Sport biologisch betrachtet

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1 Lösungen und Anmerkungen Sport biologisch betrachtet Themenfelder: Zelle, Gewebe, Organismus; Molekulare Grundlagen, Kompartimentierung, Transport; Betriebsstoffwechsel und Energieumsatz Inhalte Lernen im Kontext Fachmethoden Bau und Funktion der Muskelzelle, Bedeutung des ATP, aerober und anaerober Abbau von Glucose, Zusammenhang Atmung Kreislauf Bewegung, Aspekte der Gesundheitsvorsorge Trainingseffekt auf Herz, Kreislauf und Muskel, Gesundheit durch Bewegung, Herzerkrankungen, Diagnose und Prophylaxe, anaerobe und aerobe Vorgänge bei der menschlichen Bewegung, arbeitsphysiologische Abhängigkeiten Messen von Grund- und Leistungsumsatz, Planung, Durchführung und Auswertung von Experimenten, Auswertung von Diagrammen, Planung von Experimenten zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit der Muskulatur und des Energieumsatzes Integrierbare Lerninhalte: Molekularer Mechanismus der Muskelkontraktion, Auslösung der Muskelkontraktion Konzeption des Unterrichts: Dieses Schwerpunktvorhaben konzentriert sich auf energetische Betrachtungen und Untersuchungen zur Ausdauerleistung. Messungen des Energieverbrauchs beim Radfahren auf einem Trimmrad und die Betrachtung der für sportliche Leistungen und die Gesundheit wichtigen Ausdauerleistung in ihren Grundlagen, Auswirkungen und Steigerungsmöglichkeiten bieten die Möglichkeit, wichtige physiologische Vorgänge humanzentriert darzustellen. Kenntnisse über den Bau der Muskelzelle, die Mechanismen bei der Kontraktion und die zellulären Vorgänge bei der glycolytischen wie auch der aeroben Bereitstellung von ATP werden vorausgesetzt. Sie können auch an geeigneter Stelle eingebunden werden. Der Einstieg mit dem Experiment zur Energieumsatzmessung beim Menschen mit dem TESTORYT-Verfahren ist erprobt. Daraus ergeben sich unter anderem Fragen zu Stoffwechselvorgängen, Muskelfunktion, Energieversorgung und Leistungssteigerung. Nach der theoretischen Behandlung von Glycolyse, Gärung und innerer Atmung folgt die Planung von Experimenten zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit der Muskulatur und des Energieumsatzes. Sicher bieten sich einige sinnvolle inhaltliche und methodische Alternativen an, das Thema Sport biologisch betrachtet zu behandeln, z. B. durch eine stärkere Kooperation mit dem Sportunterricht und/oder dem Besuch von einem Fitnesscenter. Solche Aktivitäten können ggf. mit den vorgestellten Materialien kombiniert werden. Energieverbrauch bei der Muskelkontraktion M1 Energieversorgung des Muskels Lösungen: 1. ATP ist der direkte Energielieferant für die Muskelkontraktion. Es wird nachgeliefert aus dem Abbau von KP, dem aeroben Abbau von Glucose und über die Milchsäuregärung. ATP wird bei maximaler körperlicher Belastung innerhalb weniger Sekunden verbraucht, KP innerhalb von etwa 20 Sekunden. Die anaerobe Oxidation (Milchsäuregärung) läuft sofort an und fällt nach etwa einer Minute bei gleichzeitigem Anstieg der aeroben Oxidation wieder ab. 2. Der anaerobe Abbau liefert netto nur 2 mol ATP/mol Glucose, dies jedoch sehr rasch; als Nebenprodukt fällt Milchsäure an, die auf der einen Seite noch Energie enthält, aber bei Anreicherung zu Übersäuerung und Leistungsabfall führt. Der aerobe Abbau von 1 mol Glucose liefert über Glycolyse, Citronensäurezyklus und Atmungskette 36 mol ATP, dauert dafür aber länger und erfordert genügend Sauerstoff. 3. ATP ist der direkte Energielieferant, KP lädt ATP sofort wieder auf, was nötig ist, weil die ATP-Bildung in der Glycolyse eine gewisse Zeit dauert. Noch länger dauert es, bis über Citronensäurezyklus und Atmungskette ATP gebildet worden ist. 4. Zu Beginn der Belastung ist die O 2 -Aufnahme geringer als Minuten später bei stets gleicher Arbeitsleistung. Die benötigte Energie wird aus dem ATP- und dem KP-Zerfall sowie aus der Milchsäuregärung gewonnen. Nach der Belastung nimmt die O 2 -Aufnahme erst langsam ab, weil der O 2 -Vorrat im Muskel und im Blut der KP- und ATP- Speicher aufgefüllt werden müssen. Dabei herrscht zudem eine allgemein gesteigerte Stoffwechselaktivität. 6

