ATP und Energieumsatz: Wie Zellen ihre Arbeit finanzieren

Die Wege im Einzelnen

• Glykolyse und Citratzyklus: Kohlenstoff und Elektronen Schritt für Schritt verfolgen

Energie wird in Reaktionen übertragen

Nährstoffe besitzen chemisch nutzbare Energie. Ihr Abbau verläuft in vielen enzymatisch geführten Schritten. Dabei werden Elektronen übertragen, Moleküle umgebaut und kleinere Produkte abgegeben. Die Zelle koppelt günstige Reaktionen an Vorgänge, die für sich Energie benötigen. Diese Kopplung ermöglicht beispielsweise den Aufbau einer neuen chemischen Verbindung oder den gerichteten Transport durch eine Membran. [1][6]

Bei der Hydrolyse von ATP entstehen aus ATP und Wasser ADP und anorganisches Phosphat. Unter den Bedingungen der Zelle kann die Gesamtreaktion Energie für gekoppelte Arbeit bereitstellen. Dazu gehören auch die neuen Bindungen und Wechselwirkungen der Produkte mit ihrer Umgebung. Entscheidend ist die Energiebilanz des gesamten Vorgangs. Enzyme organisieren die Kopplung, etwa indem eine Phosphatgruppe vorübergehend auf ein anderes Molekül übertragen wird. [6]

Die verfügbare Energie pro ATP-Reaktion verändert sich mit den Konzentrationen von ATP, ADP und Phosphat sowie mit weiteren Zellbedingungen. Darum eignet sich ATP als gemeinsam verwendbarer Reaktionspartner, während seine konkrete Wirkung immer in einem bestimmten Enzymsystem entsteht. Eine Pumpe, eine Proteinkinase und ein Motorprotein nutzen jeweils eigene Strukturen, um ATP-Umsatz mit einer gerichteten Veränderung zu verbinden. [6]

Abbildung vergrößern ↗

Ein kleiner Vorrat mit hohem Durchsatz

Eine Zelle erneuert ATP fortlaufend aus ADP und Phosphat. Ihr Bedarf hängt davon ab, wie viele Transportvorgänge, Aufbauprozesse und mechanische Arbeiten gleichzeitig stattfinden. Die vorhandene ATP-Menge und die Geschwindigkeit ihrer Erneuerung sind daher verschiedene Größen. Für eine arbeitende Muskelfaser wird besonders wichtig, wie rasch ihre Bereitstellungswege auf einen steigenden Umsatz reagieren. [1][6]

Phosphokreatin unterstützt in Muskel- und weiteren Zellen den kurzfristigen Phosphattransfer. Die Kreatinkinase verbindet die Reaktion von Kreatin und ATP mit der Bildung von Phosphokreatin und ADP; bei entsprechendem Bedarf kann die Reaktion in Richtung ATP-Bildung laufen. Der Vorrat wird in Phasen geringerer Beanspruchung wieder aufgefüllt. Dieses System koppelt schnelle lokale ATP-Nachbildung an den übrigen Energiestoffwechsel. [36]

Auch die unterschiedlichen ATP-Bildungswege arbeiten gleichzeitig. Ihr jeweiliger Beitrag verschiebt sich mit Belastung, Brennstoffangebot, Enzymausstattung und Sauerstoffversorgung. Beim raschen Arbeitsbeginn kann die direkte ATP-Bildung aus Substraten einen größeren Anteil übernehmen; anhaltende Arbeit stützt sich stark auf die mitochondriale Verarbeitung geeigneter Brennstoffe. Die Übergänge bilden einen laufend veränderten Verbund. [1][2][6][7]

Glykolyse: die erste Rechnung im Zellplasma

Die Glykolyse wandelt ein Molekül Glucose mit sechs Kohlenstoffatomen in zwei Moleküle Pyruvat mit jeweils drei Kohlenstoffatomen um. Sie findet im Zytosol statt. Zunächst werden zwei ATP investiert. In späteren Reaktionen entstehen insgesamt vier ATP, weil die Verarbeitung nach der Aufteilung auf zwei parallelen Dreikohlenstoffwegen weiterläuft. Der Nettoertrag beträgt damit zwei ATP pro freier Glucose. [2][7][8]

