Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin einer Hohen Medizinischen Fakultät der Ruhr-Universität Bochum

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1 Aus der Klinik für Angeborene Herzfehler am am Herz- und Diabeteszentrum NRW Bad Oeynhausen -Universitätsklinikder Ruhr-Universität Bochum Direktor: Prof. Dr. med. Deniz Kececioglu Referenzwerte gesunder Kinder und Jugendlicher für Laktat in Ruhe, an der individuellen ventilatorisch bestimmten Schwelle und bei Ausbelastung auf dem Laufbandergometer Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin einer Hohen Medizinischen Fakultät der Ruhr-Universität Bochum vorgelegt von Daniel Bunse aus Bochum 2010

2 Dekan: Prof. Dr. med. G. Muhr Referent: Prof. Dr. med. D. Kececioglu Koreferent: Prof. Dr. med. C. Rieger Tag der mündlichen Prüfung:

3 INHALTSVERZEICHNIS 1. Einleitung Leistungsfähigkeit und Laktat Ziel der Arbeit Fragestellungen 3 2. Theoretischer Hintergrund Motorische Komponenten der körperlichen Leistungsfähigkeit Energetische Aspekte körperlicher Leistung Phasen der Energiebereitstellung Glykolyse Folgen der Laktatbildung und Verwertung des Laktats Fettstoffwechsel ß-Oxidation der Fettsäuren Citratzyklus Atmungskette Leistungsdiagnostik Ergometrische Testverfahren Laufband- versus Fahrradergometrie in der Pädiatrie Spiroergometrie Kriterien der körperlichen Leistungsfähigkeit Die maximale Sauerstoffaufnahme Anaerobe und ventilatorische Schwelle (AT und VT) Bestimmung der anaeroben Schwelle (AT) mit der V-Slope-Methode Respiratorischer Quotient (respiratory exchange ratio RER) Bestimmung der AT mittels Atemäquivalent für Sauerstoff Maximales Lactat-Steady-State (MLSS) Einflussfaktoren auf die Belastungsuntersuchung Messtechnik und grössen der Spiroergometrie 45 I

4 2.4.1 Spirographie versus Pneumotachographie Atemgasanalyse Breath-by-breath Methode Blutgasanalyse und kardiozirkulatorische Parameter Physiologische Veränderungen unter zunehmender Belastung Physiologische Veränderungen während des Wachstums Laktat im Kindes- und Jugendalter Physiologische Nebenwirkungen des Laktats Methodik Einschlusskriterien Ausschlusskriterien Geräte und Kalibration Vorbereitung zur Untersuchung Lungenfunktion (Bodyplethysmographie) und Blutgasanalyse Untersuchungsprotokoll Laufbandspiroergometrie Ermittelte Parameter Ausbelastungskriterien Indikation zum Belastungsabbruch Ermittlung der anaeroben Schwelle Verarbeitung der erhobenen Daten und Statistik Ergebnisse Anthropometrische Daten der untersuchten Kinder und Jugendlichen Laktat in Ruhe Laktat an der ventilatorisch bestimmten anaeroben Schwelle Maximale Laktatwerte auf dem Laufbandergometer Einfluß der Pubertät auf die Laktatentwicklung Interindividuelle Unterschiede Laktat in Relation zum Körpergewicht 71 II

5 5. Diskussion Kritische Betrachtung zum Design der Studie Laktat in Ruhe Laktat an der ventilatorisch bestimmten anaeroben Schwelle Laktat bei Ausbelastung Zusammenfassung Literaturverzeichnis Anhang Danksagung 10. Lebenslauf III

6 Verwendete Abkürzungen: Acetyl-CoA AMV AT ATP BF BGA CO 2 EKG EQCO 2 EQO 2 FAD FADH 2 FEV1 FMN FMNH 2 GDP GTP H 2 O HF ITGV IVC KrP NAD+ NADH+H O 2 Pi RER RQ TLC VC VCO 2 VE VO 2 VO 2 AT VO 2 basal VO 2 max / peak VT aktivierte Essigsäure Atemminutenvolumen Anaerobic threshold anaerobe Schwelle Adenosintriphosphat breath frequency Atemfrequenz Blutgasanalyse Kohlendioxid Elektrokardiogramm Atemäquivalent für Kohlendioxid Atemäquivalent für Sauerstoff Flavin-adenin-dinucleotid reduziertes Flavin-adenin-dinucleotid forciertes expiratorisches Volumen in 1 Sekunde Flavinmononukleotid reduziertes Flavinmononukleotid Guanosindiphosphat Guanosintriphosphat Wasser Herzfrequenz Intrathorakales Gasvolumen Inspiratorische Vitalkapazität Kreatinphosphat Nicotinamid-adenin-dinucleotid reduziertes Nicotinamid-adenin-nucleotid Sauerstoff anorganisches Phosphat Respiratory Exchange Ratio respiratorischer Quotient Respiratorischer Quotient Totale Lungenkapazität Vitalkapazität Kohlendioxidabgabe Ventilation Atemminutenvolumen Sauerstoffaufnahme Sauerstoffaufnahme an der ventilatorischen Schwelle Sauerstoffaufnahme in Ruhe Maximale Sauerstoffaufnahme Atemzugvolumen Zur Vereinfachung wurden die auf das Ventilation bezogenen Parameter nicht mit V gekennzeichnet, aber synonym verwendet. IV

