Die Energiebereitstellung

1.   Einleitung

Unabhängig davon, ob es sich um Nervenzellen, die elektrische Impulse übertragen, oder Muskelzellen, die mechanische Arbeit leisten, handelt, benötigt jede Zelle im menschlichen Körper Energie. Diese Energie ist innerhalb der Zellen in Form von Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert und wird bei der Aufspaltung von ATP in Adenosindiphosphat (ADP) und freies Phosphat (Pi) frei. Da nur ein sehr begrenzter Vorrat an ATP in den Muskeln gespeichert wird, muss ständig für Nachschub gesorgt werden, indem ATP aus ADP und Pi regeneriert wird. Diese Regeneration erfolgt über 3 verschiedene Systeme, welche in ihrer Ausprägung auf die Eigenschaften der Muskelfasern (im Wesentlichen die MyHC-Isoform, „also den Muskelfasertyp“) abgestimmt sind. Die Systeme sind

  • das phosphagene System (höchste metabolische Leistung aber geringste Kapazität
  • das glykolytische System (niedrigere metabolische Leistung aber höhere Kapazität als das phosphagene System)
  • die mitochondriale Atmung (niedrigste metabolische Leistung, jedoch mit Abstand grösste Kapazität)

2.   Das phosphagene System

Die ATP-Resynthese über das phosphagene System findet im Zellplasma statt und umfasst zwei chemische Reaktionen, über welche die Muskelfaser relativ schnell ATP rückgewinnen kann (Kreatinkinase- und Adenylatkinase-Reaktion). 85% der ohnehin bescheidenen Systemkapazität sind durch die Grösse der intrazellulären Phosphokreatin-Speicher (PCr) limitiert, 15% entfallen auf die Energiegewinnung durch die Adenylatkinase-Reaktion.

  • Die Kreatinkinase (Enzym) katalysiert die Reaktion von ADP und PCr zu ATP und Kreatin (Kreatinkinase-PCr-System)
  • Die Adenylatkinase (Enzym) lässt aus 2 Teilen ADP 1 Teil ATP und 1 Teil AMP (Adenosinmonophosphat) entstehen

AMP und dessen Abbauprodukte spielen als intrazelluläre Signalmoleküle eine zentrale Rolle. Beispielsweise stimuliert AMP indirekt den Transport von Glucose und Fettsäuren in die Muskelzellen sowie die Verstoffwechslung dieser Energieträger in den Mitochondrien. Zudem stimuliert es indirekt die Aufspaltung von Glycogen. Schlussendlich steht es im Zusammenhang mit der mitochondrialen Biogenese und die intrazellulären Konzentrationen von ADP und Kreatin stimulieren die mitochondriale Atmung. Somit beeinflussen die Abbauprodukte der ATP-Aufspaltung und die Komponenten des phosphagenen Systems direkt die beiden anderen Energiebereitstellungssysteme. Da das phosphagene System bereits von Beginn weg von den anderen beiden Systemen unterstützt wird, kann es über 20 s lang massgeblich zur Energiebereitstellung beitragen. Wäre es auf sich alleingestellt, wären die PCr-Speicher bereits nach 10 s erschöpft. Mithilfe des phosphagenen Systems puffern wir im Alltag schnelle und kurzzeitige Änderungen des ATP-Bedarfs (z. B. sich von einem Stuhl erheben, vom Gehen zum Sprinten, etc.) ab. Das phosphagene System ist in den Typ II im Vergleich zu den Typ I Muskelfasern besonders gut ausgeprägt.

3   Das glykolytische System

Das glykolytische System umfasst den biochemischen Prozess der Glykolyse. Diese findet wie die Prozesse des phosphagenen Systems im Zellplasma statt. Ausgangspunkt der Glykolyse ist

Glucose-6-phosphat, welches sowohl aus freier Glucose (Blutzucker aus Nahrungsaufnahme, aufgespaltenem Leberglycogen oder Gluconeogenese in der Leber aus Aminosäuren), oder aus dem direkten Abbauprodukt von Muskelglycogen stammen kann. Wie auch das phosphagene System, ist das glykolytische System in den Typ II Muskelfasern besser als in den Typ I Muskelfasern ausgeprägt, wobei die Typ II Muskelfasern auch über grössere Glycogenspeicher als die Typ I Muskelfasern verfügen und besser Glycogen aufspalten können. Typ II Muskelfasern sind somit darauf ausgelegt, ATP via glykolytisches System „aufzubereiten“. Intensive Muskelbeanspruchungen wie z.B. Muskeltraining führen deshalb dazu, dass aufgrund der Rekrutierung der grossen motorischen Einheiten primär die Glycogenspeicher der Typ II Muskelfasern entleert werden, während Ausdauertraining vorwiegend die Glycogenspeicher der Typ I Fasern entleert.