2 Lösungen und Anmerkungen Schwerpunktvorhaben: Sport biologisch betrachtet M2 Energieverbrauch eines Schülers auf einem Trimmrad Information 1: Die Energieumsatzmessung im Schülerexperiment Bei der indirekten Kalorimetrie, dem heute üblichen Verfahren zur Energieumsatzmessung, geht man von einer stöchiometrischen Beziehung zwischen O 2 -Verbrauch, CO 2 -Bildung, der Menge verbrauchter Nahrung und der dabei frei werdenden Energie aus. Der Energieverbrauch lässt sich über den O 2 - Verbrauch bzw. die CO 2 -Abgabe pro Zeiteinheit berechnen. Ausgehend von einer Mischernährung kann man bei einem gesunden Menschen einen Respiratorischen Quotienten (RQ) von 0,85 annehmen, dem ein kalorisches Äquivalent von 20,35 kj/l O 2 entspricht. Der Energiemehrverbrauch bei einer moderaten sportlichen Aktivität kann der Einfachheit halber auf den Glykogen- bzw. Glucoseabbau bezogen werden. Dann kann man von einem RQ von 1,0 ausgehen. Der RQ bezeichnet das Verhältnis von abgegebenem Kohlenstoffdioxid und aufgenommenem Sauerstoff, also dem Quotienten CO 2 /O 2. Messverfahren: Die Bestimmung des Atemminutenvolumens kann in Schülerexperimenten mittels eines Handspirometers erfolgen. Dazu muss die Exspirationsluft zunächst in einem Gassammelsack, der eine vollständige Aufnahme der gesamten Luft ermöglicht, aufgefangen werden. Das direkte Hindurchblasen der Exspirationsluft durch ein Handspirometer führt zu ungenauen Werten, weil es einen gewissen Kraftaufwand erfordert und schon in Ruhe einen deutlichen Pulsanstieg bewirkt. Jeweils eine Minute lang wird die gesamte Exspirationsluft über einen Schlauch in den vorher leer gedrückten Gassammelsack ausgeatmet. Aus diesem wird zunächst eine Probe (1 Liter) zur Bestimmung des CO 2 -Gehaltes der Atemluft gezogen. Der Rest des Gassammelsackes wird dann zur Ermittlung der Atemluftmenge durch ein Handspirometer gedrückt. Die Versuchsperson kann bei stärkerer Belastung nicht genügend schnell die Atemluft durch das Handspirometer abgeben, sodass die Leistung abrupt abfällt. Da in der ersten Minute der Erholungsphase die O 2 -Aufnahme noch bei ca. 90 % der Belastungswerte liegt, lassen sich mit diesem Verfahren auch nichtstationäre Sportarten unter verschiedenen Fragestellungen vergleichend untersuchen. Dazu wird beispielsweise ein Volleyball- oder Fußballspiel lediglich für eine Minute zur Abgabe der Atemluft unterbrochen, oder es wird unmittelbar nach Ende des Spiels gemessen. Zur Bestimmung des CO 2 -Gehaltes der Exspirationsluft hat sich für den Schulgebrauch der Einsatz eines BRIGON CO 2 - Indikator TESTORYT-Messgerätes (siehe Abbildung) bewährt. In diesem einfach zu handhabenden Gerät wird mit einer Spezialflüssigkeit das CO 2 aus der Gasprobe absorbiert und dadurch eine Volumenkontraktion der in das Gerät eingeblasenen Luft bewirkt. Die Volumenänderung wird in Volumenprozent CO 2 angezeigt, bei einer Messgenauigkeit von ± 0,2 Volumenprozent bei 20 C. Damit lassen sich hinreichend exakte und reproduzierbare Ergebnisse erzielen, die mit Literaturwerten übereinstimmen. Die Firma MAUER, Ahaus, bietet