7 1. Einleitung 1.1 Leistungsfähigkeit und Laktat Bereits 1789 wurde von de Lavoisier (Biomechaniker und Arzt) und Seguin die erste Untersuchung des Gasstoffwechsels bei Menschen unter körperlicher Belastung durchgeführt [98]. Davon ausgehend entwickelte sich im Folgenden die Spiroergometrie als anerkanntes medizinisch-wissenschaftliches Verfahren, welches in Klinik und Praxis eine wichtige Ergänzung der Diagnostik darstellt und präventive bzw. therapeutische Folgerungen ermöglicht. Sie dient zur Beurteilung der körperlichen Leistungsfähigkeit von gesunden Menschen und der Belastbarkeit von Kranken. Im weiteren Lauf der Geschichte dauerte es fast noch ein Jahrhundert, bis 1883 von Speck das erste Drehkurbelergometer konstruiert wurde stellte Bouny das erste Fahrradergometer der Welt vor [23]. Knipping und Brauer haben durch die Entwicklung eines Spirographen schliesslich 1929 die erste Messung im Sinne einer Spiroergometrie durchgeführt [92]. Durch den technischen Fortschritt konnten bereits bald detailliertere Messungen erfolgen, so dass um 1960 erstmals die Beziehung von Ventilation, Sauerstoffaufnahme und Laktat-Stoffwechsel beschrieben wurde. Der Begriff des Punktes des optimalen Wirkungsgrades der Atmung entstand; heute bezeichnen wir dies als anaerobe Schwelle (anaerobic threshold). Wasserman hat zusammen mit Beaver die Interaktion von Ventilation, Zirkulation und Stoffwechsel beschrieben und 1986 die heute angewandte nichtinvasive V-slope-Methode vorgestellt [13]. Ziel einer Spiroergometrie ist die Provokation leistungsbegrenzender physiologischer Prozesse. Zahlreiche verschiedene Untersuchungsverfahren werden dabei angewandt und sind vor allem bei Erwachsenen ausreichend standardisiert und validiert. Besonders in der Arbeitsmedizin und der Sportmedizin sind Belastungsuntersuchungen für eine fundierte Beurteilung und Beratung unverzichtbar. Die körperliche Leistungsfähigkeit ist in hohem Masse an energieliefernde Prozesse gekoppelt. Unter Ausdauer im biochemischen Sinne versteht man die Fähigkeit des Körpers, das durch die Muskelarbeit verbrauchte 1

8 ATP ausreichend zur Verfügung zu stellen. Wie im theoretischen Teil (2.2) ausführlich erläutert, unterscheidet man zwei Formen der Energiegewinnung. Die aerobe Energiebereitstellung erfolgt unter Normalbedingungen, bei maximaler Belastung bzw. anaeroben Bedingungen sind die Zellen auf die Energiegewinnung aus der Glykolyse angewiesen. Dabei entsteht aus dem Endprodukt der Glykolyse, dem Pyruvat, unter Gewinnung von 2 mol ATP Laktat. Das Laktat wird anschliessend in die Blutbahn abgegeben und in der Leber zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut, alternativ ist auch bei Energieüberschuß nach Oxidation zu Pyruvat die Gluconeogenese möglich [94]. Laktat wird während einer Belastungsuntersuchung zunehmend gebildet und verursacht nach gängiger Lehrmeinung die belastungsinduzierte metabolische Azidose, die zum Abbruch der Belastung führt [149]. Zunächst sollen das Ziel der Arbeit und die spezifischen Fragestellungen vorgestellt werden, im Folgenden auf die theoretischen Grundlagen der Physiologie und der Leistungsdiagnostik eingegangen werden. Es wird im Anschluss daran detailliert die Untersuchungsmethodik beschrieben und die Ergebnisse unserer Studie präsentiert. Zuletzt werden unsere ermittelten Daten mit anderen bereits veröffentlichten Studien verglichen und diskutiert sowie mögliche Lösungen bezüglich der speziellen Fragestellungen vorgestellt. 1.2 Ziel der Arbeit Aufgrund der fehlenden Datenlage in der Literatur und der doch erheblichen Unterschiede zwischen Kindern und Erwachsenen, die auch in unserer Klinik evident sind, haben wir uns als Ziel gesetzt, das Verhalten von Laktat vor, während und nach einer standardisierten Belastung zu untersuchen. Bei Durchsicht der Literatur zu diesem Thema zeigte sich, dass sowohl für gesunde Kinder als auch für Kinder mit angeborenen Herzfehlern oder anderen Erkrankungen nur wenige Studien existieren. Die meisten Veröffentlichungen befassen sich mit dem maximal erreichbaren Laktat, wobei dieses zumeist auf dem Fahrradergometer ermittelt wurde. Die in unserer Klinik praktizierte Laufbandergometrie weist jedoch gegenüber diesem Verfahren mehr Vorteile als Nachteile auf. Diese werden im weiteren 2