Zusätzlich werden zwei NAD⁺ zu NADH reduziert. Diese Elektronenträger müssen wieder in ihre oxidierte Form zurückgeführt werden, damit der betreffende Glykolyseschritt weiterlaufen kann. Bei der Bildung von Lactat aus Pyruvat regeneriert die Lactatdehydrogenase NAD⁺. Die Regeneration von NAD⁺ ermöglicht den weiteren glykolytischen ATP-Gewinn. [7][8][9]

Ein reifes rotes Blutkörperchen besitzt keine Mitochondrien und deckt seinen ATP-Bedarf über die Glykolyse. Zellen mit Mitochondrien können Pyruvat zusätzlich mitochondrial weiterverarbeiten. Schon dieses Beispiel erklärt, weshalb derselbe Ausgangsstoff je nach Zelltyp zu verschiedenen Stoffflüssen führt. [2][7]

Abbildung vergrößern ↗

Pyruvat erreicht die Mitochondrien

Pyruvat muss auf dem Weg zur Matrix beide Mitochondrienmembranen überwinden. Die äußere Membran besitzt unter anderem durchlässige Porenproteine. Der Transport durch die innere Membran erfolgt über den mitochondrialen Pyruvatcarrier. Die Bedeutung dieses eigenen Transportwegs wurde auch an menschlichen Zellen mit krankheitsrelevanten Veränderungen des Carriers untersucht. [9][13]

In der Matrix verarbeitet der Pyruvatdehydrogenasekomplex Pyruvat zu Acetyl-CoA. Von den drei Kohlenstoffatomen wird eines als CO₂ abgegeben; die beiden verbleibenden bilden die Acetylgruppe. Gleichzeitig entsteht NADH. Der Komplex verbindet damit den zytosolischen Glucoseabbau mit einem wichtigen mitochondrialen Eintrittsweg. Ein anderes Matrixenzym, die Pyruvatcarboxylase, kann Pyruvat unter ATP-Verbrauch zu Oxalacetat umwandeln und so Zwischenprodukte nachliefern. [9][17]

Citratzyklus: Übertragen und wieder ergänzen

Die Acetylgruppe verbindet sich im Citratzyklus mit Oxalacetat. Es entsteht Citrat mit sechs Kohlenstoffatomen. Über mehrere Umwandlungen werden zwei Kohlenstoffatome als CO₂ abgegeben und Oxalacetat wiederhergestellt. Pro durchlaufener Acetylgruppe entstehen drei NADH, ein auf FAD beruhendes reduziertes Enzymsystem und ein unmittelbar gewonnenes energiereiches Nukleotid, je nach Enzymvariante GTP oder ATP. [10][17]

Die meisten Schritte liegen in der Matrix. Eine räumlich wichtige Ausnahme bildet die Succinatdehydrogenase in der inneren Mitochondrienmembran. Ihr FAD bleibt am Enzym gebunden; die Elektronen werden über die weitere Membrankette weitergegeben. Dieses Detail verbindet den Kreislauf im Matrixraum direkt mit der Atmungskette. [10][17]

Zwischenprodukte dienen zugleich anderen Aufgaben. Citrat kann zum Aufbau von Fettsäuren beitragen, andere Verbindungen liefern Kohlenstoffgerüste für Aminosäuren oder die Neubildung von Glucose. Damit der Zyklus bei solchen Entnahmen weiterlaufen kann, werden seine Zwischenprodukte durch ergänzende Reaktionen nachgebildet. Der Zyklus verbindet Brennstoffabbau mit dem Stoffaufbau der Zelle. [9][10][17]

Abbildung vergrößern ↗

Atmungskette und ATP-Synthase

NADH überträgt Elektronen auf Komplex I der Atmungskette. Elektronen aus der Succinatreaktion gelangen über Komplex II in das System. Weitere bewegliche Überträger verbinden die Membrankomplexe. Am Ende nimmt Sauerstoff Elektronen auf; zusammen mit Protonen entsteht Wasser. Der Sauerstoffverbrauch ist so Teil der fortlaufenden Rückgewinnung oxidierter Elektronenträger. [41][42][43]

Die Komplexe I, III und IV befördern bei ihrem Elektronentransport Protonen aus der Matrix in den Intermembranraum. Dadurch entsteht ein elektrochemischer Unterschied über der inneren Membran. Die ATP-Synthase lässt Protonen durch ihren Membranteil zurückströmen und koppelt diese Bewegung mit der Bildung von ATP auf der Matrixseite. Komplex II speist Elektronen ein, ohne selbst Protonen zu pumpen. [41][43]

