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Wie werden Ketonkörper zu Energie?

Ketonkörper werden in der Leber hergestellt und gelangen dann ins Blut. Sie sind klein und gut wasserlöslich. So lassen sie sich wunderbar durch den ganzen Körper transportieren. Aber wie gewinnen die Organe, die normalerweise Glukose verbrennen, plötzlich aus Ketonkörpern Energie?

Im letzten Artikel habe ich die Ketogenese vorgestellt – die Erzeugung von Ketonkörpern in der Leber. Kennst du noch nicht? Schnell nochmal nachlesen! Ich warte solange.

Die Leber kann mit Ketonkörpern nichts anfangen

Der Leber selbst fehlt ein bestimmtes Enzym, um aus Ketonkörpern Energie zu gewinnen. 3-Ketosäure-CoA-Transferase heißt der Kollege. Wenn wir uns wieder in unseren Freizeitpark-Vergleich begeben, kannst du dir die Leber als einen bestimmten Park vorstellen. Es gibt im Europapark einfach nicht die selben Attraktionen und Achterbahnen wie in Disneyland. Auch nicht die selben Mitarbeiter. Die Leber ist der Europapark. Die Attraktionen sind bestimmte Stoffwechselwege und die Mitarbeiter die Enzyme. Wenn ich nun unbedingt eine Attraktion aus Disneyland haben will, dann kann ich die Mitarbeiter im Europapark noch so lange volljammern, es hilft nichts. Ich muss einfach ins Disneyland fahren. Und das denken sich unsere Ketonkörper auch. Europapark? Kein Disney-Schloß? Na dann hau ich eben ab. Wahrscheinlich haben wir die Mitarbeiter in Rust mittlerweile so zur Weißglut gebracht, dass wir sowieso rausgeworfen werden. Und so wirft die Leber die Ketonkörper raus. Ab ins Blut.

Ketonkörper sind gut wasserlöslich

Auf der Reise ins Disneyland haben die Ketonkörper einen entscheidenden Vorteil: Sie sind mit dem Auto unterwegs. Das heißt, dass sie völlig autark die Autobahn nehmen können. Von Rust nach Paris. Andere, wie die Fettsäuren, müssen erst auf den Bus warten oder viel zu viel Geld für ein Taxi ausgeben. Ketonkörper sind gut wasserlöslich, das ist ihr Auto. Weil Fettsäuren nicht gut wasserlöslich sind, brauchen sie ein Transportmittel. Ihr Bus ist das Transportprotein Albumin. Daran werden sie gebunden und können so durch das Blut wandern. Fett lässt sich einfach nicht so gut mit Wasser mischen.

Steigt die Ketonkörperkonzentration im Blut, steigt sie auch in den Organen

Sobald einige Ketonkörper im Blut unterwegs sind, drücken sich auch immer wieder welche durch die Zellwände der Organe. Je mehr Ketonkörper im Blut sind, desto stärker wird das Gedränge. Sie schubsen und drängeln und immer mehr werden durch die Zellwand in die Zellen der Organe geschoben. Die Zellen der Organe, wie Muskeln und Gehirn, haben solche Gäste schon lange nicht mehr gehabt. Normalerweise bekommen sie nur Besuch von Glukose. Erst wissen sie noch gar nicht so genau, was sie mit diesen komischen Ketonkörpern anfangen sollen.
10-20% der Ketonkörper schaffen es gar nicht erst in die Organe. Die gehen schon unterwegs verloren und werden mit dem Urin ausgeschieden. Ein bisschen Schwund is‘ immer. Deshalb kann man „Ketose“ im Urin messen.

Die Organe müssen lernen, Ketonkörper zu verbrennen

Wenn man dir eine ungewöhnliche Gemüsesorte in die Hand drückt – sagen wir Okra – wüsstest du sofort, was du damit leckeres kochen kannst? Nicht googlen!!! Ich schätze mal nicht jeder hätte da gleich eine Idee. Aber je öfter du mit Okra kochst, desto besser schmecken deine Gerichte damit. Du lernst das Gemüse, was dir vorher so fremd war, zu verwenden. Ähnlich ist es in den Organen. Am Anfang wissen sie nicht so recht etwas mit Ketonkörpern anzufangen. Man könnte auch sagen: In Disneyland sind plötzlich besonders viele Besucher aus dem Land Okra. Leider spricht keiner der Mitarbeiter okraisch. Erst können die Mitarbeiter ihre Gäste nur mit Handzeichen in die Attraktionen leiten. Der Freizeitpark muss kompetente Mitarbeiter einstellen, die die Sprache der neuen Gäste verstehen. Es dauert, bis ausreichend okraisch sprechende Mitarbeiter angestellt sind, um alle Ketonkörper kompetent zu bedienen.