9 Verlauf dieser Arbeit dargestellt. In bisher veröffentlichten Publikationen werden lediglich orientierende Werte in den verschiedenen Altersstufen für das Laktat im Kindesalter genannt, eine systematische Analyse über das gesamte Altersspektrum bei Mädchen und Jungen fehlt unseres Wissens bislang. Viele dieser Studien verwenden Ergometrieprotokolle, die für Erwachsene entwickelt wurden und die Physiologie des kindlichen Organismus nicht berücksichtigen [25, 34]. Ein weiterer Schwachpunkt der bisherigen Arbeiten ist die Anzahl der untersuchten Probanden. Es wurden isolierte Altersgruppen untersucht mit niedrigen Fallzahlen, so dass eine wirkliche Aussage über Normwerte kaum möglich erscheint. Eine altersübergreifende Längsschnittuntersuchung fehlt bisher. Ziel dieser Arbeit ist es, Normwerte für Laktat bei gesunden Kindern und Jugendlichen im Alter von 3-18 Jahren zu erstellen, und zwar in Ruhe, an der ventilatorisch bestimmten Schwelle und bei Ausbelastung. Dafür wurde das von der Deutschen Gesellschaft für Pädiatrische Kardiologie empfohlene und anerkannte spiroergometrische Laufbandprotokoll von Dubowy et al. [44] verwendet. Die erhobenen Daten werden statistisch verarbeitet und dann als Perzentilenkurven für das jeweilige Alter und Geschlecht dargestellt. 1.3 Fragestellungen Folgende Fragen sollen nach Auswertung der gewonnenen Daten in dieser Arbeit bearbeitet werden: 1. Wie ist der durchschnittliche Laktatwert unter Ruhebedingungen bei Mädchen und Jungen in Abhängigkeit vom Alter? 2. Wie verhält sich das Laktat an der ventilatorisch bestimmten Schwelle? 3. Wie hoch sind die im Kindes- und Jugendalter maximal erreichbaren Laktatwerte? 4. Wirkt sich die Pubertät auf das Laktatverhalten aus? 5. Wie ausgeprägt sind die interindividuellen Unterschiede für Laktat in den verschiedenen Altersstufen? 6. Besteht eine Korrelation zwischen Laktat und dem Gewicht bzw. stellt der Laktatwert bezogen auf das Gewicht eine Alternative dar? 3