Auch der Austausch von ADP, ATP und Phosphat sowie Transport- und Nebenwege beeinflussen die Bilanz. Bei einer vollständigen Glucoseverwertung hängt die tatsächlich nutzbare ATP-Ausbeute deshalb unter anderem vom Transfer zytosolischer Elektronen, von der Kopplung der Membran und vom laufenden Zellbedarf ab. Für die Glykolyse lässt sich ein klarer Nettoertrag angeben; die Gesamtleistung einer lebenden Zelle benötigt zusätzlich ihre Betriebsbedingungen. [6][7]

Bedarf verändert den Umsatz

Steigt bei einer Arbeit der ATP-Verbrauch, werden ADP und Phosphat erneut verfügbar. Dadurch verändert sich das Angebot an Ausgangsstoffen für die ATP-Bildung. Die mitochondriale Atmung reagiert unter anderem auf die Verfügbarkeit von ADP. Auch Brennstoffzufuhr, Elektronenträger und Membranzustand wirken an der Abstimmung mit. So ist der Bedarf mit den bereitstellenden Reaktionen verbunden. [1][45]

Für den laufenden Transport müssen ATP und ADP zwischen Matrix und dem übrigen Zellraum ausgetauscht werden. Auch anorganisches Phosphat wird für die Bildung benötigt. Die Energieübertragung umfasst daher zusätzlich zu den Enzymen der Atmungskette eigene Transportproteine. Eine stark vergrößerte Darstellung der inneren Membran kann diese Aufgaben voneinander trennen: Elektronen laufen entlang der Kette, Protonen durchqueren die Membran und Nukleotide wechseln über eigene Transportwege ihren Raum. [44][45]

Elektronenträger besitzen verschiedene Rollen

NAD⁺ und NADH bilden ein oxidiertes und reduziertes Paar. Bei bestimmten Abbaureaktionen nimmt NAD⁺ Elektronen auf; die spätere Rückübertragung macht NAD⁺ wieder verfügbar. Der Träger verbindet somit Enzyme, die räumlich oder innerhalb einer Reaktionsfolge voneinander getrennt sind. Sein Verhältnis der beiden Zustände beeinflusst zugleich die Bedingungen weiterer Reaktionen. [6][41]

NADPH ist ein verwandter, anders eingesetzter Cofaktor. Es wird beispielsweise im Pentosephosphatweg bereitgestellt und unterstützt Reduktionsaufgaben beim Aufbau sowie in Redoxsystemen. Ein Reaktionsschema unterscheidet deshalb NADH und NADPH ausdrücklich. Ebenso wird FAD am Succinatdehydrogenaseenzym gebunden eingesetzt, während die dort weitergegebenen Elektronen die nachgeschalteten Membranüberträger erreichen. [10][22]

Vom Sitzen zum Treppensteigen

Beim Aufstehen und Treppensteigen ändern Muskelfasern ihren mechanischen und ionischen Arbeitsaufwand. Die vorhandenen ATP-umsetzenden Proteine werden aktiver; lokale Systeme der ATP-Regeneration reagieren auf den steigenden Verbrauch. Phosphokreatin unterstützt den raschen Transfer, während glykolytische und mitochondriale Wege ihre Anteile verändern. Blutfluss, Atmung und Substratbereitstellung tragen zur Versorgung der arbeitenden Organe bei. [1][2][36]

Während einer ruhigeren Phase sinkt der mechanische Aufwand. Stoffwechselarbeit, Membrantransport und die Erneuerung kurzfristig beanspruchter Vorräte laufen dennoch weiter. Die Energieversorgung begleitet damit sowohl die sichtbare Bewegung als auch die wiederherstellenden Vorgänge danach. Mehrere gleichzeitig aktive Wege stimmen die Energieversorgung zeitlich aufeinander ab. [1][2][36]

Fett als mitochondrialer Brennstoff

Fettzellen speichern Triglyceride in Lipidtropfen. Bei ihrem Abbau werden Fettsäuren und Glycerol frei. Freigesetzte unveresterte Fettsäuren reisen im Blut überwiegend an Albumin gebunden zu anderen Geweben. Innerhalb geeigneter Zellen werden sie aktiviert und ihrem weiteren Verwendungsweg zugeführt. [3][27]