In den Organen müssen erst die richtigen Enzyme gebildet werden, um Ketonkörper abzubauen. Langsam aber sicher geht der Abbau besser und besser. Der Auslöser für die Bildung neuer Enzyme sind die Ketonkörper selbst. So, wie in Disneyland die Okrarier der Auslöser dafür waren, dass okraisch sprechende Mitarbeiter eingestellt werden mussten.

Ketolyse ist Ketogenese rückwärts. Fast!

Bei der Ketogenese, also der Erzeugung der Ketonkörper, wurden die Ketonkörper aus zerkleinerten, aktivierten Fettsäuren (Acetyl-CoA) hergestellt. Bei der Ketolyse, dem Abbau der Ketonkörper, wird aus ihnen wieder Acetyl-CoA. Dieses gelangt in den sogenannten Citratzyklus (auch Krebs-Zyklus oder Citronensäure-Zyklus) und wird dort komplett in seine Einzelteile zerlegt. Dabei entsteht Energie. Die Energie wird in Form von ATP gespeichert. Das ist die universelle Energiewährung des Körpers. So etwas wie der Euro für Europa. Keine Sorge, im Körper funktioniert das gut!

(Der Körper hat nämlich verstanden, dass Energie immer nur aus einer anderen Form umgewandelt werden kann. Energie kann nicht einfach entstehen, nicht neu hergestellt werden. Energie-Inflation gibt es nicht).

3 Enzyme werden für den Abbau von Ketonkörpern benötigt

Als erstes muss der Ketonkörper 3-Hydroxybutyrat wieder in Acetoacetat umgewandelt werden. Das Kanu ändert einfach wieder magisch seine Form. Wie Acetoacetat zu 3-Hydroxybutyrat geworden ist, kannst du hier noch einmal nachlesen. Wenn dir diese Gedankenspiele zu bunt werden, und du lieber seriöse Wissenschaft möchtest, dann scrolle etwas weiter runter. Unter dem Bild findest du die biochemischen Vorgänge noch einmal ernsthaft in Wissenschaftssprache erklärt.

Du bist noch hier? Na dann gehen die bunten Gedankenspiele für dich erst einmal weiter:

Der zuständige Mitarbeiter für diese magische Umwandlung (das Enzym) ist 3-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase. Anschließend aktiviert der Mitarbeiter 3-Ketosäure-CoA-Transferase das Acetoacetat. Er macht sozusagen den Schalter des Acetoacetat-Kanu-Tandems an. Dann wird daraus Acetoacetyl-CoA, die aktivierte Form von Acetoacetet. Mir scheint, die Mitarbeiter der Ketolyse sind sich alle zu gut für Spitznamen. Schade eigentlich.

Bei der Ketogenese wurden ja zwei Kanus zu einem Kanu-Tandem verbunden. Hier, bei der Ketolyse, werden die beiden Kanus nun wieder getrennt. Nun sind wir wieder bei den einzelnen Kanus angekommen, Acetyl-CoA. Für diesen Schritt ist der Mitarbeiter/das Enzym Acetoacetyl-CoA-Thiolase zuständig. Das gelangt – wie schon gesagt – in den Citratzyklus und es wird Energie daraus gewonnen.

Dieser komplizierte Vorgang ist ein geschickter Schachzug

Ok, und wozu der ganze Aufwand? Erst werden Fettsäuren aus dem Fettgewebe an das Blut abgegeben, dann werden sie in der Leber zu Ketonkörpern umgebaut. Die Leber kann aber nichts mit den Ketonkörpern anfangen und schmeißt sie deswegen wieder raus. Über das Blut gelangen sie zur Muskulatur, zum Gehirn und anderen Organen. Dort werden die Ketonkörper wieder abgebaut und zu Energie verwertet. Kann man sich diesen Act nicht sparen und direkt die Fettsäuren in den Organen verbrennen?

