Alles über ATP – und warum es für Keto wichtig ist

ATP Energie? Was soll das denn jetzt schon wieder sein? Es ist eigentlich ganz einfach… ATP gilt als universeller Energieträger. Es sorgt in deinem Körper für die Energieversorgung. Dein Körper benötigt jederzeit Energie, um lebenswichtige Aufgaben erfüllen zu können. ATP-Moleküle machen das erst möglich! Durch das ATP kann dein Körper dann beispielsweise die Körpertemperatur aufrechterhalten, neue Körperbestandteile herstellen, Stoffe über die Zellmembran transportieren oder die Muskelkontraktion ermöglichen.

Auch bei Keto hat ATP wichtige Aufgaben. Ohne das ATP würde das ganze Prinzip von Keto gar nicht erst funktionieren. Warum das so ist und welche Aufgaben das ATP bei Keto hat, erfährst du in diesem Artikel.

So kannst du dir das ATP vorstellen…

Der Name Adenosintriphosphat setzt sich aus drei Komponenten zusammen. Aus der Base Adenin, dem Zucker Ribose und drei Phosphat-Molekülen. Daraus ergibt sich auch die Bezeichnung „Aden-os-in-tri-phosphat“. ATP gilt daher als Nukleotid (Baustein für die Nukleinsäure).

Genau gesagt ist das Adenosintriphosphat (ATP) das wichtigste Bindeglied zwischen dem Energienachschub und der Energienutzung in deinem Körper. Die Phosphorylierung und Hydrolyse von ATP ist dabei entscheidend. Klingt erst einmal merkwürdig, ist aber eigentlich gar nicht so schwer zu verstehen.

• In der Phosphorylierung von ADP zu ATP setzt sich ein drittes Phosphat-Molekül an das ADP und es entsteht ATP. Damit steht deinem Körper Energie in Form von ATP zur Verfügung.
• Bei der Hydrolyse spaltet Wasser das ATP wieder in ADP und Phosphat (P_i). In diesem Schritt setzt das ATP die Energie frei, die dein Körper dann auch nutzen kann.

Dein Körper baut also ATP immer wieder auf und ab. Die Energie wird immer wieder bereitgestellt und genutzt. Dieser Prozess wiederholt sich am Tag über Milliarden Male in deinem Körper. Der größte Teil der Energie entsteht in den Mitochondrien im Körper, im Kraftwerk der Zelle.

Batterie voll, halbleer und leer – ATP, ADP und AMP

Es gibt den Baustein nicht nur als ATP (drei Phosphate) und ADP (zwei Phosphate), sondern auch mit nur einem Phosphat-Molekül. Sollte nur ein Phosphat an die Ribose dran gehängt sein, sprechen Experten von AMP (Adenosinmonophosphat), bei zwei Phosphaten von Adenosindiphosphat (ADP). Wenn ATP ein Phosphat abspaltet (Hydrolyse), entsteht ADP. Spaltet ADP wieder eins von den zwei übrigen Phosphaten ab, entsteht AMP. Dabei verliert das Molekül immer mehr Energie. ATP ist am energiereichsten, das AMP am energieärmsten.

Du kannst dir das in etwa wie eine Batterie vorstellen. ATP bedeutet volle Batterie, ADP ist sie halbleer und bei AMP ist sie ganz leer. Das AMP hat also für die Energieversorgung dann keine große Bedeutung mehr, weil es nur ganz wenig Energie enthält. Dein Körper regeneriert hingegen das ATP mit ADP und Phosphat. Dieser Schritt ist eine wichtige Voraussetzung für sämtliche Prozesse in deinem Stoffwechsel.

Dein Körper braucht immer ausreichend Phosphat. Damit das Phosphat auch immer zur Verfügung steht, nutzt dein Körper das AMP. Nochmal zur Wiederholung: AMP ist vom Aufbau das gleiche wie ATP. Es enthält aber nicht drei Phosphat-Gruppen, sondern nur eine – deshalb Adenosinmonophosphat (und nicht Adenosintriphosphat). Mit nur einem Phosphatmolekül ist das AMP aber total energiearm. Dein Körper kann es also für die Energiegewinnung nicht gebrauchen. Und genau dafür nutzt der Körper das AMP zur Phosphatbereitstellung. Er hydrolysiert das ATP zu AMP und Pyrophosphat. Er spaltet also zwei Phosphatmoleküle von ATP ab und setzt gleichzeitig Energie frei.

