ATP (Adenosintriphosphat)

ATP (Adenosintriphosphat) ist die universelle Energiewährung Ihrer Zellen: ein kleines Molekül, das Ihre Mitochondrien Tag und Nacht nachbilden und ohne das in Ihrem Körper buchstäblich nichts geschieht. Jede Muskelbewegung, jeder Nervenimpuls und jede Reparatur einer Zelle braucht ATP. Für uns bei Mitochondriak® ist ATP trotzdem nicht die Quelle der Energie, sondern ihr Ergebnis: die letzte, nutzbare Stufe einer Umwandlung, an der Elektronen, Protonen, Sauerstoff, Licht und Wasser beteiligt sind.

Die Zahlen sind gewaltig. Ein Mensch verbraucht und erneuert pro Tag etwa sein eigenes Körpergewicht an ATP, fassen Peter Dimroth und Kollegen von der ETH Zürich zusammen; vorrätig ist stets nur wenig, jedes Molekül wird laufend neu aufgeladen. [Quelle] Die Schulbiologie nennt ATP gern den Treibstoff des Lebens. Wir schauen genauer hin: Dieselben Mitochondrien erzeugen auch Wärme und Wasser, und wie viel ATP aus Ihrem Essen wird, entscheiden Licht, Tagesrhythmus und Temperatur mit.

Was ist ATP, und wie ist das Molekül gebaut?

ATP besteht aus drei Bausteinen: der Base Adenin, dem Zucker Ribose und einer Kette aus drei Phosphatgruppen. Adenin kennen Sie als einen der Buchstaben Ihrer DNA, Ribose ist ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen. Braucht eine Zelle Energie, spaltet sie mithilfe von Wasser die äußere Phosphatgruppe ab: Aus ATP werden ADP (Adenosindiphosphat) und freies Phosphat.

Stellen Sie sich ATP als Akku jeder Zelle vor: Die Mitochondrien laden ihn aus Zucker, Fett und Sauerstoff auf, die Zelle entlädt ihn bei jeder Arbeit zu ADP, und sofort beginnt das Laden von vorn. Allein arbeitet dieser Akku selten. Magnesium koordiniert die Phosphatgruppen der Nukleotide; in Säugetierzellen liegt es überwiegend gebunden vor, im Mittel rund 8 Millimol pro Liter gegenüber 1,1 Millimol freiem Magnesium. [Quelle] Jaroslav Lachký, Gründer von Mitochondriak® und Quantenbiologe, betont dabei Magnesium und Wasser: Ohne Magnesium keine ATP-Bildung, ohne Wasser keine Spaltung. [Quelle]

Wo und wie entsteht ATP?

Den größten Teil Ihres ATP bilden die Mitochondrien an ihrer inneren Membran, über die oxidative Phosphorylierung. Rund 90 % des Sauerstoffs, den Säugetiere in Ruhe verbrauchen, landet in den Mitochondrien, etwa 80 % davon gekoppelt an die ATP-Bildung, so die Bilanz von Rolfe und Brown (University of Cambridge). [Quelle] Etwas ATP entsteht auch ohne Mitochondrien, bei der Glykolyse im Zellplasma.

Der Weg dorthin ist die Atmungskette: Elektronen aus NADH und FADH₂ wandern über die Enzymkomplexe der Kette zum Sauerstoff, der dabei zu Wasser wird, und mit ihrer Energie werden Protonen nach außen gepumpt. Wie Wasser hinter einer Staumauer drängen sie zurück, durch die ATP-Synthase. Pro NADH entstehen so etwa 2,5 ATP, pro FADH₂ etwa 1,5 ATP, fasst Peter Hinkle (Cornell University) die Messungen seit 1937 zusammen. [Quelle] Aus einer Glucose werden 30 bis 32 ATP; gemessen wurden im Mittel 31,3. [Quelle]

Noch ergiebiger ist Fett: Nach der Rechenformel von Jain und Kollegen für gesättigte Fettsäuren (7 ATP pro Kohlenstoffatom minus 6) liefert eine Palmitinsäure mit 16 Kohlenstoffatomen rund 106 ATP, mehr als dreimal so viel wie eine Glucose. [Quelle] Jaroslav Lachký sagt es so: Wo wir Fett sehen, sehen die Mitochondrien Wasserstoff, also Elektronen und Protonen. [Quelle]

Wie arbeitet die ATP-Synthase, der Motor Ihrer Zellen?