ein komplettes Geräteset an, mit dem ohne großen Kostenaufwand eigene Messungen im normalen Unterricht durchgeführt werden können. Das Experiment selbst durchzuführen ist lohnend und sehr motivierend. Es kann aber auch durch die vorgestellten Ergebnisse ersetzt werden, wenn zeitliche oder technische Gründe, z. B. fehlende Ausstattung, dagegensprechen. Lösungen: 1. Energieäquivalent Sauerstoff: 2826 kj/134,4 l = 21,0 kj/l O 2 Energieäquivalent Kohlenstoffdioxid: 2826 kj/134,4 l = 21,0 kj/l CO 2. Der Energieumsatz wird wie folgt berechnet: Atemvolumen/min CO 2 -Konzentration = CO 2 -Produktion in ml/min. CO 2 -Produktion in ml 21,0 kj = Energieumsatz in kj/min. 2. CO 2 -Produktion in ml In Ruhe 168,0 3,53 1. Minute 472,0 9,91 2. Minute 571,2 11,99 3. Minute 710,5 14,92 4. Minute 926,6 19,45 5. Minute 1101,6 23,13 6. Minute 1147,0 24,08 7. Minute 999,6 20,99 8. Minute 1135,9 23,85 9. Minute 988,9 20, Minute 1009,8 21, Minute 983,4 20, Minute 621,3 13, Minute 398,0 8, Minute 370,0 7, Minute 345,0 7, Minute 323,4 6, Minute 230,0 4,83 Energieumsatz in kj/min 7

3 Lösungen und Anmerkungen 3. Darstellung der Messwerte in einem Diagramm mit verschiedenen Werteskalen auf der Y-Achse. A CO 2 -Abgabe und Atemvolumen beim Radeln auf einem Trimmrad B Energieumsatz und Puls beim Radeln auf einem Trimmrad 4. Obwohl die Arbeitsleistung von Anfang an gleich bleibt, steigen Puls, Atemminutenvolumen und Energieumsatz zunächst an und bleiben erst nach Minuten auf gleicher Höhe. Der Puls steigt dabei deutlich schneller als die CO 2 - Abgabewerte. Die später messbare CO 2 -Produktion wird erklärt mit der erst langsam anlaufenden aeroben Oxidation, dem zunächst vorhandenen Vorrat an O 2 sowie dem langen CO 2 -Transportweg vom Muskel über das Herz zur Lunge. Der beschleunigte Herzschlag ermöglicht zeitversetzt den erhöhten CO 2 -Ausstoß. In der Erholungsphase werden die Sauerstoffschuld in Muskel und Blut abgetragen, die energiereichen Phosphate regeneriert und das Lactat zur Leber und zum Herzmuskel transportiert. 5. Das Volumen von 168 ml CO 2 in der Ruhe kann man sich als Quader mit den Kantenlängen von 8, 7 und 3 cm vorstellen. Für den höchsten Wert in der sechsten Minute entspricht das Volumen einem Quader mit den Kantenlängen von 11, 10,4 und 10 cm. 8

4 Lösungen und Anmerkungen Schwerpunktvorhaben: Sport biologisch betrachtet B Ausdauerleistung Information 2: Wirkungen des Ausdauertrainings Dank der Aufklärungsarbeit durch Ärzte, Sportfunktionäre und die Medien wurden in den vergangenen drei Jahrzehnten Erkenntnisse der vorbeugenden Medizin in die Öffentlichkeit getragen. Ein gesteigertes Gesundheitsbewusstsein in großen Teilen der Bevölkerung ist die Folge: Trimm-Aktionen und unterschiedliche Fitness-Programme mobilisieren Menschen unterschiedlichen Alters. Ob aus Furcht vor einem Herzinfarkt, ob aus dem eifrigen Streben nach einem Leistungs- oder Schönheitsideal oder einfach aus Bewegungsfreude als Gegenreaktion auf die physische Bequemlichkeit die Erkenntnisse der Sportmedizin über den Trainingseinfluss auf den menschlichen Organismus interessieren nicht nur den Leistungssportler. Gerade die Ausdauerleistung, gewissermaßen die Basis für körperliche Leistungsfähigkeit, ist von besonderer Bedeutung. Die Steigerung der Ausdauerleistung hat nämlich nachweislich positive gesundheitliche Auswirkungen auf nahezu allen Organsysteme. Eine Vergrößerung des Herzmuskels führt zu einer Erhöhung des Schlagvolumens und zu einem verminderten Puls. Daraus folgen verlängerte Pausen für den Herzmuskel und eine verbesserte Sauerstoffaufnahme. Letztere ergibt sich auch