Damit hat dein Körper wieder genug Phosphat für die Energieversorgung.

Was nützt das ATP in unserem Körper?

Die Verfügbarkeit von ADP kontrolliert die ATP-Nutzung. Ist also viel ADP vorhanden, kann dein Körper auch viel ATP nutzen. Braucht dein Körper schließlich viel Energie, muss er auch viel ATP zur Verfügung stellen. Baut dein Körper das ATP in ADP und Phosphat ab, setzt der Abbau gleichzeitig Energie frei. Es steht damit wieder ADP zur Verfügung. Deshalb ist es besonders wichtig deinen Energiebedarf mit der Aufnahme von Lebensmitteln  zu decken. Die Lebensmittel liefern die Energie, die du brauchst.

Dein Körper kann verschiedene Kraftstoffquellen nutzen. Am meisten nutzt er Glucose, die von den Kohlenhydraten bereitgestellt wird. Nimmst du viele Kohlenhydrate auf, kannst du dem Körper auch viel Glucose bereitstellen. Die Glucose geht in die Glykolyse. Dort baut dein Stoffwechsel die Glucose in Pyruvat um. Letztendlich baut dein Körper das Pyruvat in ATP um.

Aber was ist, wenn deine Kohlenhydrataufnahme sowieso schon sehr gering ist? Angenommen du ernährst dich bereits nach Keto. Mit einer ketogenen Ernährung nimmst du viel Fett, wenig Kohlenhydrate und ausreichend Proteine auf. Deine tägliche Kohlenhydrataufnahme liegt demnach meist nur bei etwa 20g. Aus der kleinen Kohlenhydratanzahl kann dein Körper längst nicht genug Energie gewinnen. Aus den 20g kann er gerade einmal die roten Blutkörperchen mit Glucose versorgen, um den Sauerstofftransport im Blut sicherzustellen. Aber das ist überhaupt nicht schlimm! Deshalb gibt es freie Fettsäuren und Ketonkörper! Dein Körper kann die freien Fettsäuren aus der Nahrungsfettaufnahme oder vom eigenen Körperfett gewinnen. Diese Fettsäuren verbrennt er dann im Citratzyklus (und anderen Stoffwechselwegen) und stellt damit ATP bereit.

Die Ketonkörper gewinnt dein Stoffwechsel aus einem kleinem Reststoff, dem Acetyl-CoA.

Wenn dein Körper also aus Glucose keine ATP Energie gewinnen kann, benutzt er die Fette. Vor allem die Ketonkörper können dir dabei viel Energie liefern – meist sogar mehr als Glucose.

Die Rolle von ATP bei der Energieaufnahme

Dein Körper verwendet ATP also immer für die Hydrolyse zu ADP und Phosphat. Er nimmt Energie auf und verbraucht sie – die endotherme (Energieaufnahme) und exotherme (Energieverbrauch) Reaktion. Bei der Energieaufnahme funktionieren folgende Schritte nur mit ATP:

1. Phosphorylierung einer Hydroxylgruppe von einer der Aminosäuren (Serin, Theronin oder Tyrosin). Phosphoryliert der Stoffwechsel eine der drei Aminosäuren dient das zur Bereitstellung chemischer Energie im Molekül.
2. Produktion von Glutamin durch Glutamat und Ammoniak.
3. Übertragung der S-Adenosylmethionin von ATP auf ein anderes Substrat. Die Methylgruppe der Aminosäure Methionin wird dabei aktiviert. Diese Reaktion ermöglicht die Bildung von S-Adenosylmethionin.

Nimmst du ausreichend Lebensmittel zu dir, ist das ATP auch immer in ausreichender Menge in deinem Körper vorhanden. Die Menge von ATP ist dabei immer höher als von ADP. Das gewährleistet eine fortführende ATP-Hydrolyse (ATP + H₂O = ADP + P_i).

Wenn du nicht genug Nahrung zu dir nimmst, kann dein Körper nicht ausreichend ATP zur Verfügung stellen. Du brauchst also Nährstoffe, die dir die Energie liefern. Bei Keto sind es hauptsächlich die Fette, die deinem Körper die Energie einbringen. In vielen Mythen heißt es, dass du unbedingt viele Kohlenhydrate brauchst, um energiegeladen zu sein. Fette können aber genauso ATP zur Verfügung stellen.

Wenn dein Körper keine ATP Energie mehr hat, kann er auch nicht mehr funktionieren. Ähnlich wie bei einer leeren Batterie. Das Gerät (in dem Fall dein Stoffwechsel) würde dann einfach abschalten.