Die ATP-Synthase ist ein echter Rotationsmotor: Protonen strömen durch sie zurück ins Innere des Mitochondriums, drehen ihren Rotor etwa 100-mal pro Sekunde, und jede volle Umdrehung liefert drei ATP. So beschreibt es 2010 das Team um John Walker an der MRC Mitochondrial Biology Unit in Cambridge, und an der ATP-Synthase des Rindes zeigte es: Ihr Rotor trägt einen Ring aus acht c-Untereinheiten; daraus folgen 2,7 Protonen pro ATP, vermutlich bei allen Wirbeltieren. [Quelle]

Jaroslav Lachký beschreibt diesen Motor so: „Unsere Mini-Motoren sind vollkommene quantenelektromagnetische Motoren, die Protonen durchlassen, ähnlich wie sich eine Wasserturbine dank des durchströmenden Wassers dreht.“ Nach Lachký ist die ATP-Synthase von Wasser umgeben, das sie hydratisiert und mit Protonen versorgt. [Quelle] Deshalb zählt auch, welcher Wasserstoff ankommt. Abdullah Olgun leitete 2007 theoretisch her: In Körperflüssigkeiten ist nur etwa jedes 15.000. Wasserstoffion ein Deuteron, der Kern des schweren Wasserstoffs Deuterium; landet es im Protonenkanal der ATP-Synthase, wird es wahrscheinlich langsamer freigegeben als ein Proton. Im Elektronentransport kann es Elektronen stauen und die Bildung freier Radikale erhöhen. [Quelle]

Warum bilden Mitochondrien neben ATP auch Wärme?

Weil nicht jedes Proton die Turbine dreht: Ein Teil fließt an ihr vorbei zurück, und seine Energie wird zu Wärme statt zu ATP. Nach Rolfe und Brown gilt das für rund 20 % des Sauerstoffs, den die Mitochondrien in Ruhe verbrauchen. [Quelle] Das Team um Dominique Chrétien (INSERM, Paris) maß 2018 in menschlichen Zellen: Mitochondrien mit voll arbeitender Atmungskette waren mehr als 10 °C wärmer als ihre 38 °C warme Umgebung. [Quelle]

Im braunen Fettgewebe nutzt die Natur das gezielt: Mit dem Entkopplungsprotein UCP1, auch Thermogenin genannt, verwandelt es Energie aus der Nahrung in Wärme. Nach Barbara Cannon und Jan Nedergaard (Universität Stockholm) war das vermutlich entscheidend für den evolutionären Erfolg der Säugetiere, weil es aktives Leben auch in kalter Umgebung erlaubt. [Quelle] Bei milden 16 °C war das braune Fett bei 23 von 24 gesunden Männern aktiv, bei 22 °C bei keinem, zeigte Wouter van Marken Lichtenbelt (Universität Maastricht). [Quelle]

Selbst die Gene erzählen davon: Auf dem Weg von Afrika nach Norden hat das Klima die Mitochondrien-DNA mitgeformt, folgerten Dan Mishmar, Douglas C. Wallace und Kollegen 2003 aus 104 vollständigen Sequenzen; in der Arktis war besonders ATP6 variabel, ein Gen der ATP-Synthase. [Quelle] Jaroslav Lachký sieht in dieser Wärme die natürliche Photobiomodulation des Körpers: körpereigenes Infrarot, das keinen Euro kostet. [Quelle]

Ist ATP wirklich die Energiequelle der Zelle?

Für uns ist ATP nicht die Quelle der Energie, sondern ihre letzte, nutzbare Stufe, und seine Bühne ist das Wasser der Zelle. Jaroslav Lachký sagt: „ATP hat in unserer Biologie eine echte und wichtige Aufgabe, ja, aber diese Aufgabe hängt mit den biochemischen Eigenschaften des Wassers zusammen. Solange man das Wasser nicht versteht, versteht man auch ATP nicht.“ [Quelle]

