Kappale 1 Peruskemia YOGASOURCE FINLAND 2016 PERUSKEMIA 1
PERUS BIOKEMIAA Biokemia on elämää molekyylitasolla tutkiva tiede, joka on myös monien muiden biologisten ja lääketieteellisten tieteenalojen perusta. Biokemiassa pyritään selvittämään ja ymmärtämään biologisten prosessien kemiallisia mekanismeja mm. Kehon aineenvaihdunta Solujen energiatuotanto Kemiallinen aine Kemialliset aineet voivat esiintyä viideessa olomuodossa: Kaikki olomuodot muodostuvat alkuaineista. Kiinteä Neste Kaasu Plasma Amorfinen Kaikki olomuodot muodostuvat alkuaineista. Niihin fysikaalisesti vaikuttavat tekijät ovat lämpötila ja paine. Alkuaineiden jaksollisen järjestelmän taulukko Alkuaineiden jaksollisen järjestelmän taulukossa on 118 alkuainetta, jotka järjestetään 18 ryhmään ja seitsemään jaksoon. Luonnossa esiintyvistä noin 90 alkuaineesta noin 29 on organismeille elintärkeitä. Muut alkuaineet esiintyvät vain laboratoriossa. YOGASOURCE FINLAND 2016 PERUSKEMIA 2
Erityisen mielenkiintoista on, että lähes 99 % ruumiimme kemiallisesta koostumuksesta rakentuu vain neljän alkuaineen yhdisteistä. Nämä alkuaineet ovat vety, hiili, happi ja typpi (seuraavat ovat kalsium, fosfori, kalium, rikki ja natrium). Epigenetiikka Epigenetiikka on järjestelmä, joka kytkee geenejä päälle ja pois. Prosessi perustuu epigeneettisinä markkereina toimiviin molekyyleihin, jotka kiinnittyvät DNA:han ja ohjaavat solua joko käyttämään tiettyä geeniä tai olemaan käyttämättä sitä. Näin ihminen voi itse vaikuttaa geeniensä ilmenemiseen ja aktivoitumiseen. Atomit Alkuaineet muodostuvat atomeista, jotka ovat alkuaineen kemiallisesti pienin osa. Atomi jaetaan ytimeen ja ydintä verhoavaan elektroniverhoon, joka puolestaan koostuu sen eri kuorissa olevista negatiivisesti varautuneista elektroneista (N ). Ydin muodostuu nukleoneista: positiivisesti varautuneista protoneista (P + ) ja varauksettomista neutroneista (N). Riippuen alkuaineesta ytimessä on erilainen määrä nukleoneja (joka peräkkäinen alkuaineella on yksi lisä protoni ja neutroni kuin edeltävä alkuaine). Vedyllä on yksi protoni, heliumilla on kaksi jne. Yleisesti atomin ytimessä on sama protonien ja neutronien lukumäärä. Ytimen ympärillä on negatiivisesti varautuneista elektroneista (E - ) koostuva elektroniverho. Perustilassaan atomit ovat sähköisesti neutraaleja, jolloin protoneja ja elektroneja on yhtä paljon. Elektronit jakaantuvat eri kuorille. Ytimestä ulospäin kuoret ovat joko 1, 2, 3, 4, 5, 6 ja 7. Elektroneja mahtuu ensimmäiselle kuorelle vain kaksi kappaletta. Toiselle energiakuorelle mahtuu 8 elektronia, kolmannelle kuorelle 18 kappaletta, neljännelle 32 kappaletta. Vaikka teoreettisesti kuorelle 5, 6 ja 7 pitäisi mahtua enemmän kuin 32 elektronia, todellisuudessa 32 kappaletta on maksimimäärä. Atomiluku ja massaluku Atomin ytimessä olevissa protonilukumäärä on sama kuin alkuaineen atomiluku eli alkuaineiden jaksollisen järjestelmän järjestysluku. Protonien ja neutronien lukumäärä yhdessä on atomin massaluku. Vaikka protonien ja elektronien lukumäärä on aina sama, neutronien lukumäärä voi vaihtaa. Atomi jolla on vähemmän tai enemmän neutronia kuin protonia on kutsuttu