Der Transport von Stoffen über deine Zellmembran

Fettlösliche Verbindungen diffundieren durch die Zellmembran. Sie können sich dabei in der Zellmembran auflösen. Dabei handelt es sich um die passive Diffusion. Eine Diffusion ist einfach nur eine Durchmischung von zwei verschiedenen Stoffen. Durch die Diffusion will der Körper einen Konzentrationsausgleich der beiden Stoffe erreichen. Wasserunlösliche Verbindungen brauchen ein Transportprotein, damit sie die Zellmembran überqueren können. Heutzutage nennen viele diesen Transport die

Der Transport der Substanzen kann auf drei Hauptwegen erfolgen: Proteinbindung, „Metabolic Trapping“ und aktiver Stofftransport. Die letzten beiden Wege funktionieren nur mit Energie. Bei allen Wegen brauchen die Stoffe aber trotzdem einen Packesel (Transportprotein).

1. Proteinbindung für die Aufnahme von Stoffen

Wasserunlösliche Verbindungen können also nur über einen Packesel in die Zelle. Die wasserunlösliche Verbindung muss sich also zuerst an ein Protein binden. Das kann nur mit Energie passieren. Erst dann kann der Stoff über das Protein in die Zelle eingehen. Die Proteine, die an Stoffe gebunden sind, sind für die Darmabsorption von zum Beispiel Calcium und Eisen besonders wichtig. In dem Fall bindet der Packesel – also das Protein – Stoffe, wie Calcium oder Eisen. Erst dann kann das Protein diese Stoffe durch die Zellmembran transportieren. Ohne das Protein würden sie sich einfach auflösen, obwohl sie eigentlich in die Zelle sollten.

2. Metabolic Trapping

Was ist Metabolic Trapping? Hier ein Beispiel anhand von Glucose:
Glucose kann die Zelle nur über einen Packesel betreten. Sobald sie in der Zelle ist, phosphoryliert dein Stoffwechsel die Glucose. Es entsteht Glucose – 6 – Phosphat, eine aktivierte Form von Glucose um dem Stoffwechsel zu dienen. Diese Reaktion katalysiert das Enzym Hexokinase. Damit diese Reaktion ablaufen kann, braucht dein Körper unbedingt das ATP.

Bleiben wir weiterhin bei dem Beispiel von Glucose… Das Enzym nutzt das ATP als Phosphat-Spender für die Glucose. Dein Körper kann das Glucose in dem Fall also nur phosphorylieren, wenn ATP zur Verfügung steht. Die phosphorylierte Glucose – 6 – Phosphat überquert diesmal nicht die Zellmembran. Es bleibt in der Zelle und sammelt sich dort an.

Das Ganze hat den Sinn, dass die Stoffe nicht mehr aus der Zelle entweichen können und deshalb in der Zelle wirken. Sobald die Stoffe phosphoryliert wurden, können sie die Zellmembran nicht mehr passieren und bleiben gefangen.

3. Ionenpumpen und der aktive Stofftransport

Der aktive Stofftransport erfolgt gegen das Konzentrationsgefälle. Das heißt: die Packesel (also die Transportproteine) transportieren die Stoffe gegen den Strom. Dafür brauchen sie Energie. Die Hydrolyse von ATP stellt dabei die Energie bereit. Die ATPase (zugehöriges Enzym) spaltet also das ATP in der Hydrolyse nun wieder zu ADP und P_i. Erst dadurch kann der aktive Stofftransport ablaufen.

Darum ist ATP bei Keto sehr entscheidend

Du nimmst bei Keto viel Fett, wenig Kohlenhydrate und ausreichend Proteine auf. Das Fett ist also die Nahrungsquelle, die dir die Energie liefert. Dein Körper baut das Fett in Ketonkörper ab. In unzähligen Stoffwechselvorgängen können die Ketonkörper ATP erschaffen. Dein Körper nutzt dann das ATP für viele Aufgaben. Welche Aufgaben das genau sind, hast du bereits oben erfahren.

Eine ketogene Ernährung verspricht viel Energie – mehr Energie als du von den Kohlenhydraten bekommen würdest. Deshalb fühlst du dich am Tag auch ausgeglichener und energiegeladener. Mit mehr ATP bist du nicht mehr so erschöpft und fühlst dich stressfreier. Also ist das ATP letztendlich mit dafür verantwortlich. ATP hilft dir also, dieses energiegeladene Gefühl haben. Ja, aber warum hast du denn mit Keto mehr ATP Energie?