Philippa Wiggins aus Auckland (Neuseeland) zählte 2008 in PLoS ONE die Frage, wie ATP-Spaltung und Enzym gemeinsam Arbeit verrichten, ausdrücklich zu den Vorgängen ohne molekularen Mechanismus. Ihre Antwort: Wasser ist daran zwingend beteiligt, in zwei Formen mit unterschiedlich starken Wasserstoffbrücken. „Energieumwandlung ist weder möglich noch nötig“, schreibt sie. [Quelle] Dass ATP mehr ist als Energie, zeigten Avinash Patel, Anthony Hyman und Kollegen vom Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden 2017 in Science: Neben seiner Rolle als Energielieferant, für die mikromolare Mengen genügen, wirkt ATP als biologisches Hydrotrop. In 5 bis 10 Millimol pro Liter, wie in der Zelle, verhindert es, dass Proteine verklumpen, und löst Aggregate wieder auf. [Quelle]

Noch weiter ging Gilbert Ling. Im Journal of Physiology beschrieb er 1978 Froschmuskelzellen, die er an einem Ende geöffnet hatte, sodass Membran und Pumpen nicht mehr arbeiten konnten. Trotzdem reicherte das gesunde Zellinnere weiter Kalium an und hielt Natrium draußen, fast wie ein unversehrter Muskel; Ling deutete das als Gleichgewicht, das keine Energie verbraucht. [Quelle] 2008 bauten Ling und Margaret Ochsenfeld ein rotes Blutkörperchen ohne Pumpe nach, aus Hämoglobinlösung im Dialyseschlauch: Mit Säure als Ersatz für ATP sank das Natrium innen auf 10 bis 30 % des Außenwerts, wie in lebenden Blutkörperchen. In Lings Theorie hält ATP die Zellproteine gestreckt, und diese ordnen das Zellwasser. [Quelle] Jaroslav Lachký vergleicht das mit einem Strickpullover: ATP entzieht einem Protein ein Elektron und öffnet es, als zöge man einen Faden heraus, und um das geöffnete Protein ordnet sich Wasser. [Quelle]

ATP ist außerdem ein Botenstoff: Im Gehirn dient es zusammen mit Glutamat, Noradrenalin, GABA, Acetylcholin und Dopamin als Co-Transmitter, beschrieb Geoffrey Burnstock (University College London). [Quelle] Tiina Karu (Russische Akademie der Wissenschaften) stellte die Photobiomodulation schon 2010 in den Zusammenhang dieser vielfältigen Rollen von ATP. [Quelle]

Warum fehlt modernen Menschen oft ATP?

Für uns ist Energiemangel nicht nur eine Frage der Kalorien: Auch aus genug Nährstoffen machen Mitochondrien zu wenig ATP, wenn Licht und Takt fehlen oder Deuterium, Stress und Alter bremsen. Jaroslav Lachký sagt: „Wenn Sie das Gefühl haben, alles richtig zu machen, und trotzdem keine Energie haben, liegt das Problem fast immer auf der Ebene der Mitochondrien. Nicht in dem, was Sie essen, sondern darin, ob die Mitochondrien aus dem Essen ATP machen können.“

• Zu wenig Tageslicht: In der US-Erhebung NHAPS mit 9.386 Befragten verbrachten die Menschen 87 % ihrer Zeit in Gebäuden. [Quelle] Dort fehlt weitgehend das Rot und Nahinfrarot der Sonne, das die Cytochrom-c-Oxidase aufnimmt.
• Gestörter Takt: Bei zwölf jungen, schlanken Männern schwankte die Atmungskapazität der Muskelmitochondrien über 24 Stunden, am niedrigsten um 13 Uhr, am höchsten um 23 Uhr (Universität Maastricht). [Quelle] Wie Licht diese innere Uhr stellt, erklärt der Eintrag Zirkadianer Rhythmus.
• Deuterium: Schwerer Wasserstoff bremst nach Olgun die ATP-Synthase (siehe oben).
• Oxidativer Stress: Zu viele reaktive Sauerstoffspezies belasten die Atmungskette; mehr im Eintrag Oxidativer Stress.
• Alter: Bei 146 gesunden Frauen und Männern zwischen 18 und 89 Jahren sank die ATP-Produktion der Muskelmitochondrien mit dem Alter und hing eng mit der Ausdauer zusammen (Mayo Clinic). [Quelle]

Wenn Sie sich über längere Zeit erschöpft fühlen, lassen Sie die Ursache bitte auch ärztlich abklären.

Wie steigert rotes und nahinfrarotes Licht die ATP-Bildung?