aus einer Zunahme der Kapillarisierung im Herzmuskel und in der Skelettmuskulatur. Mengenund Größenzunahme der Mitochondrien in den Muskelzellen und vermehrt gebildete Enzyme ermöglichen einen aeroben Glucoseabbau auch bei noch stärkerer Belastung. Dazu tragen die Vermehrung der roten Blutkörperchen und des Hämoglobins ebenso bei wie die vertiefte Atmung, die Vergrößerung der Vitalkapazität der Lunge und das gesteigerte Atemminutenvolumen. Über die Steigerung der Wirkung des Parasympathikus erfolgt eine beruhigende Wirkung auf das Nervensystem und insgesamt eine normalisierende Wirkung auf den Blutdruck. M3 Ausdauerleistung Lösungen: 1. Die maximale Sauerstoffaufnahme erreicht bei weiblichen Personen mit etwa 16 Jahren, bei männlichen Personen erst mit etwa 18 Jahren den höchsten Wert. Bei weiblichen Personen werden etwa 3 l O 2 /min, bei männlichen Personen ca. 4,5 l O 2 /min gemessen, wobei ab dem 20. Lebensjahr die Werte kontinuierlich fallen. 2. Trainierte Ausdauerleistungssportler erreichen maximale Sauerstoffaufnahmewerte, die mit 5,5 l/min, im Vergleich mit dem geschlechtsgleichen Durchschnitt % höher liegen. Eine deutlich höhere maximale Sauerstoffaufnahme zeigen auch Alterssportler mit einer Steigerung um ca. 20 % gegenüber dem altersgleichen Durchschnitt. Die verbesserten Werte sind zu erklären durch Trainingseffekte: Verbesserung der Lungenfunktion, Steigerung des Hämoglobin- und Myoglobingehaltes und der Herzkreislaufleistung. 3. Bei einer Leistung von 200 Watt stellt sich ein Lactatspiegel von knapp 5 mmol/l ein, unter 180 Watt sinkt der Lactatspiegel von anfangs 3 auf ca. 2 mmol/l, bei einer Leistung von 220 Watt steigt er auf Werte von über 10 mmol/l (nach etwa 45 Minuten). Unter 200 Watt reicht die aerobe Oxidation zur Energieversorgung der Muskulatur aus. Es kommt sogar zum Abbau zunächst angereicherten Lactats. Bei 200 Watt besteht ein Steady-State-Gleichgewicht, bei Leistungen über 200 Watt reicht die aerobe Oxidation für die ATP-Bereitstellung nicht aus, es muss zusätzlich über Milchsäuregärung ATP gebildet werden. Lactat reichert sich an und übersäuert den Muskel. 4. Eine Leistung von 180 und 200 Watt kann über längere Zeit erbracht werden, denn bei der aeroben Oxidation wird Fett verbrannt, das in Form von Depotfett reichlich als Energieträger zur Verfügung steht. Bei Leistungen über 200 Watt dagegen reichen die Glykogenspeicher nicht beliebig lange; durch die Übersäuerung kommt es zur Ermüdung und zu einer Abnahme der Enzymaktivität. M4 Ausdauertraining mit Methode Lösungen: 1. Das erste Drittel der vollständigen Erholungsphase wird als lohnende Pause bezeichnet. 2. Die durchgezogene Linie beschreibt die beim Intervalltraining von Intervall zu Intervall gesteigerte Leistung. Das ist möglich, da die notwendigen Substanzen wie KP, Glucose und Sauerstoff in der Superkompensationsphase in größerer Menge zur Verfügung stehen und bei angestrebter Belastungsintensität von jeweils 60 bis 80 % zu ständiger leicht gesteigerter Leistung führen. 3. Zur Auffüllung und damit auch zur Erweiterung der Glykogenspeicher in Muskel und Leber sollten die Erholungsphasen nicht länger als zwei Tage dauern (s. Text und Abb. 1). Auf diese Weise wird dann besonders die Langstreckenausdauerfähigkeit trainiert. 9