Woher kommt das ganze ATP?

Die Energie kommt direkt aus dem Fett. Aus einem Molekül einer Fettsäure gewinnt der Körper viel Energie. Er kann aus einem Molekül einer Fettsäure viel mehr Energie als von einem Molekül Glucose freisetzen. Genau gesagt kannst du (oder dein Körper) aus einer Fettsäure 129 ATP-Moleküle gewinnen, aus Glucose nur 38. Das liegt daran, dass der Kohlenhydratstoffwechsel weniger ATP Energie gewinnen kann als der Fettstoffwechsel.

So bekommt der Körper ATP aus den Kohlenhydraten

Kohlenhydrate dienen der Energiegewinnung. Das braucht aber verschiedene Stoffwechselvorgänge. In den Stoffwechselvorgängen entsteht ATP – aber nicht nur ATP, sondern auch wichtige Zwischenprodukte. Diese Zwischenprodukte sind eine Voraussetzung für die darauffolgenden Stoffwechselprozesse. Welche Stoffwechselvorgänge das sind, erfährst du jetzt.

Die Glykolyse soll ein Glucose Molekül in zwei Pyruvat Moleküle abbauen. In der Glykolyse gewinnt dein Körper 4 ATP. Er braucht aber davon wieder 2 ATP, um die Glykolyse abzuschließen. Es entstehen insgesamt also 2 Moleküle ATP (neben den 2 Molekülen Pyruvat). Die Glykolyse ist wichtig, weil nur mit der Glykolyse die anderen Schritte ablaufen können. Die folgenden Schritte brauchen das Endprodukt der Glykolyse, also das Pyruvat.

Nach der Glykolyse reagieren die 2 Pyruvat Moleküle mit dem Co-Enzym A. Es entstehen 2 Moleküle Acetyl-CoA, die in den Citrat-Zyklus eingehen können. Dieser Schritt nennt sich die oxidative Decarboxylierung.

Im Citrat-Zyklus gewinnt der Körper in mehreren Schritten Energie. Es ist quasi die Energiemaschine im Körper. Damit diese Maschine aber funktioniert, braucht dein Körper auch wieder Energie. Zum Schluss kann er durch den Citrat-Zyklus wieder nur 2 ATP Moleküle gewinnen. Nun hat er schon mal 4 ATP Moleküle.

Als nächstes folgt dann die Atmungskette. Dort oxidiert der Körper bereitgestellten Wasserstoff. Das bringt diesmal ganze 30 ATP Moleküle. Eigentlich setzt nicht die Atmungskette selbst die Energie frei, sondern die entstandenen NADH+H⁺ Moleküle.

Aus FADH₂ kann der Stoffwechsel noch einmal zusätzlich 4 Moleküle ATP gewinnen.

Die Zwischenprodukte NADH+H⁺ und FADH₂ sind Co-Enzyme, die für das Funktionieren der ganzen Stoffwechselvorgänge sorgen. Ähnlich wie ATP sorgen sie für den Antrieb. Wenn dein Stoffwechsel die Co-Enzyme quasi als Kraftstoff benutzt, kann er erst das ATP freisetzen.

Insgesamt stellen die Stoffwechselvorgänge beim Kohlenhydratstoffwechsel ganze 38 ATP Moleküle zur Verfügung.

Durch Fette mehr als 3x so viel ATP Energie

So genug zum Kohlenhydratstoffwechsel… Was passiert denn jetzt mit den Fetten? Diesmal nehmen wir Palmitinsäure als Beispiel für den Fettstoffwechsel. Damit die Fettsäure dem Fettstoffwechsel überhaupt dienen kann, müssen vorher drei Schritte ablaufen.

Beim ersten Schritt aktiviert der Stoffwechsel die Fettsäure. Dabei setzt sich der Fettsäure CoA hinzu, sodass Acyl-CoA entsteht.

Der zweite Schritt ist der Transport vom Acyl-CoA aus dem Zytoplasma bis in die Mitochondrienmatrix. Wenn Acyl-CoA in der Mitochondrienmatrix ist, kann auch die ß-Oxidation ablaufen.