isotopiksi. Ionit, molekyylit ja yhdisteet Atomin ytimen ympärillä on eri kuoria, jotka muodostuvat atomin elektroniverhon. Atomi on stabiili kun elektroniverhon ulkokuorella on maksimilukumäärä elektroneja. Alkuaineista riippuen elektronien ulkokuoren maksimilukumäärä voi muuttua. Se on tavallisesti 2, 8 tai 18. Jos uloimmassa kuoressa on liian vähän tai liian monta elektroneja atomi pyrkii aina rakentamaan stabiilin uloimman kuoren muiden atomien kanssa. YOGASOURCE FINLAND 2016 PERUSKEMIA 3
Molekyylit ja yhdisteet 1. Kun yksi atomi sitoutuu toisen atomin kanssa, lopputulos on molekyyli. Esim: vety (H 2 ) H+H 2. Kun elementti yhdistyy toisen elementin kanssa, lopputulos on yhdiste. Esim: hiilidioksidi (CO 2 ) C+2xO Huom! Kaikki yhdisteet ovat myös molekyylejä, mutta kaikki molekyylit eivät ole aina yhdisteitä. Kationit ja Anionit Atomilla on aina neutraali perusvaraus eli sama protonimäärä ja elektronimäärä. Tämä tilanne voi muuttua silloin kun atomit tai elementit jakavat keskenään tai antavat pois elektroneja (saadakseen stabiilin uloimman kuoren). Kationit ovat atomeja jotka ovat luovuttaneet pois elektroneja, eli niiden protonimäärä on suurempi kuin niiden elektronimäärä. Kationilla on positiivinen sähkövaraus. Anionit ovat atomeja jotka ovat saaneet elektroneja eli niiden protonimäärä on pienempi kuin niiden elektronimäärä. Anionilla on negatiivinen sähkövaraus. Ioniyhdisteet ja kovalenttiset sidokset Biokemiassa atomeilla on kaksi tapaa stabiloitua: 1. Ioniyhdisteet Koska sekä kationit että anionit ovat epästabiileja, ne yhdistyvät hyvin keskenään. Ionisen yhdisteen. Lopputulos on kuitenkin erittäin vahva eli stabiili. Kun atomi menettää tai saa elektroneja, lopputulos on atomi jolla on joko vähemmän tai enemmän elektroneja kuin protoneja. Atomia joka luovuttaa yhden tai useampia elektroneja kutsutaan kationiksi, ja atomia joka ottaa vastaan elektroneja kutsutaan anioniksi. Esim: Natriumilla on 11 elektronia (vain yksi uloimmilla tasolla), kloridilla on 17 elektronia (9uloimmilla tasolla). Natrium antaudu yksi elektroni kloridille (natrium on nyt kationi ja kloridi anioni). Ioninen yhdiste natriumkloridi (pöytäsuola) YOGASOURCE FINLAND 2016 PERUSKEMIA 4
2. Kovalenttiset sidokset Kun kaksi tai useampi atomi jakaa elektroneja, se ei kadota neutraalia perusvaraustaan. Lopputulos molekyyliä kutsutaan kovalenttiseksi sidokseksi, joka on neutraalisti varautunut. Useimmat kehon yhdisteet ovat kovalenttisia sidoksia. Kaikki kehossa olevat rakenteet muodostuvat joko ionisista yhdisteistä tai kovalenttisista sidoksista. Kovalenttinen sidos happi KEMIALLISET REAKTIOT Kemiallisia reaktioita tapahtuu silloin kun vanhoja yhdisteitä hajoaa tai uusia yhdisteitä rakentuu. Molemmissa tilanteissa energiataso muuttuu. Vanhojen yhdisteiden hajotessa vapautuu energiaa, ja uusien yhdisteiden rakentumiseen tarvitaan energiaa. Aineenvaihdunta eli metabolismi on kaikkien kemiallisten reaktioiden loppusumma. Energiantuotanto tai energian siirto tapahtuu molekyylien reagoidessa keskenään. Jotkut kemialliset reaktiot tapahtuvat automaattisesti, mutta useimmat reaktiot vaativat kemiallisen katalyytin. Kehossa on neljä kemiallista