10 2. Theoretischer Hintergrund 2.1. Motorische Komponenten der körperlichen Leistungsfähigkeit Unter körperlicher Leistung versteht man nach Schnabel die Einheit von Vollzug und Ergebnis einer sportlichen Handlung bzw. komplexen Handlungsfolge, die an bestimmten, sozial deteminierten Normen ermittelt und beurteilt werden [140]. Das bedeutet, dass körperliche Leistung aus verschiedenen Komponenten besteht. Vor allem wird physische Leistung durch konditionelle und koordinative Faktoren bestimmt, zu denen Ausdauer, Schnelligkeit, Kraft, Beweglichkeit und Koordination zählen. Diese wurden bereits von Fetz 1972 als die fünf motorischen Grundeigenschaften bezeichnet [58]. Diese Eigenschaften sind durch körperliches Training in einem gewissen Masse trainierbar. Neben den Grundeigenschaften spielen nach Weineck weitere Faktoren eine Rolle [159]. Dazu gehören Merkmale der Persönlichkeit (Intelligenz, Motivation), die körperliche Konstitution bzw. Gesundheit sowie technische Fähigkeiten und Fertigkeiten. In dieser Arbeit steht der energetische Aspekt der physischen Leistungsfähigkeit im Mittelpunkt, die eng mit der Ausdauer korreliert. Ausdauer ist von Hollmann charakterisiert als Fähigkeit, eine gegebene Leistung über einen möglichst langen Zeitraum durchhalten zu können, das heißt einer körperlichen Belastung physisch und psychisch möglichst lange zu widerstehen [79]. Hollmann unterscheidet weiterhin morphologische, biochemische und biophysikalische Aspekte. Im Folgenden sollen nun ausschließlich die energetischen (biochemischen) Komponenten näher erläutert werden Energetische Aspekte körperlicher Leistung Wie weiter oben bereits angeführt ist die Bereitstellung von Energie für Ausdauerleistungen obligatorisch. Dies geschieht durch chemische Reaktionen. Diese können aus biochemischer Sicht in zwei Gruppen unterteilt werden. Die erste Gruppe enthält Reaktionen, die Energie in irgendeiner Form freisetzen (exergonische Reaktionen). Die zweite Gruppe besteht aus Reaktionen, die nur unter Voraussetzung der Zufuhr von Energie stattfinden können (endergonische 4

11 Reaktionen). Komplexe organische Moleküle enthalten Energie in Form von atomaren Bindungen. Bei Lösung einer Bindung wird Energie frei, die Entstehung einer neuen Verbindung erfordert Energie [76]. Muskelarbeit hängt von verschiedenen Faktoren ab, zu denen unter anderem Durchblutung, Sauerstoff- und Nahrungszufuhr zählen. Dabei wird die Art des Stoffwechsels von der Form, der Belastungsintensität und der Belastungsdauer wesentlich beeinflusst. Während bei dynamischer (isotonischer) Arbeit auch bei längerer Dauer aerobe Stoffwechselprozesse dominieren, ist statische (isometrische) Arbeit schon bei einer mittleren Intensität durch anaeroben Metabolismus gekennzeichnet [76]. Unter Normalbedingungen findet die Energiegewinnung in der Mehrzahl der Gewebe unter aeroben Stoffwechselprozessen statt, so auch in der Muskulatur. Diese Prozesse laufen in den Mitochondrien ab. Unter anaeroben Bedingungen findet die weniger ertragreiche Energiegewinnung durch Glykolyse und Bildung von Laktat ausserhalb der Mitochondrien statt. Zusätzlich zu diesen beiden Formen der Energiegewinnung stehen Energiereserven für kurze Zeit aus den Energiespeichern der Zellen in Form von ATP und Kreatinphosphat zur Verfügung [149] Phasen der Energiebereitstellung Grundlage für jede Muskelkontraktion ist der Abbau von Adenosintriphosphat (ATP) zu Adenosindiphosphat und Phosphat (Pi). ATP stellt eine hochenergetische Verbindung der Purinbase Adenin mit Ribose und drei Phosphaten dar. Es ist die einzige Energieform, die Zellen direkt benutzen können, so auch die Muskelzelle. Durch die gewonnene Energie kann mechanische Arbeit erfolgen, aber auch andere biochemische Reaktionen, die Energie benötigen, wie zum Beispiel die Phosphorylierung von Glukose und Fruktose-6-Phosphat, werden durch ATP erst ermöglicht. Energetisch vergleichbare Verbindungen sind Guanosintriphosphat (GTP) und Uridintriphosphat (UTP), jedoch wird in biologischen Systemen überwiegend ATP benutzt. Folgende exergonische Reaktion lautet: ATP + H 2 O ADP + Pi + Energie (Myosin-ATPase) [94] 5