Der dritte Schritt ist dann auch schon die sogenannte ß-Oxidation (Beta-Oxidation). Die ß-Oxidation ist für den Fettstoffwechsel besonders wichtig, weil der Körper die Energiebereitstellung dadurch erst sicherstellen kann. In der ß-Oxidation baut dein Körper die aktivierte Fettsäure (in dem Fall Acyl-CoA) oxidativ ab. Dabei werden immer wieder C₂-Bruchstücke abgespalten bis letztendlich Acetyl-CoA vorliegt (also jeweils immer die zweiten Kohlenstoffatome). Die Dauer der ß-Oxidation ist immer unterschiedlich – je nachdem wie lang die Fettsäure ist und wie viele C₂ Bruchstücke abgespalten werden müssen. Letztendlich entsteht Acetyl-CoA, das auch in den Citrat-Zyklus eingehen kann.

Palmitinsäure hat 16 Kohlenstoffatome. Das sind 7 Runden ß-Oxidation, bis Acetyl-CoA entsteht. Das heißt, in der ß-Oxidation werden 7-mal C₂-Bruchstücke abgespalten. Dadurch entsteht Acetyl-CoA.

Das ganze Verfahren liefert nicht nur Acetyl-CoA, sondern auch FADH₂ und NADH+H⁺ (die CoEnzyme). Insgesamt ergeben sich aus einer Fettsäure (Palmitinsäure) 8 Acetyl-CoA, 7 FADH₂ und 7 NADH+H⁺. Umgewandelt bedeutet das folgendes:

• 1x Acetyl-CoA liefert 12 ATP-Moleküle: 8x 12 ATP = 96 ATP
• 1x FADH₂ liefert 2 ATP Moleküle: 7x 2 ATP = 14 ATP
• 1x NADH+H⁺ liefert 3 ATP Moleküle: 7x 3 ATP = 21 ATP

Insgesamt sind das 131 ATP Moleküle. Von den 131 ATP Molekülen braucht die Aktivierung Also entstehen letztendlich ganze 129 ATP Moleküle aus einer Fettsäure.

Was heißt das für Ketarier und Low Carb Fans?

Auch mit Kohlenhydraten kannst du deinem Körper reichlich ATP zur Verfügung stellen. Der Stoffwechsel baut die Kohlenhydrate in Glucose um und kann dadurch auch an ATP gelangen. Allerdings zeigen einige Studien, dass der Körper (vor allem das Gehirn) die Fette  bevorzugt. Mit den Fetten arbeitet das Gehirn bis zu 70% effizienter als mit Glucose.

Die wichtigsten Punkte aus dem Artikel

• ATP setzt sich aus Adenin, Ribose und 3 Phosphatmolekülen zusammen
• ATP gilt als universaler Energieträger und ist das Bindeglied zwischen Energiebereitstellung und Energieversorgung
• Phosphorylierung für Energieversorgung (1 Phosphatmolekül wird von ATP abgespalten; es entsteht ADP)
• Hydrolyse für Energienutzung (1 Phosphatmolekül wird ADP wieder hinzugefügt; es entsteht ATP)
• Fette und Kohlenhydrate können in unzähligen Stoffwechselvorgängen ATP herstellen
• ATP hat viele Funktionen, um Energie bereitzustellen (z.B. Transport von Stoffen in der Zellmembranen, Muskelkontraktion, das Funktionieren der Ionenpumpen)
• Keto setzt eine hohe ATP-Produktion voraus, weil sich dein Körper mit Keto sehr energiegeladen fühlt
• Fettsäuren liefern 129 ATP Moleküle, Glucose hingegen nur 38

Florian R.

Quellen und Studien zu ATP Energie

• Chrisi Vlad: Energy Levels under Ketosis – Fats, Carbs, and ATP. In: http://cristivlad.com/energy-levels-under-ketosis-fats-carbs-and-atp/ März 2014
• David Bender: Introduction to Nutrition and Metabolism. Chapter 3: The role of ATP in metabolism. Taylor & Francis, 2002, S. 49 – 57.
• Dedkova EN, Blatter LA: Role of β-hydroxybutyrate, its polymer poly-β-hydroxybutyrate and inorganic polyphosphate in mammalian health and disease. In: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24714648 Juli 2014
• Kotkina TI, Titov VN, Parkhimovich RN: [The different notions about beta-oxidation of fatty acids in peroxisomes, peroxisomes and ketonic bodies. The diabetic, acidotic coma as an acute deficiency of acetyl-CoA and ATP]. In: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25080783 März 2014
• Veech RL: Ketone ester effects on metabolism and transcription. In: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25101001 Oktober 2014