reaktioluokkaa: Anaboliset reaktiot Kataboliset reaktiot Vaihtoreaktiot Käenteinen reaktiot ANABOLISET REAKTIOT - Anaboliset reaktiot ovat energiaa kuluttavia reaktioita, joissa yksinkertaisista lähtöaineista valmistetaan monimutkaisempia yhdisteitä. Alla on tyypillinen anabolinen reaktio: A Atomi, ioni tai molekyyli + B Atomi, ioni tai molekyyli yhdistävät ja rakentavat AB uusi molekyyli KATABOLISET REAKTIOT - Kataboliset reaktiot ovat energiaa tuottavia reaktioita, joissa suuret molekyylit pilkkoutuvat yksinkertaisemmiksi yhdisteiksi. Alla on tyypillinen katabolinen reaktio: AB Molekyyli AB pilkkoutuu ja tuottaa A B Atomi, ioni + Atomi, ioni tai molekyyli tai molekyyli YOGASOURCE FINLAND 2016 PERUSKEMIA 5
VAIHTOREAKTIOT - tapahtuvat kun molekyylit vaihtavat rakenneosia keskenään. Tämä prosessi joko kuluttaa tai tuottaa energiaa eikä ole käännettävissä. Alla on tyypillinen vaihtoreaktio: AB molekyyli + CD molekyyli vaihtavat rakenneosia AC + BD uusi molekyyli uusi molekyyli KÄÄNTEINEN REAKTIO: - Jotkut kemialliset reaktiot eivät käänny, mutta useimmat ovat käänteisiä. Tämäkin prosessi joko kuluttaa tai tuottaa energiaa. Alla on tyypillinen käänteinen reaktio: A Atomi, ioni tai molekyyli + B Atomi, ioni tai molekyyli yhdistyvät rakenteeksi pilkkoutuu ja tuottaa AB uusi molekyyli ORGAANISIA JA EPÄORGAANISISA YHDISTEITÄ Peruskemiassa kemialliset yhdisteet jaetaan kahteen luokkaan: ORGAANISET YHDISTEET Yhdisteitä joilla on aina hiili-hiili sidoksia. Useimmilla orgaanisilla yhdisteillä on myös vetyatomeja ja hiili-vety sidoksia. Orgaaniset yhdisteet ovat tavallisesti suuria ja pitkäketjuisia yhdisteitä. Vain orgaaniset yhdisteet voivat osallistua kemiallisiin reaktioihin joissa keho tuottaa energiaa. EPÄORGAANISET YHDISTEET Yhdisteitä joilla ei ole hiiliatomeja. Vaikka epäorgaaniset yhdisteet eivät tuota energiaa suoraan, ne osallistuvat moniin kehon energiatuotantoa ylläpitäviin reaktioihin. Kehon runsain epäorgaaninen yhdiste on vesi. Kehon vesipitoisuus on noin 60% - 80%, ja veden kemialliset reaktiot ovatkin elintärkeitä ruumiillemme ja elämällemme. YOGASOURCE FINLAND 2016 PERUSKEMIA 6
HAPOT JA EMÄKSET Kemiassa happo on aine, joka veteen liuetessaan luovuttaa positiivisia vetyioneja (H+). Vedyllä on vain yksi protoni ja yksi elektroni ja siten se on protonin luovuttaja joka reagoi helposti muiden ionien kanssa. Liuoksen vetypitoisuus määrittelee liuoksen happamuutta. Mitä enemmän liuos sisältää vetyioneja sitä happamampaa se on. Emäs on aine, joka on hapon vastakohta. Se muodostuu aineista, jotka vastaanottavat vetyioneja liuoksessa. Kehon yleisin emäsaine on hydroksidi-ioni (OH ). Liuoksen hydroksidipitoisuus määrittelee liuoksen emäksisyyttä. Mitä enemmän liuoksessa on hydroksidi-ioneja sitä emäksisempi se on. Happojen ja emästen reaktiot tuottavat suoloja. HAPPO/EMÄS TASAPAINO Liuoksen happamuus tai emäksisyys mitataan ph taulukossa jonka arvoalue on nollasta neljääntoista.mitä alempi taulukon arvo on sitä vahvempi on liuoksen happamuus. Happo/emäs tasapaino on erittäin tärkeä entsyymien toiminnalle. Entsyymit ovat kemiallisia katalyytteja, jotka joko aktivoivat tai osallistuvat moniin kehon