Die Antwort lautet „Naja“. Die Muskulatur verbrennt zum Teil Fettsäuren. Diese sind aber, wie oben geschrieben, nicht sehr gut wasserlöslich und müssen deshalb an Albumin gebunden transportiert werden. Die Transportkapazität ist begrenzt. Das Gehirn kann gar keine Fettsäuren verwenden, da sie nicht durch die Blut-Hirn-Schranke gelangen. Ketonkörper hingegen können die Blut-Hirn-Schranke passieren.

In Zeiten ohne Nahrung hatte der Körper unserer Vorfahren nichts außer seine Fettreserven. Da das Gehirn diese nicht direkt verwenden konnte, hat uns der „Umweg“ gerettet. Dem Gehirn stand ein Brennstoff zur Verfügung, den man immer dabei hatte. Ketonkörper, gewonnen aus Körperfett.

Wie das Gehirn Ketonkörper genau nutzt, wie es seinen Stoffwechsel umstellt und wie effektiv das Ganze ist, das erkläre ich im nächsten Artikel.

Nun folgt ein biochemisches Schema mit dem beschriebenen Stoffwechselweg und im Anschluss die „seriöse“ Beschreibung der Vorgänge sowie die Quellenangabe.

Ketonkörper Abbau

Ketolyse in extrahepatischen Organen

Die Hepatocyten selbst können die Ketonkörper nicht verwerten – ihnen fehlt das Enzym 3-Ketosäure-CoA-Transferase – weshalb die Ketonkörper ans Blut abgegeben werden. Während Fettsäuren nicht wasserlöslich sind und deshalb in der Zirkulation an Albumin gebunden transportiert werden, sind Ketonkörper gut wasserlöslich. AcAc und 3HB diffundieren in extrahepatisches Gewebe entlang ihres Konzentrationsgradienten und die Rate Ihrer Oxidation in den Geweben ist direkt proportional zur ihrer Konzentration im Blut. Dennoch werden 10-20 % der Ketonkörper in ketogener Stoffwechsellage mit dem Urin ausgeschieden. Bei der Ketolyse werden die Ketonkörper wieder zu Acetyl-CoA umgewandelt, welches dann in den Citratzyklus eintritt und vollständig oxidiert wird. Dabei ist der Sauerstoffverbrauch pro Mol produziertem ATP geringer als bei der vollständigen Oxidation von Glukose.

Für die Metabolisierung muss zuerst 3HB wieder in AcAc umgewandelt werden. Katalysiert wird die Reaktion, wie zuvor die Interkonvertierung in der Leber, durch die 3-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase. Anschließend aktiviert die 3-Ketosäure-CoA-Transferase AcAc zu Acetoacetyl-CoA.

Acetoacetat + Succinyl-CoA → Acetoacetyl-CoA + Succinat

Danach erfolgt die Spaltung von Acetoacetyl-CoA in zwei Moleküle Acetyl-CoA durch die Acetoacetyl-CoA-Thiolase.

Acetoacetyl-CoA ↔ 2 Acetyl-CoA

Wie die Ketogenese ist auch die Ketolyse in den Mitochondrien lokalisiert. Das entstandene Acetyl-CoA wird im Citratzyklus zu H2O und CO2 oxidiert. Der „Umweg“ der Fettsäureoxidation über Ketonkörper kostet zwar zusätzlich Energie, er stellt aber eine Möglichkeit dar, den Energiegehalt der Fettsäuren auf wasserlöslichem Wege aus der Leber zu extrahepatischen Organen zu befördern. Hauptgrund ist möglicherweise, dass Ketonkörper in Zeiten der Nahrungskarenz die einzige alternative Energiequelle zu Glukose für das Gehirn darstellen.

Ketonkörper können von zahlreichen Organen wie Gehirn, Herz und Skelettmuskel metabolisiert werden, wobei die Ketolyse im Gehirn quantitativ am bedeutendsten und am besten untersucht ist.

Quellen und interessante Literatur:

Owen OE, Felig P, Morgan AP, Wahren J, Cahill GF. 1969. Liver and Kidney Metabolism during Prolonged Starvation. J Clin Invest, 48(3): 574–583.

Veech RL, Chance B, Kashiwaya Y, Lardy HA, Cahill GF. 2001. Ketone Bodies Potential Therapeutic Uses. IUBMB life, 51(4): 241–247.

Stipanuk MH, Caudill MA. 2013. Biochemical Physiological and Molecular Aspects of Human Nutrition. Dritte Aufl. Philadelphia: Elsevier Saunders, 379-381.

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