Die β-Oxidation verkürzt Fettsäureketten schrittweise. Dabei entstehen Acetyl-CoA und reduzierte Elektronenträger. Bei langen Ketten ist der Carnitinweg für den Übertritt der Acylgruppe durch die innere Mitochondrienmembran wichtig. In der Matrix schließen sich die Abbaurunden und die Weiterverarbeitung ihrer Produkte an. Der Zusammenhang mit Atmungskette und Sauerstoffversorgung erklärt die Bedeutung von Mitochondrien für diesen Energiebeitrag. [11][19]

Die Leber kann aus Acetyl-CoA Ketonkörper bilden, wenn sich die hormonelle Lage und das Substratangebot entsprechend verschieben. Acetoacetat und β-Hydroxybutyrat gelangen über das Blut zu nutzenden Organen. Dort führen weitere Reaktionen wieder zu Acetyl-CoA. Die Leber selbst besitzt den für die wesentliche Rückverwertung benötigten SCOT-Schritt nicht. [3][35]

Eine regulierte Ketonkörperbildung gehört zu physiologischen Anpassungen. Bei einer diabetischen Ketoazidose können ausgeprägter Insulinmangel und gegenregulatorische Signale dagegen eine überschießende Bereitstellung, erhebliche Stoffwechselentgleisung und eine metabolische Azidose auslösen. Der Begriff bezeichnet eine gefährliche Erkrankungssituation mit gestörter Regulation und verändertem innerem Milieu. [35]

Aminosäuren zwischen Aufbau und Energiegewinnung

Aminosäuren werden laufend aus Nahrung und Proteinabbau bereitgestellt. Ihre Kohlenstoffgerüste können nach Verarbeitung der stickstoffhaltigen Gruppen in den Pyruvat-, Acetyl-CoA- oder Citratzyklusstrom eingehen. Die Eintrittsstellen unterscheiden sich je nach Aminosäure. Zugleich bleiben viele dieser Moleküle für Proteinsynthese, Botenstoffe und weitere Aufbauwege benötigt. [4][23][30]

Stickstoff wird bei Transaminierungen zwischen Molekülen übertragen und unter anderem auf Glutamat gesammelt. Freigesetztes Ammonium und weiterer Stickstoff gelangen in der Leber in den Harnstoffweg. Der gebildete Harnstoff wird über das Blut zur Niere transportiert und ausgeschieden. Energiegewinnung aus Aminosäuren verbindet daher Kohlenstoffverarbeitung mit einer eigenständigen Stickstoffentsorgung. [4][12][21][23]

Organe versorgen einander

Nach einer Mahlzeit fördert Insulin unter anderem Glykogenbildung, Fettspeicherung und die Verarbeitung von Aminosäuren. Muskel- und Fettzellen können ihre Glucoseaufnahme über GLUT4 verändern. Zwischen Mahlzeiten tragen Leberglykogenabbau und Glucoseneubildung zur Blutglucose bei; die Niere beteiligt sich abhängig vom Stoffwechselzustand ebenfalls. Die Prozesse überlappen und verändern ihre Gewichtung. [2][3][20][28][29]

Muskelglykogen dient überwiegend der betreffenden Muskelfaser. Die Leber kann dagegen freie Glucose für den Kreislauf abgeben. Lactat aus anderen Geweben und Glycerol aus Fettabbau liefern mögliche Vorstufen. In einer nächtlichen Nahrungspause werden solche Organverbindungen fortgesetzt, während gleichzeitig zahlreiche Gewebe Fettsäuren nutzen. Die zentrale Aufgabe besteht in der laufenden Abstimmung auf unterschiedliche Zellbedürfnisse. [2][3][20][29]

Arbeit, Wärme und Energieumsatz

Der Energieumsatz umfasst die Energiemenge, die ein Körper in einer bestimmten Zeit umsetzt. Zum Grundumsatz gehören unter genau festgelegten Ruhebedingungen unter anderem Kreislauf, Atmung, Stoffwechselarbeit und die Aufrechterhaltung innerer Zellzustände. Bewegung und weitere Belastungen verändern den zusätzlichen Aufwand. Auch Verdauung und Verarbeitung von Nahrung tragen dazu bei. [1][31]

Energie kann in Kilojoule oder Kilokalorien angegeben werden. Für den Umsatz gehört zusätzlich ein Zeitraum dazu, etwa ein Tag. Die Zeitangabe macht den Unterschied zwischen einer Energiemenge und einer Umsetzungsrate sichtbar. Körperzusammensetzung, Größe, Alter, hormonelle Bedingungen und aktuelle Aktivität beeinflussen, wie sich die einzelnen Beiträge zum täglichen Gesamtumsatz zusammensetzen. [1]