biokemiallisiin reaktioihin. Entsyymit toimivat paremmin ph 7.35-7.45 arvoalueella. Jos liuos on liian emäksinen tai hapan entsyymien toimintaa vähenee. ENTSYYMIT Entsyymit ovat biologisia katalyytteja eli ne nopeuttavat kemiallisia reaktioita. Tavallisesti entsyymit ovat proteiineja, ja ne tarvitsevat toimiakseen kofaktoreita kuten mineraaleja, hivenaineita ja vitamiineja. Entsyymit nopeuttavat biokemiallisia reaktioita vähintään tuhatkertaisesti ja ilman entsyymejä kemialliset reaktiot tapahtuisivat soluissa liian hitaasti, eikä elämä olisi mahdollista. Toimiakseen hyvin, entsyymit tarvitsevat sopivan lämpötilan, liuoksen suolapitoisuuden ja happo/emäs tasapainon. YOGASOURCE FINLAND 2016 PERUSKEMIA 7
ENERGIATUOTANTO ja AINEENVAIHDUNTA Kehossa ei tapahdu mitään ilman energiaa. Siksi on tärkeä ymmärtää mitä energia on ja millä tavalla kehon solut tuottavat energiaa. MITÄ ON ENERGIA? Periaatteessa energia on kaikkialla ja kukaan ei voi sanoa suoraan mitä energia oikeasti on ja mistä se on peräisin. On mahdollista kuvata energia voimana johon koko kosmos, avaruus ja kaikki olennot perustuvat. Fysiologisesti on mahdollista sanoa, että energia johtuu fotoneista eli valokvanteista. Kaikki elämässä käyttämämme energia on periaatteessa valokvanttienergiaa joka on muuntautunut kasvien soluissa klorofylliksi. Klorofylli on fotosynteesin prosessin aikana orgaaniseksi yhdisteeksi muuntunutta valoenergiaa. Eläimet syövät kasveja ja ihmiset syövät sekä eläimiä että kasveja. Sen seurauksena ruumiimme energia ei ole mitään muuta kuin muuntunutta fotonista valoenergiaa. AINEENVAIHDUNTA Aineenvaihdunta on kaikkien kehossa tapahtuvien biokemiallisten reaktioiden loppusumma. Tarkemmin sanottuna aineenvaihdunta on kehon pyrkimys tasapainottaa kaikki anaboliset ja kataboliset reaktiot. Aineenvaihdunta riippuu suurimmaksi osaksi entsyymien toiminnasta ja adenosiinitrifosfaatin (ATP) saatavuudesta. ADENOSIINITRIFOSFAATTI (ATP) Adenosiinitrifosfaatti eli ATP on kehon energiamolekyyli. ATP kuljettaa biokemiallista energiaa soluissa aineenvaihduntaa varten. ATP'ta käytetään aina kun kehossa tapahtuvat biokemialliset reaktiot tarvitsevat energiaa (esimerkiksi lihaksen supistuminen) Adenosiinitrifosfaatti ATP kuljettaa biokemiallista energiaa soluissa aineenvaihduntaa varten. ATP'ta käytetään aina kun kehossa tapahtuvat biokemialliset reaktiot tarvitsevat energiaa (esimerkiksi lihaksen supistuminen). Erityisesti sitä käytetään entsyymien toimintaan ja uusien molekyylien synteesiin. Jokaisella solulla punasoluja lukuunottamatta on oma energiantuotantonsa. ATP tuotetaan mitokondrioissa YOGASOURCE FINLAND 2016 PERUSKEMIA 8
Ihmisen keho tuottaa noin viisikymmentä grammaa ATP molekyylejä vuorokaudessa. Ne kierrätetään 1000 1500 kertaa vuorokauden aikana eli ihmisen arvioidaan käyttävän painonsa verran ATP-molekyylejä vuorokaudessa. ENERGIANTUOUTANTO SOLUISSA Kehon jokainen solu tuottaa itse ATP määrät tarpeisiinsa. Tähän prosessiin solu tarvitsee ravintoaineita. Nämä ravintoaineet ovat hiilihydraatteja, rasvahappoja ja proteiineja eli valkuaisaineita. Mineraalit, hivenaineet ja vitamiinit osallistuvat energiatuotantoprosessiin