5 Lösungen und Anmerkungen M5 Faserverteilung und Sport Lösungen: 1. Rote Muskelfasern enthalten deutlich mehr Mitochondrien und Myoglobin (roter Farbstoff mit höherer Affinität zu O 2 als Hämoglobin) als weiße Muskelfasern. 2. Die Mitochondrien und das Myoglobin sind Hinweise darauf, dass in diesen Fasern verstärkt ein aerober Abbau von Glucose und Fettsäuren zur Energiegewinnung betrieben wird und damit auch eine Ausdauerleistung möglich ist. Fasern mit wenigen Mitochondrien sind kurzfristig leistungsfähiger, also schneller kontraktionsfähig, sind aber auf ATP-Bildung aus der Milchsäuregärung angewiesen und ermüden schnell. 3. Der hohe bzw. niedrige Anteil schneller Fasern korreliert mit den vornehmlich geforderten Muskeltätigkeiten der Sportler. Schnellkraft bei Sprintern und Springern erfordert kurzfristig abrufbare und rasche Kontraktionen, der Langstreckenläufer muss ermüdungsfrei bei langsamerer Bewegung agieren. 4. Denkbar ist eine genetische Disposition mit einer gelungenen Selektion der Sportler für ihre Sportart, aber auch veränderte Faseranteile bei der Neubildung von Muskelzellen. (Letzteres ist noch nicht endgültig geklärt, jedoch gibt es Hinweise dafür und auch entsprechende experimentelle Erkenntnisse aus Tierexperimenten). M6 und M7 Überprüfung der eigenen Fitness und Ausdauertraining Praktische Hinweise: Die vorgeschlagenen Testverfahren sind durchaus für die Durchführung außerhalb des Sportunterrichts geeignet. Aus Gründen der Zeitökonomie und der größeren Kompetenz der Sportkollegen ist aber denkbar, diese durch Teilgruppen im Sportunterricht durchführen und die Ergebnisse in den Unterricht einbringen zu lassen. Ansonsten ist sicherzustellen, dass nur sporttaugliche Schüler am Test teilnehmen. Das Ausdauertraining (M7) sollte freiwilligen Schülern angeboten werden. Eine Überprüfung der gesteigerten Fitness ist jedoch nicht innerhalb der Unterrichtsreihe von ca. 12 Unterrichtsstunden (also 4 Wochen) möglich. Das Ergebnis sollte aber nachträglich vorgestellt und gewürdigt werden. 10

6 Arbeitsblatt Schwerpunktvorhaben: Sport biologisch betrachtet M1 Energieversorgung des Muskels Die molekularen Prozesse bei der Muskelkontraktion benötigen als Energielieferanten ATP. Dieses ist nur in geringen Mengen in den Muskelzellen vorrätig, steht bei spontan einsetzender Muskelarbeit nur kurzzeitig zur Verfügung und muss immer wieder nachgeliefert werden, damit der Muskel weiter kontrahieren kann. A Energiebereitstellung für die Muskelkontraktion B Die Energiebereitstellung erfolgt bei maximaler körperlicher Belastung je nach Dauer durch unterschiedliche Energie liefernde Prozesse C Sauerstoffaufnahme bei leichter körperlicher Arbeit; körperliche Belastung von Minute konstant 1. Erläutern Sie anhand der Abbildungen A und B die Energiebereitstellung bei maximaler körperlicher Belastung. 2. Stellen Sie in wesentlichen Zügen heraus, was bei der aeroben und bei der anaeroben Oxidation abläuft. Benutzen Sie als Informationsquelle Ihr Lehrbuch. 3. Begründen Sie die Reihenfolge der Energie bereitstellenden Prozesse. 4. Erklären Sie den in Abb. C dargestellten Verlauf der O 2 -Aufnahme während der über 13 Minuten gleich bleibenden Arbeit und in der Erholungsphase unter Berücksichtigung der Informationen aus Abb. A und B Schroedel, Braunschweig 11

7 Arbeitsblatt M2 Energieverbrauch eines Schülers auf dem Trimmrad Bei der Betrachtung des Energieumsatzes des Menschen bezeichnet man den Energieumsatz in Ruhe, das bedeutet liegend, nüchtern und bei einer Umgebungstemperatur, die keinen Wärmeaustausch bedingt, als Grundumsatz. Der bei körperlicher Aktivität gemessene Energieumsatz wird als Tätigkeitsumsatz und die Differenz zwischen Tätigkeitsumsatz und Grundumsatz als Leistungszuwachs bezeichnet. Dieser ist neben dem Energieverbrauch bei der Kontraktion der Muskelzellen auf die gesteigerten Transportleistungen im Körper und auf den dadurch insgesamt gesteigerten