Am Ende der 10 Schritte der Glykolyse steht das Molekül Pyruvat. Dieses kann nun entweder im Zellplasma zu Lactat umgewandelt oder in den Citratcyklus in den Mitochondrien eingeschleust werden.

Wird das aus der Glykolyse stammende Pyruvat zu Lactat umgewandelt, so spricht man von anaerober Glykolyse. Dies, nicht weil kein Sauerstoff vorhanden wäre, sondern weil bei diesen Reaktionen ganz einfach kein Sauerstoff benötigt wird. Die Umwandlung von a) Pyruvat zu Lactat und b) umgekehrt wird durch unterschiedliche Formen des Enzyms Lactat-Dehydrogenase katalysiert, wobei beispielsweise in Typ II Muskelfasern a) und in Typ I Muskelfasern b) vorherrscht. Vereinfacht gesagt, produzieren also die glykolytischen Muskelfasern Lactat und geben dieses ans Blut ab. In der Folge nehmen die oxidativen Muskelfasern das Lactat auf, bauen es zu Pyruvat um und oxidieren dieses. Auch andere Organe nehmen Lactat aus dem Blut auf und verwenden das energiereiche Molekül als Ausgangsstoff für Stoffwechselprozesse (Leber: Gluconeogenese und Energieproduktion; Herz, Gehirn, Nieren: Energieproduktion). Lactat ist somit entgegen der weit verbreiteten Meinung kein Abfallprodukt des anaeroben Stoffwechsels. Es gelangt über spezifische Transporter immer in Kombination mit einem Proton aus der glykolytischen Muskelzelle ins Blut (auch die Aufnahme in die oxidativen Muskelfasern erfolgt über Transporter).

Wird das Pyruvat nicht zu Lactat umgewandelt, gelangt es ins Mitochondrium und wird via Pyruvat-Dehydrogenase zu Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) umgewandelt. Acetyl-CoA stellt den Ausgangsstoff für die aerobe Energiebereitstellung im Mitochondrium dar. Deshalb spricht man in diesem Fall von aerober Glykolyse („unter Gebrauch von Sauerstoff“, nicht „bei Vorhandensein von Sauerstoff“). Zusätzlich zur Herstellung von Acetyl-CoA aus Pyruvat kann Acetyl-CoA in den Mitochondrien auch über den Prozess der β-Oxidation aus Fettsäuren hergestellt werden. Die Fettsäuren gelangen aus dem Blut via Fettsäuretransporter in die Muskelfasern, wobei Typ I Muskelfasern besser mit diesen Transportern als Typ II Muskelfasern ausgestattet sind. Im Zellplasma der Muskelfasern werden die Fettsäuren aktiviert und daraufhin in die Mitochondrien transportiert. Zu diesem Zweck werden Sie kurzfristig an Carnitin gebunden. Carnitin nimmt daher im Fettstoffwechsel die Rolle eines Shuttles ein. Ohne Carnitin könnte kein Fett verstoffwechselt werden. Weiter puffert Carnitin Acetyl-CoA ab, sofern bei hoher Muskelbeanspruchung mehr Acetyl-CoA entsteht, als kurzfristig in den Citratzyklus eingespeist werden kann. Ein Rückstau an Acetyl-CoA hemmt die Oxidation von Fettsäuren und erhöht die Produktion von Lactat.

4   Die mitochondriale Atmung

Im Inneren der Mitochondrien entsteht nun aus den aktivierten Fettsäuren via β-Oxidation Acetyl-CoA. Dieses wird nun im Citratzyklus genauso wie das Acetyl-CoA aus Pyruvat weiterverstoffwechselt und im Endeffekt aus ADP und Pi ATP regeneriert. Im Citratzyklus entstehen aus Acetyl-CoA Kohlendioxid (CO2; diffundiert ins Blut und wird über die Lungen abgeatmet) und Reduktionsäquivalente

(Moleküle, die Wasserstoff- und/oder Elektronen übertragen). Die Reduktionsäquivalente wandern dann entlang der inneren Mitochondrienmembran von Proteinkomplex zu Proteinkomplex und werden schlussendlich auf Sauerstoff übertragen, wobei Wasser und Wärme freigesetzt wird. Bei diesem komplexen Vorgang entsteht ein elektrochemisches Potenzial, dessen Energie für die ATP-Resynthese benutzt wird. Der mitochondriale Sauerstoffverbrauch bestimmt somit den Sauerstoffbedarf des Körpers.