mutta eivät itse tuota energiaa. On tärkeä ymmärtää että ihmisten kehon energiantuotanto riippuu suurin osa geneettiseen perintöön mutta käyttää aina sekä glukoosimolekyyleja että rasvahappomolekyyleja energiantuotannon prosessin varten. Erikoisolosuhteessa niin kuin paastossa keho voi myös käyttää valkuaisaineita energiantuotantoon mutta käyttää mieluummin hiilihydraattia ja/tai rasvahappoja jos niitä on saatavissa. AEROBINEN JA ANAEROBINEN ENERGIATUOTANTO Soluissa on kaksi tapaa tuottaa ATP molekyyleja: ANAEROBINEN ATP tuotanto - anaerobinen ATP tuotanto eli glykolyysi ei vaadi happea ja tapahtuu jokaisessa solussa kehossa solunlimassa kun glukoosi pilkkoutuu pyruvaattihapoksi. Glukoosin pilkkouttaminen pyruvaatihapoksi on ensimmäinen glukoosin aineenhaihdunnan askel. Anaerobinen energiantuotanto glykolyysin kautta ei tuota paljon ATP'ta mutta punasolut (joilla ei ole mitokondriaa) käyttävät tämän prosessin ainoastaan. AEROBINEN ATP tuotanto - aerobinen ATP tuotanto tapahtuu mitokondriossa ja vaati happea. Mitokondria ovat solun energiatehtaita joissa energia tuotetaan. Tyypillisesti solussa on noin kaksisataa mitokondriaa. Mitokondriossa ATP molekyyleja tuotetaan sitruunahappokierron kautta. Sitruunahappokierto on kahdeksan askelten biokemiallinen reaktio joka tuottaa paljon enemmän ATP'ta kuin glykolyysi. Vain yksi asetyylikoentsyymi A nimitetty molekyyli voi astua sitruunahappokierron sisään tuottamikseen ATP'ta. Asetyylikoentsyymi A tulee sekä pyruvaattihapon pilkkoutumisen että rasvahappojen pilkkoutumisen kautta. Jotkut aminohapot voivat askeltaa sitruunahappokierron sisään eri vaiheessa. ENERGIALÄHTEET Energia tuotetaan ruoka- aineista jotka ovat meidän energianlähteet. On tärkeä ymmärtää että meillä on vain kolme energialähde ryhmää: HIILIHYDRAATIT RASVAT / ÖLJYT VALKUAISAINEET YOGASOURCE FINLAND 2016 PERUSKEMIA 9
HIILIHYDRATIT Hiilihydraatit ovat kaikki viljatuotteet, vihannekset, hedelmät ja sokerit. LoppuLTA lopuksi kaikki hiilihydraatit pilkkoutuvat glukoosiksi joka käy glykolyysin läpi ja tuottaa muutama ATP molekyyleja ja pyruvaattihappo. Pyruvaatti muuttuu edelleen asetyylikonetsyymi-a'ksi joka siirtyy sitruunahappokiertoon. RASVAT / ÖLJYT Tyydyttyneitä rasvoja sanotaan koviksi rasvoiksi. Kovat rasvat ovat huoneenlämmössä kiinteitä, mistä niiden nimikin juontuu. Kerta- ja monityydyttymättömiä rasvoja sanotaan pehmeiksi rasvoiksi eli öljyksi. Kaikki rasvat ovat rasvahapot josta keho voi saada asetyylikoentsyymi-a molekyyleja beta-oksidaatio kautta. Asetyylikonetsyymi-A siirtyy sitruunahappokiertoon. PROTEIINIT ELI VALKUAISAINEET Proteiiniruoat ovat lihatuotteista, siipikarjat, kalat, äyriäisruokia, papuja, maitotuotteet, pähkinöitä, siemeniä ja jotkut vihannesruoat (esim. spiruliina). Kaikki proteiinit rakennetaan aminohapoista. Kehossa on kaksikymmentä eri aminohappoa joita kehon solut rakentavat kaikki kehossa tarpeellista proteiineja. Näistä aminohapoista yhdeksän ovat välttämättömiä, sillä keho ei voi rakentaa näitä aminohappoja itse vaan ne saadaan ainoastaan ruuasta. Kaikki proteiinipitoiset ruuat eivät sisällä kaikkia kahtakymmentä aminohappoa. Kasvis- ja vegaaniruokavaliosta