Bei Stoffwechselarbeit entsteht Wärme. Sie wird über Strahlung, direkten Kontakt, bewegte Luft beziehungsweise Flüssigkeit und die Verdunstung von Wasser ausgetauscht. Durchblutung und Schweißabgabe verändern diese Wege. Dadurch verbindet sich die molekulare Energieübertragung mit der Temperaturregelung des ganzen Körpers: Was als Brennstoff in einer Zelle ankommt, trägt zu ihrer Arbeit und zum Wärmehaushalt bei. [1][31]

Die miteinander verbundenen Wege der ATP-Bereitstellung

Wichtige Begriffe

Zellmembran

Lipiddoppelschicht mit Proteinen; organisiert Stoffaustausch und Signalübertragung. [46]

Zellkern

Enthält den größten Teil der zellulären DNA innerhalb einer Doppelmembran mit Kernporen. [47]

Kernkörperchen

Bereich des Zellkerns, in dem ribosomale RNA verarbeitet und ribosomale Untereinheiten zusammengebaut werden. [47]

Chromatin

Verbund aus DNA und zugehörigen Proteinen im Zellkern. [47]

Mitochondrien

Doppelmembranorganellen mit Matrix und innerer Membran; verbinden unter anderem Citratzyklus, Elektronentransport und ATP-Bildung. [46]

Raues ER

Membransystem mit angelagerten Ribosomen; beteiligt an Bildung und Verarbeitung sekretorischer und vieler Membranproteine. [46]

Glattes ER

Ribosomenfreies Membransystem mit Aufgaben in Lipidstoffwechsel und Calciumhaushalt. [46]

Golgi-Apparat

Gestapeltes Membransystem zur Verarbeitung und Sortierung von Zellprodukten. [46]

Golgi-Vesikel

Membranumhüllte Transportbläschen im Verkehr zum und vom Golgi-Apparat. [46]

Sekretvesikel

Membranbläschen mit Fracht, die durch Verschmelzung mit der Zellmembran abgegeben werden kann. [46]

Ribosomen

Komplexe aus RNA und Proteinen, an denen Aminosäuren entsprechend einer mRNA zu Proteinen verknüpft werden. [46]

Lysosom

Saures membranumhülltes Kompartiment zum enzymatischen Abbau aufgenommener oder zelleigener Stoffe. [46]

Peroxisom

Membranorganell mit oxidativen Enzymen, unter anderem für Lipidverarbeitung und Wasserstoffperoxid-Umsatz. [46]

Zytoplasma

Zellinhalt außerhalb des Zellkerns; umfasst Zytosol, Organellen und weitere Strukturen. [46]

Mikrotubulus

Röhrenförmiges Tubulinfilament; dient unter anderem als Transportbahn und Bestandteil des Spindelapparats. [46]

Mikrofilament

Dünnes Aktinfilament mit Aufgaben in Zellform, Bewegung und Kraftentwicklung. [46]

Intermediärfilament

Zytoskelettfaser, die zur mechanischen Belastbarkeit von Zellen beiträgt. [46]

Zentrosom

Mikrotubuli-organisierender Bereich vieler tierischer Zellen mit Zentriolen und umgebendem Proteinmaterial. [46]

Vakuole

Allgemeiner Begriff für einen membranbegrenzten Zellhohlraum; menschliche Zellen gliedern ihren Transport und Abbau unter anderem in Vesikel, Endosomen und Lysosomen. [46]

Substratkettenphosphorylierung

ATP- oder GTP-Bildung durch unmittelbare Übertragung einer Phosphatgruppe von einem Zwischenprodukt. [7][10]

Protonenmotorische Kraft

Gemeinsame Wirkung von Membranpotential und Protonenkonzentrationsunterschied über einer Membran. [41][44]

Phosphokreatin

Phosphorylierte Kreatinform, die über die Kreatinkinase rasch mit ATP und ADP reagiert. [36]

Diese Zusammenhänge vertiefen

• Glykolyse und Citratzyklus: Kohlenstoff und Elektronen Schritt für Schritt verfolgen

Im Gesundheitswissen weiterlesen

• Stoffwechsel und Energiehaushalt
• Mitochondrien: Räume, Membranen und Energieumwandlung
• Skelettmuskeln: von der Zellarchitektur zur abgestimmten Kraft
• Die Bauchspeicheldrüse: Verdauungsdrüse und hormonelles Schaltorgan