Stoffwechsel zurückzuführen. Die bei der biologischen Oxidation im Körper freigesetzte Energie entspricht der Energie, die bei der Verbrennung der Nährstoffe außerhalb des Körpers entsteht. Zur Messung des Energieumsatzes kann man entweder die Wärmeabgabe direkt messen (direkte Kalorimetrie) oder indirekt über die verbrauchte Sauerstoffmenge (indirekte Kalorimetrie). Die direkte Kalorimetrie beim Menschen erfordert einen hohen technischen Aufwand. Deshalb wurden einfache Verfahren zur indirekten Kalorimetrie entwickelt. Um aus dem Sauerstoffverbrauch den Energieumsatz berechnen zu können, muss die stöchiometrische Beziehung zwischen den im Körper oxidierten Substanzmengen, der dabei verbrauchten Sauerstoffmenge und der freiwerden Energiemenge betrachtet werden. Für die Oxidation von Glucose gilt: C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O kj; Masse Glucose: 180 g; Brennwert Glucose: 2826 kj/180 g = 15,7 kj/g; 1 mol O 2 = 22,4 Liter, 1 mol CO 2 = 22,4 Liter; 6 mol O 2 bzw. CO 2 = 6 22,4 = 134,4 Liter. Somit lässt sich aus der Atemluftmenge und dem CO 2 -Gehalt der Atemluft unter der Annahme, dass allein Glucose (bzw. Glykogen) abgebaut wird, der Energieumsatz ermitteln. 1. Wert gemessen nach 30 s Puls pro Minute Wert gemessen nach der vollen Minute Atemminutenvolumen in ml In Ruhe ,8 1. Minute ,0 2. Minute ,8 3. Minute ,9 4. Minute ,1 5. Minute ,6 6. Minute ,7 7. Minute ,4 8. Minute ,7 9. Minute ,1 10. Minute ,3 11. Minute ,3 12. Minute ,9 13. Minute ,0 14. Minute ,0 15. Minute ,9 16. Minute ,1 17. Minute ,0 CO 2 - Gehalt in Vol-% Messergebnisse eines Schülers, 17 Jahre, männlich, regelmäßig Sport treibend (von der 1. bis 10. Minute mit mittlerer konstanter Geschwindigkeit auf einem Trimmrad radelnd) 1. Bestimmen Sie das Energieäquivalent für Sauerstoff bzw. Kohlenstoffdioxid, das heißt den Energieumsatz beim Verbrauch von 1000 ml Sauerstoff bzw. der Freisetzung von 1000 ml Kohlenstoffdioxid. 2. Berechnen Sie für jede Minute der Versuchsdauer die CO 2 -Produktion in ml und den Energieumsatz in kj/min. 3. Stellen Sie nun in einem Diagramm die Werte für das Atemminutenvolumen, die CO 2 -Konzentration und die errechnete CO 2 -Produktion und in einem zweiten Diagramm den Puls und den errechneten Energieumsatz gegen die Zeitachse übersichtlich dar. Setzen Sie mehrere Hochachsen. 4. Erklären Sie den Verlauf von Puls und Energieumsatz in Ruhe, bei Belastung und in der Erholungsphase. 5. Zeichnen Sie zur Verdeutlichung der Menge des gebildeten CO 2 die CO 2 -Produktion in Ruhe und den höchsten Wert in der Belastungsphase als Quader im Maßstab 1: Schroedel, Braunschweig

8 Arbeitsblatt Schwerpunktvorhaben: Sport biologisch betrachtet M3 Ausdauerleistung Entscheidend für Ausdauerleistungen ist die Fähigkeit, die Muskeln mit ATP aus dem oxidativen Abbau von Glucose zu versorgen. Je größer die maximale Sauerstoffaufnahme eines Sportlers ist, desto mehr Sauerstoff steht für die aerobe Energiegewinnung zur Verfügung. Die Sauerstoffaufnahmefähigkeit kann durch Ausdauertraining deutlich gesteigert werden. Beim oxidativen Abbau liefern Glykogenvorrat und Fettdepot auch für längere Dauerleistungen Energie. Reicht die ATP-Bildung aus dem oxidativen Abbau nicht aus, setzt die Milchsäuregärung ein. Der Lactatspiegel steigt und kann zur Erschöpfung und Übersäuerung des Muskels führen (Lactat = Salz der Milchsäure). A Maximale Sauerstoffaufnahme weiblicher und männlicher Personen unterschiedlichen Alters und von Ausdauersportlern B Lactatspiegel bei konstanter Belastungsintensität (Fahrradergometer) mit unterschiedlicher Arbeitsintensität 1. Beschreiben Sie das altersabhängige maximale Sauerstoffaufnahmevermögen bei untrainierten weiblichen und männlichen Personen (Abb. A). 