on mahdollista saada kaikki tarpeelliset aminohapot lähinnä eri ruokia yhdistelemällä. Tämä vaatii aiheen hyvää opiskelemista. Proteiinit eli valkuaisaineet ovat kehon perusrakennusaineita, ja siksi kehomme ei käytä niitä ensisijaisena energianlähteenä. Erityistilanteissa (esim. paastotessa) keho joutuu käyttämään väliaikaisesti myös proteiineja energianlähteenä. LISÄAINEET - Vitamiinit, mineraalit ja hivenaineet Vitamiinit, mineraalit ja hivenaineet eivät pilkkoudu vaan ne vapautuvat ruoasta ja imeytyvät suolistosta verenkiertoon. YOGASOURCE FINLAND 2016 PERUSKEMIA 10
JOOGAOHJAAJAN ON HYVÄ TIETÄÄ... PERUSKEMIA ja aerobinen/anaerobinen energiantuotanto ovat kiehtovia aiheita joihin kannattaa paneutua syvemminkin. Elämässä on usein tilanteita missä aineenvaihdunnan ja kemian tietous auttaa ymmärtämään ihmisten hyvinvoinnin ja terveyden tilaa sekä erilaisia käyttäytymistapoja. On olemassa kuuluisa sanonta: " Niin sisäpuolella kuin ulkopuolella ", ja se pitää hyvin paikkansa kemian ja ihmisen elämän suhteessa. Energiantuotanto ruoasta Perinteinen jooginen (ayurvedaan perustuva) ruokavalio suosii tasapainoista ja sattvista kasvisruokavaliota. Kuitenkin sekä henkilökohtaisen että naturopaatin kokemukseni mukaan näyttää siltä, että ruokavalio ja energiantuotanto ovat hyvin yksilöllinen prosessi. Ensisijaisesti ruumiimme tapaan tuottaa energiaa vaikuttavat geneettiset perintötekijämme ja epigeneettiset vaikuttajat. Esimerkiksi lämpimässä maassa elävä ihminen tarvitsee eri ravintoa kuin kylmässä maassa asuva ihminen. Toisaalta useat tekijät vaikuttavat mitokondrioiden toimintaan kuten esimerkiksi stressin määrä, ympäristön myrkyt, happo/emäs tasapaino sekä psykologinen/tunne/henkinen tilanne. Nämä voivat olla epigeneettisiä aiheuttajia jotka määrittelevät geenien toimintaa. Roomalainen filosofi Lucretius sanoi: Yhden ihmisen ruoka on toisen ihmisen myrkky Tämän mukaan aineenvaihdunnan ja energiantuotannon ainoa yleisohje on se, että saadakseen optimaalisen energiatason ihminen tarvitsee yksilöllisen ja oman tietoisuuden mukaisen mahdollisimman hyvän ruokavalion. Nämä ruoat sisältävät aina hyvälaatuisia eri lähteistä saatavia hiilihydraatteja, rasvoja ja proteiineja. Happo/emäs tasapaino Nykyään puhutaan paljon happo/emäs tasapainosta ja sen vaikutuksesta terveydentilaan. Kehossa on olemassa muutama puskurijärjestelmä (esimerkiksi hengittäminen) joiden avulla keho automaattisesti tasapainottaa happaman tai emäksisen tilanteen. Kokemustemme mukaan on parempi opiskella ja ymmärtää happo/emäs tasapaino aihe syvällisesti ennen ruokavaliomuutosten tekemistä. Jooga ja aineenvaihdunta Aineenvaihdunnan biokemialliset prosessit ovat monimutkaisia. Yleisesti sanoen solujen terveys riippuu hyvästä hapen saannista ATP tuotantoa varten, hyvälaatuisista ruuista joista keho saa optimaalisen ruokaaineiden määrän sekä hermoston tasapainosta. Säännölliset asana-, pranayama- ja meditaatioharjoitukset, yksilöllinen hyvälaatuinen ruokavalio ja tasapainoiset elämäntavat ovat askeleita hyvään aineenvaihduntaan. Se miten lähestyt ravintoa, syömistä, harjoituksia ja yleensä elämää on tärkeää. YOGASOURCE FINLAND 2016 PERUSKEMIA 11