Achtzig Kilogramm ATP am Tag — und kein Gramm davon auf Vorrat

Warum Zellen Energie nicht lagern können

Der Organismus führt zu jedem Zeitpunkt nur wenige Dutzend Gramm des Moleküls, aus dem er seine Arbeit bestreitet: Adenosintriphosphat, kurz ATP. Gemessen am Umsatz ist das eine winzige Menge. Ein erwachsener Mensch baut dieses Molekül im Lauf eines ruhigen Tages in einer Größenordnung ab und wieder auf, die dem eigenen Körpergewicht nahekommt; unter körperlicher Belastung steigt der Wert deutlich darüber. Ein Depot gibt es nicht. Was gebraucht wird, muss in derselben Minute entstehen.

Der größte Teil dieser Nachlieferung findet in den Mitochondrien statt, jenen abgegrenzten Räumen im Zellinneren, deren innere Membran in tiefe Falten gelegt ist. Eine Leberzelle enthält einige hundert davon, eine Herzmuskelzelle ein Vielfaches, eine reife rote Blutzelle keines. An dieser inneren Membran läuft der Vorgang, der in der Physiologie Atmungskette heißt: Elektronen aus der Nahrung werden über eine Reihe von Eiweißkomplexen weitergereicht, bis sie am Ende auf Sauerstoff treffen.

Beteiligt sind daran nicht nur Eiweiße, sondern auch Metall-Ionen und andere Hilfsstoffe, die fest zu den Enzymen gehören. Zwei der Mineralstoffe, die in diesem Zusammenhang genannt werden, führt die Unionsliste mit einem eigenen Eintrag: Magnesium trägt zu einem normalen Energiestoffwechsel bei — Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012. Und in einem zweiten, davon unabhängigen Eintrag: Eisen trägt zu einem normalen Energiestoffwechsel bei — Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012. Beide Sätze gelten jeweils für ihr Element und lassen sich nicht zu einer gemeinsamen Aussage verbinden.

Wie an der inneren Membran ein Ladungsgefälle entsteht

Die Abbauwege von Zucker, Fettsäuren und Aminosäuren enden alle an derselben Stelle: bei zwei Trägermolekülen, die Elektronen aufgenommen haben und sie wieder abgeben müssen. Diese Abgabe geschieht an der inneren Mitochondrienmembran, und sie geschieht nicht in einem Schritt, sondern in kleinen Portionen über mehrere hintereinandergeschaltete Eiweißkomplexe. Bei jedem Wechsel wird ein Teil der frei werdenden Energie genutzt, um Protonen aus dem Innenraum in den Zwischenraum zu befördern.

Vier Komplexe und der Weg der Elektronen

Am Anfang steht ein Komplex, der Elektronen von NADH übernimmt; ein zweiter nimmt sie aus dem Abbau von Bernsteinsäure entgegen. Beide reichen sie an ein kleines fettlösliches Molekül weiter, das in der Membran umherwandert und sie zum dritten Komplex bringt. Von dort geht es über ein wasserlösliches Transportprotein zum vierten und letzten, der die Elektronen auf Sauerstoff überträgt. Aus jeweils vier Elektronen, vier Protonen und einem Sauerstoffmolekül werden dabei zwei Moleküle Wasser.

Das Protonengefälle, das dabei aufgebaut wird, treibt ein fünftes Eiweiß an: eine Art molekularer Rotor, der Adenosindiphosphat und freies Phosphat wieder zu ATP zusammenfügt. Die Kopplung von Elektronenfluss und Phosphatübertragung über ein Membranpotenzial gilt als eine der grundlegenden Einsichten der Biochemie des zwanzigsten Jahrhunderts.

Wo in dieser Kette das Eisen sitzt

Drei der vier Komplexe enthalten eisenhaltige Bausteine. Ein Teil davon sind Hämgruppen, wie sie auch im Blutfarbstoff vorkommen; ein anderer Teil sind Verbände aus Eisen- und Schwefelatomen, die in das Eiweißgerüst eingelassen sind. In beiden Fällen beruht die Funktion auf demselben Kunststück: Das Atom nimmt ein Elektron auf, gibt es weiter und kehrt in seinen Ausgangszustand zurück, ohne selbst verbraucht zu werden. Allein der erste Komplex trägt acht solcher Verbände. Auf dieser Ebene setzt der zugelassene Satz an: Eisen trägt zu einem normalen Energiestoffwechsel bei — Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012.

Warum das Enzym nicht das freie Nukleotid greift

ATP trägt drei Phosphatgruppen mit stark negativer Ladung, die einander abstoßen. In der Zelle liegt das Molekül deshalb kaum jemals allein vor, sondern zusammen mit einem zweiwertigen Magnesium-Ion, das sich zwischen zwei der Phosphatgruppen legt und die Ladung abschirmt. Erst dieser Verbund passt in die Bindetasche der Enzyme, die Phosphat weiterreichen. Auch der Rotor, der ATP an der inneren Membran zusammensetzt, arbeitet mit dieser Form. Dazu die zugelassene Angabe: Magnesium trägt zu einem normalen Energiestoffwechsel bei — Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012.

Was die Faser nach der Anspannung wieder löst

Muskelgewebe gehört zu den Abnehmern, die ihren Bedarf am schnellsten ändern. Beim Anspannen gleiten zwei Filamentsysteme ineinander; beim Lösen muss Calcium in einen inneren Speicher zurückbefördert werden, und diese Pumpe arbeitet mit demselben Nukleotid-Magnesium-Verbund wie die Enzyme des Stoffwechsels. Rund ein Viertel des Körperbestands an Magnesium liegt deshalb in der Muskulatur. Die Europäische Union führt dazu einen eigenen, vom Energiestoffwechsel getrennten Eintrag: Magnesium trägt zu einer normalen Muskelfunktion bei — Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012. Eine entsprechende Angabe zur Muskulatur besteht für Eisen nicht.