Rotes und nahinfrarotes Licht wird von der Cytochrom-c-Oxidase (CCO) aufgenommen, dem letzten Komplex der Atmungskette; es löst dort bremsendes Stickstoffmonoxid, und die ATP-Bildung steigt. Michael R. Hamblin (Wellman Center for Photomedicine, Boston) beschreibt die Mitochondrien, genauer die CCO, als den primären Ort der Lichtaufnahme in Säugetierzellen. [Quelle] Nach der führenden Erklärung, die de Freitas und Hamblin 2016 zusammenfassen, lösen die Photonen hemmendes Stickstoffmonoxid vom Enzym; Elektronentransport, Membranpotenzial und ATP-Produktion steigen. [Quelle]

Welche Farben wirken, hat Tiina Karu vermessen: An menschlichen Zellen fand sie vier aktive Bereiche, um 614 bis 624, 668 bis 684, 751 bis 772 und 813 bis 846 nm. [Quelle] Andrei P. Sommer (Universität Ulm) sieht einen zweiten Angriffspunkt im Wasser: Das Wasser in Mitochondrien ist nach seiner Darstellung praktisch vollständig Grenzflächenwasser, und aus Laborexperimenten leitet er ab, dass Laserlicht mit 670 nm dessen Zähigkeit senkt; die ATP-Synthase, der kleinste bekannte Rotationsmotor der Natur, dreht sich dann leichter. [Quelle] Glen Jeffery (UCL Institute of Ophthalmology) und Michael Powner fassen es in einen Satz: Mitochondrien regulieren den Stoffwechsel, doch das Sonnenlicht beeinflusst sein Tempo. [Quelle]

Was zeigt die Forschung zu Licht und ATP?

Von isolierten Mitochondrien über Zellen und Mäuse bis zum Menschen: Rotes und nahinfrarotes Licht hob in diesen Arbeiten ATP und Membranpotenzial, und beim Menschen veränderte es messbar den Zuckerstoffwechsel.

Auffällig ist das Timing: In Karus Zellen stieg das ATP erst nach 15 Minuten und gipfelte nach 20, in Ferraresis Muskelzellen nach 3 bis 6 Stunden. Alle Studien arbeiteten mit eigenen Lichtquellen und Dosen.

So setzen Mitochondriaks das um

Mitochondrien zuerst: Wir setzen nicht auf Präparate, sondern auf die Signale, für die Ihre Mitochondrien gebaut sind.

• Morgensonne: Gehen Sie in der ersten halben Stunde nach dem Aufstehen hinaus, denn das Morgenlicht stellt Ihre innere Uhr. Gewöhnen Sie Ihre Haut schrittweise an die Sonne, ohne Sonnenbrand; mehr im Eintrag Lichtschwiele.
• Abends rot statt weiß: rotes Licht statt weißer LEDs, vor Bildschirmen eine rote Brille; der Nachtmodus ist nur eine Teillösung.
• Dunkel und kühl schlafen: Melatonin entsteht in der Dunkelheit.
• Saisonal essen, bei Tageslicht: im Winter mehr natürliche tierische Fette wie Butter, Schmalz oder Ghee, im Sommer auch Kohlenhydrate der Saison; kein Tropenobst im Winter, keine industriellen Pflanzenöle.
• Bewegung draußen: täglich im Tageslicht statt unter LED-Röhren.
• Kälte: kalt duschen, im Winter leichter bekleidet spazieren; schon 16 °C wecken das braune Fett.
• Barfuß auf die Erde: Wiese, Sand oder Waldboden; mehr im Eintrag Grounding (Erdung).
• Magnesium: zuerst aus der Nahrung; ein Präparat ist für uns die zweite Wahl.

Wo Tageslicht fehlt, nutzen viele Mitochondriaks zusätzlich rotes und nahinfrarotes Licht, als Ergänzung zur Sonne, nicht als Ersatz. Wie Wellenlänge, Dosis und Zeitpunkt zusammenspielen, erklärt der Eintrag Photobiomodulation.