2. Vergleichen Sie die ermittelten Werte aus Aufgabe 1 mit den Werten von Ausdauersportlern und stellen Sie Vermutungen an, warum deren Werte davon abweichen. 3. Vergleichen Sie die Lactatspiegel bei unterschiedlicher Arbeitsleistung (Abb. B) und erläutern Sie die Vorgänge, die zum Anstieg beziehungsweise zum Abfall des Lactatspiegels führen. 4. Beurteilen Sie die Dauerleistungsfähigkeit bei den unterschiedlichen Belastungen Schroedel, Braunschweig 13

9 Arbeitsblatt M4 Ausdauertraining mit Methode Die Adaptationsfähigkeit des menschlichen Körpers ist die Grundlage für höhere Leistungsfähigkeit. Beim Training führt die körperliche Belastung durch den Abbau der Energiereserven zu einer Verminderung der Leistungsfähigkeit. In der Erholungsphase baut der Körper diese Reserven nicht nur wieder auf, sondern er überkompensiert in Anpassung an die stärkere Belastung sogar deren Mengen. Durch gezielt geplante Trainingsbelastungen und Erholungsphasen können funktionelle Anpassungen erreicht werden. Die Fähigkeit des Körpers zur Homöostase, der Selbstregulation im dynamischen Gleichgewicht, kann dabei genutzt werden. Das Modell der Überkompensation (Superkompensation) in Abbildung A beschreibt die Auffüllung von Energiepotentialen nach der Ausschöpfung der Energiereserven durch die körperliche Aktivität (Sport) über das ursprüngliche Niveau hinaus. Die Überkompensation dauert bei den energiereichen Phosphaten (ATP und Kreatinphosphat) nur Minuten, bei Glykogen bei gezielter Kohlenhydratzufuhr Stunden und die Wiederherstellung von Strukturproteinen und Enzymen mehrere Tage. Ein optimaler Leistungszuwachs ergibt sich nur, wenn die neue Belastung durch das Training am Höhepunkt der Superkompensation erfolgt. Beim Ausdauertraining nach der Intervallmethode werden während einer Trainingseinheit gezielt Erholungsphasen eingebaut, so genannte lohnende Pausen. Wenn in der Erholungsphase nach einer Belastungsphase (z.b. bei der Mittelzeitintervallmethode Laufen über ca. fünf Minuten mit einem Puls von Schlägen/min.) der Belastungspuls auf Schlägen/min. gesunken ist, wird die nächste Laufphase begonnen (wieder z. B. fünf Minuten) und vor Erreichen des Ruhepuls wieder mit dem nächsten Laufintervall begonnen. In 1/3 der bis zur völligen Erholung benötigten Zeit ist die Erholung zu 2/3 erfolgt. Bei einer Pause von jeweils etwa 2 3 Minuten ergeben sich z. B. in einer Trainingseinheit von 60 Minuten etwa acht Laufabschnitte. A Modell der Überkompensation B Lohnende Pause beim Training C Intervallmethode 1. Definieren Sie den als lohnende Pause bezeichneten wichtigen Teil des Intervalltrainings. 2. Erklären Sie die durchgezogene Linie in Abbildung C, die stets ca. 80 % der maximalen Leistungsfähigkeit darstellt. Gehen Sie dabei auch auf die physiologischen Vorgänge ein. 3. Warum ist eine dreimalige Durchführung einer solchen Trainingseinheit pro Woche sinnvoll? Schroedel, Braunschweig

10 Arbeitsblatt Schwerpunktvorhaben: Sport biologisch betrachtet M5 Faserverteilung und Sport Muskelkontraktionen entstehen durch Interaktionen zwischen den fadenförmigen Molekülen Myosin und Aktin. Unterschiedlichen Kontraktionsgeschwindigkeiten von Muskelfasern liegen unterschiedliche Zusammensetzungen des Myosinmoleküls zugrunde. Eine Komponente des Myosinmoleüls, die so genannte schwere Kette, tritt beim Menschen in drei Varianten auf, den Isoformen I, II a und II x. Fasern mit dem Typ II werden schnelle Fasern, solche mit Typ I langsame Fasern genannt. Der