har tidigare text- och bildmaterial uppdaterats. Det har också tillkommit ett kapitel om fysiologin bakom ett tilltagande problem: stress. Boken täcker hela fysiologiämnet. Den riktar sig direkt till utbildningarna av biomedicinare, sjuksköterskor, sjukgymnaster, arbetsterapeuter, psykologer, kiropraktorer och naprapater. Den används även av läkaroch tandläkarstuderande.

Sjätte upplagan

Art.nr 6109

studentlitteratur.se