Verwandte Begriffe

• Mitochondrien: Organellen, in denen der größte Teil Ihres ATP entsteht.
• Atmungskette: Enzymkomplexe, deren Protonengefälle die ATP-Synthase antreibt.
• Cytochrom-c-Oxidase (CCO): Komplex IV und Empfänger für rotes und nahinfrarotes Licht.
• Photobiomodulation: Rot- und Nahinfrarotlicht, das über die CCO die ATP-Bildung anregt.
• Nahinfrarotlicht (NIR): unsichtbarer Teil des Sonnenlichts, der tief ins Gewebe dringt.
• Deuterium: schwerer Wasserstoff, der die ATP-Synthase bremsen kann.
• Redox: Übergabe von Elektronen, aus der die Energie für ATP stammt.
• Stickstoffmonoxid (NO): Signalgas, das die CCO bremst und das Licht wieder löst.
• Oxidativer Stress: Überschuss reaktiver Sauerstoffspezies, der die Mitochondrien belastet.
• Zirkadianer Rhythmus: innere Uhr, nach der auch Ihre Mitochondrien arbeiten.

Häufige Fragen zu ATP

Was ist ATP einfach erklärt?

ATP ist der Akku jeder Zelle. Ihre Mitochondrien laden ihn aus Zucker, Fett und Sauerstoff auf; bei jeder Arbeit entlädt die Zelle ihn zu ADP, und die Mitochondrien laden sofort nach, täglich etwa Ihr eigenes Körpergewicht an ATP.

Wo wird ATP gebildet?

Vor allem in den Mitochondrien, an ihrer inneren Membran. Dort treibt der Elektronenfluss der Atmungskette einen Protonenstrom an, der die ATP-Synthase dreht. Etwas ATP entsteht auch bei der Glykolyse im Zellplasma.

Was passiert, wenn der Körper zu wenig ATP hat?

Dann fehlt den Zellen Energie für ihre Arbeit, und das spüren Sie meist zuerst als Müdigkeit, langsame Erholung und nachlassende Konzentration. Hält die Erschöpfung über Wochen an, lassen Sie die Ursache bitte ärztlich abklären.

Wie lässt sich die ATP-Bildung natürlich unterstützen?

Mit den Signalen, für die Ihre Mitochondrien gebaut sind: Morgensonne, rotes Licht am Abend, Dunkelheit in der Nacht, Bewegung draußen, Kälte und Barfußkontakt mit der Erde. Dazu kommen saisonales Essen mit natürlichen Fetten, genug Magnesium und wenig Deuterium.

Was ist der Unterschied zwischen ATP und Energie aus der Nahrung?

Nahrung ist der Rohstoff, ATP das fertige Produkt. Zucker, Fett und Eiweiß liefern Wasserstoff, also Elektronen und Protonen, die Ihre Mitochondrien erst in ATP umwandeln. Deshalb kann ein Mensch genug Kalorien essen und trotzdem erschöpft sein, wenn seine Mitochondrien den Rohstoff schlecht verarbeiten.

Hängt rotes Licht mit der ATP-Bildung zusammen?

Ja, direkt: Die Cytochrom-c-Oxidase in Ihren Mitochondrien nimmt rotes und nahinfrarotes Licht auf. Das Licht löst bremsendes Stickstoffmonoxid, und Elektronentransport, Membranpotenzial und ATP-Bildung steigen. Bei alten Mäusen hob Licht mit 670 nm das ATP in Netzhaut und Gehirn.

Ist ATP wirklich die Energiequelle der Zelle?

Aus unserer Sicht nicht: ATP ist das nutzbare Ergebnis der Energieumwandlung in den Mitochondrien, nicht ihr Ursprung. Jaroslav Lachký nennt es notwendig und wichtig, aber nur eine Reserve-Energiequelle. Zudem hält ATP Proteine im Zellwasser gelöst und dient im Gehirn als Botenstoff.

Was Sie sich merken sollten

• ATP ist die Energiewährung Ihrer Zellen, und Sie verbrauchen und erneuern täglich etwa Ihr Körpergewicht davon.
• Ihre Mitochondrien bilden es mit einem Motor, der sich etwa 100-mal pro Sekunde dreht, und erzeugen dabei auch Wärme und Wasser.
• ATP ist mehr als Treibstoff: Es hält Proteine im Zellwasser gelöst und dient als Botenstoff.
• Licht, Tagesrhythmus und Temperatur entscheiden mit, wie viel ATP aus Ihrem Essen wird.

Beginnen Sie morgen mit ein paar Minuten Morgensonne; wie das Morgenlicht Ihre innere Uhr stellt, zeigen wir im Beitrag Zirkadianer Rhythmus: So funktioniert unsere innere Uhr.