Willkommen in der Welt des Adenosintriphosphats, allgemein als ATP bekannt. Dieses bemerkenswerte Nukleotid repräsentiert das Triphosphat des Nucleosids Adenosin.

ATP ist von zentraler Bedeutung als universelle und unmittelbar verfügbare Energiequelle innerhalb von Zellen. Es dient auch als bedeutender Regulator energieerzeugender Prozesse. Die molekulare Struktur von Adenosintriphosphat setzt sich aus einem Adeninrest, dem Zuckermolekül Ribose und drei Phosphatgruppen (von α bis γ) zusammen, die miteinander durch Ester- oder Anhydrid-Bindungen (β und γ) verbunden sind.

Historischer Hintergrund

Die Entdeckung von ATP reicht bis ins Jahr 1929 zurück, als der deutsche Biochemiker Karl Lohmann es erstmalig beschrieb. Die herausragende Rolle von ATP als Hauptenergiequelle in Zellen wurde zwischen 1939 und 1941 von Fritz Lipmann deutlich gemacht. Bereits 1935 hatte Wladimir Alexandrowitsch Engelhardt gezeigt, dass ATP für Muskelkontraktionen unverzichtbar ist. Herman Moritz Kalckar wiederum wies 1937 den Zusammenhang zwischen Zellatmung und der Biosynthese von ATP nach. Efraim Racker war der erste, der ab 1960 Untereinheiten der ATP-Synthase isolierte.

Energiequelle

Energie ist nicht nur für lebende Organismen notwendig, um chemische, osmotische und mechanische Arbeit zu verrichten, sondern auch für Zellen, um ihre vielfältigen Prozesse aufrechtzuerhalten. In dieser Hinsicht ist ATP der am häufigsten genutzte Energielieferant. Die Phosphatreste in diesem Nukleosidtriphosphat sind durch Phosphoranhydrid-Bindungen miteinander verbunden. Diese Bindungen können durch enzymkatalysierte Hydrolyse aufgespalten werden, wodurch Adenosindiphosphat (ADP) und Adenosinmonophosphat (AMP) erzeugt werden.

Signalübertragung

Innerhalb von Zellen fungiert ATP als Cosubstrat für Kinasen, eine wichtige Gruppe von Enzymen, die im Stoffwechsel und bei der Regulation des Stoffwechsels entscheidend sind. Diese Gruppe beinhaltet unter anderem Proteinkinasen wie Proteinkinase A und Proteinkinase C, die je nach ihrem Aktivierungsmechanismus benannt werden. Außerhalb von Zellen spielt ATP ebenfalls eine Rolle, da es als Agonist für purinerge Rezeptoren dient, die im zentralen und peripheren Nervensystem aktiv sind.

Regeneration

Die Zelle stellt ATP aus den bei der Energieabgabe entstehenden Produkten, wie ADP und AMP, wieder her. Dabei erfolgt dies auf zwei unterschiedliche Arten, bekannt als Substratkettenphosphorylierung und Elektronentransportphosphorylierung (Atmungskette). In der Substratkettenphosphorylierung wird ein Phosphatrest an ein Zwischenprodukt des stofflichen Energieabbaus gebunden und dann auf ADP übertragen. In der Elektronentransportphosphorylierung entsteht ein Protonengradient, der durch die ATP-Synthase genutzt wird, um ATP zu erzeugen.

Kurzzeitregeneration in Muskelzellen

In stark beanspruchten Muskelzellen, insbesondere während intensiver körperlicher Aktivität, wird der ATP-Vorrat kurzfristig durch Moleküle mit höherem Gruppenübertragungspotenzial als ATP ergänzt. Kreatinphosphat ist eine solche Reserve, die von der Kreatin-Kinase genutzt wird, um Phosphat an ADP zu übertragen. Wenn dieser Vorrat erschöpft ist, muss die ATP-Regeneration durch die oben genannten Mechanismen allein erfolgen.

Energiebereitstellung in Muskelzellen

Während intensiver Muskelbeanspruchung wird Glucose in der Milchsäuregärung in Lactat umgewandelt, um rasch ATP zu erzeugen. Lactat wird in der Leber wieder zu Pyruvat und dann zu Glucose umgebaut. Diese Glucose dient als Energiequelle für den Muskel und wird im Cori-Zyklus zurückgeführt. Im Notfall werden körpereigene Proteine in Aminosäuren zerlegt und schließlich zu Pyruvat abgebaut, um ATP zu generieren.

Energiebereitstellung im Herzmuskel

Der Herzmuskel nutzt vorrangig Fettsäuren als Brennstoff und baut sie in seinen zahlreichen Mitochondrien in der β-Oxidation ab. Zudem kann auch Glucose, Lactat (durch Rückumwandlung in Pyruvat), Ketonkörper und Glykogen abgebaut werden. Bei hoher Belastung kann der Herzmuskel bis zu 60 % seiner Energie aus der Oxidation von Lactat gewinnen.

Konzentrationen

Die Konzentration von ATP in der Zelle ist ein regulierter Wert. Ein Absinken unter bestimmte Schwellenwerte aktiviert energieliefernde Reaktionen, während ein Überschreiten dieser Schwellenwerte zur Energiespeicherung führt. Diese Regulation erfolgt beispielsweise durch die Bildung von Kreatinphosphat oder Glykogen. Ein durchschnittlicher Erwachsener setzt täglich etwa die Hälfte seiner Körpermasse an ATP um, wobei dieser Umsatz bei intensiver körperlicher Arbeit auf bis zu 0,5 kg pro Minute ansteigen kann.