schnellste Typ (IIx) ist zehnmal schneller als Typ I. Mischfasern werden in ihrer funktionellen Eigenschaft von der Mehrheit des Fasertyps bestimmt. Entscheidend für die Kontraktionsgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der ATP an der schweren Myosinkette gespalten wird. Ein Durchschnittsmensch hat etwa gleich viele langsame wie schnelle Fasern, zum Beispiel im vorderen Oberschenkelmuskel, dem vierköpfigen Schenkelstrecker. Allerdings gibt es große individuelle Unterschiede. Ein Muskel mit vielen Fasern vom Typ I ist der Nackenmuskel, der den Kopf dauernd aufrecht hält, ein Muskel mit vielen Fasern vom Typ II ist der Bizeps am Oberarm, der schnell und mit hoher Kraftentwicklung aber nicht ermüdungsfrei arbeiten kann. A Unterschiedliche Fasertypen B Anteil der schnellen Muskelfasern 1. Vergleichen Sie Rote Muskelfaser, Intermediärtyp und Weiße Muskelfaser anhand Abb. A. 2. Welchen Einfluss haben Mitochondrien und Myoglobin auf die Leistungsfähigkeit der Muskelfasertypen? 3. Vergleichen Sie anhand Abb. B die Anteile schneller Muskelfasern im Oberschenkelmuskel bei Sportlern unterschiedlicher Sportarten und stellen Sie diese Anteile in einen Zusammenhang zu ihrer Sportart. 4. Stellen Sie Hypothesen auf, warum diese Sportler unterschiedliche prozentuale Anteile an schnellen Muskelfasern haben Schroedel, Braunschweig 15

11 Arbeitsblatt M6 Überprüfung der eigenen Fitness Um die eigene Fitness vor und nach einer Trainingsphase überprüfen und mit Altersgenossen oder Sportlern im gemeinsamen Team vergleichen zu können, bieten sich standardisierte Tests an. Einige davon sind einfach, ohne Aufwand und ohne besondere Vorkenntnisse an Geräten durchführbar. A Cooper-Test Durchführung: Auf einer gut messbaren Rundstrecke (400-m-Bahn des Sportplatzes) wird in 12 Minuten eine möglichst weite Strecke zurückgelegt. Kondition 11 Jahre 13 Jahre 15 Jahre 17 Jahre bis 30 Jahre Jahre Jahre Über 50 Jahre Sehr gut Gut Befriedigend Mangelhaft In 12 Minuten zurückgelegte Strecke in Metern; Werte gelten für männliche Personen, für weibliche Personen jeweils 200 m abziehen! 1. Führen Sie den Fitnesstest durch und ermitteln Sie die von Ihnen zurückgelegte Strecke. 2. Beurteilen Sie Ihre persönliche derzeitige Ausdauerfähigkeit mit Hilfe der Wertungstabelle. B Querg-Belastungstest Material: Stoppuhr, Hüpfseil Durchführung: a) Ruhepulsmessung im Sitzen (Pulsmessung jeweils 30 Sekunden) b) 30 Kniebeugen in 30 Sekunden, Arme in Vorhalte, Beugen bis in die Oberschenkelwaagerechte c) Skippings am Ort, 30 Sekunden, Knie abwechselnd heben bis in die Oberschenkelwaagerechte d) langsamer Lauf am Ort, 3 Minuten e) Seilspringen am Ort, 1 Minute, bei Verheddern des Seiles weiterhüpfen und während des Hüpfens das Seil ordnen f) sofort nach dem Seilspringen hinsetzen und Puls messen (P1), 2 Minuten nach Übungsende zweite Pulsmessung (P2), 4 Minuten nach Übungsende dritte Pulsmessung (P3) durchführen. Bewertung: Aus der Übungsdauer und den drei Pulsmessungen nach der Belastung (Werte pro 30 Sekunden) wird ein Index berechnet und der Indexwert nach einer Klassifizierung beurteilt. Dauer der Arbeit in Sekunden 100 Index = 2 (P1 + P2 + P3) Klassifizierung des Konditionszustandes Sehr gut: ab 95 gut: genügend: schwach: unter 82 Aufgabe: Führen Sie den Belastungstest durch, ermitteln Sie den Index und bewerten Sie Ihre derzeitige Fitness. M7 Ausdauertraining 1. Trainieren Sie dreimal pro Woche nach dem Laufprogramm. 2. Überprüfen Sie nach der achten Woche erneut Ihre Fitness und vergleichen Sie mit den Ausgangswerten vor dem Trainingsprogramm Schroedel, Braunschweig