12 Eine weitere Möglichkeit des ATP-Abbaus besteht in der Umwandlung zu Adenosinmonophosphat (AMP): ATP + H 2 O AMP + Pi + Energie (Myokinase) [94] Der tägliche Verbrauch eines Menschen an ATP ist abhängig von seinem Körpergewicht. Der Vorrat der Muskelzellen an ATP ist jedoch beschränkt und liegt unter Ruhebedingungen bei etwa 6 mmol/kg Körpergewicht. Diese Menge reicht für ein bis drei Kontraktionen [38] und kann bei Sportlern durch gezieltes Training um maximal 20% gesteigert werden [152]. Nach Verbrauch des Vorrats wird das ebenfalls in den Muskelzellen befindliche Kreatinphosphat als energiereiche Verbindung genutzt. Dabei wird der Phosphatrest mit Hilfe der Transphosphorylase vom Kreatinphosphat auf Adenosindiphosphat übertragen und das ATP wieder neu gebildet. Kreatinphosphat ist in etwa drei- bis viermal so grosser Menge wie das ATP in der Muskelzelle vorhanden. Kreatinphosphat + ADP Kreatin + ATP (Kreatinphosphokinase CK) [152]. Die im Muskel gespeicherte Menge an Kreatinphosphat reicht bei voller Leistung für etwa sechs bis zehn Sekunden. Diese beiden Vorgänge der Energiebereitstellung, die Energie nur für eine kurze Zeit zur Verfügung stellen können, werden als anaerob-alaktazide Phase bezeichnet, da in dieser Zeit weder Sauerstoff verbraucht noch Laktat gebildet wird. Bei anhaltender muskulärer Leistung wird Glukose anaerob verstoffwechselt, welches aus im Muskel gespeicherten Glykogen stammt. 6

13 Abb. 2.1: Energiebereitstellung im Verhältnis zur Belastungsdauer [89] Dabei wird dem Körper rasch Energie zugeführt, die Menge an gewonnenem ATP ist jedoch im Gegensatz zur aeroben Verstoffwechslung limitiert. Es entsteht im Zytoplasma der Muskelzelle schliesslich Laktat, welches nur mit Mühe und sehr langsam aus der Zelle ins Blut austreten kann, so dass eine intrazelluläre Anhäufung resultiert. Daraus folgt ein Absinken des ph-wertes und eine Ansäuerung des Zellmilieus, die für die Beeinträchtigung des Leistungsfähigkeit und rasche Ermüdung verantwortlich gemacht wird. Zusätzlich wird das Enzym Phosphofruktokinase, das für die Umwandlung von Fruktose-6-Phosphat zu Fruktose-1,6-bisphosphat verantwortlich ist (Schrittmacherreaktion der Glykolyse), durch hohe Laktatkonzentrationen inhibiert. Während allmählich beginnender submaximaler Belastung (circa 70% der maximalen O 2 -Aufnahme) mit ausreichendem Sauerstoffangebot kann zunächst Glukose zu Pyruvat abgebaut werden, das durch oxidative Decarboxylierung zu Acetyl-CoA umgewandelt wird. Dies wird im Folgenden im sogenannten Citratzyklus zu den Endprodukten Kohlendioxid und Wasser abgebaut. Dieser Vorgang wird als aerobe-glykolytische Form der Energiebereitstellung bezeichnet und kann aufgrund des hohen Ertrags an ATP Energie für Minuten bereitstellen.. 7

14 Unter anhaltender Belastung können auch freie Fettsäuren vollständig metabolisiert werden und ATP zur Verfügung stellen. Dies wird aerobe-lipolytische Form der Energiebereitstellung genannt. Dabei ist zu erwähnen, dass bei kurzer intensiver Belastung lediglich etwa 25% des Energiebedarfs durch Fettsäuren gedeckt wird, jedoch bei langandauernder submaximaler Arbeit der Anteil 70-90% betragen kann [123, 124, 125]. Tab. 2.1: Formen der Energiebereitstellung Energiebereitstellung in der Muskelzelle Beanspruchung anaerob aerob maximale statische Belastung submaximale dynamische Arbeit alaktazid laktazid glykolytisch lipolytisch Substrat ATP, Glukose Glukose + O Fettsäuren + 2 Kreatinphosphat O 2 Produkt(e) ADP, Kreatin Laktat CO + H O CO + H O Energie- Bilanz 1 mol ATP / mol KrP 2 mol ATP / mol Glukose 38 mol ATP / mol Glukose 129 Mol ATP / mol C 16 H 32 O 2 Nutzungsdauer 7-10 sec sec min. Stunden Es besteht dabei ein reziprokes Verhältnis zwischen Glukose und Fettsäurenverwertung, welches maßgeblich vom Trainingszustand abhängig ist [81]. Bei einer vermehrten Fettsäureoxidation im Muskel wird die Aufnahme und der Durchsatz von Glukose gehemmt, damit diese noch für Glukose-abhängige Organe wie zum Beispiel das Gehirn zur Verfügung steht. Dies geschieht dadurch, dass bei der Oxidation von Fettsäuren wie oben bereit erwähnt Acetyl-CoA und Citrat vermehrt gebildet werden. Letzteres hemmt die Phosphofruktokinase, was zu einer Erhöhung der Glucose-6-Phosphat-Konzentration führt, welche die Hexokinase hemmt. Acetyl-CoA hemmt zusätzlich die Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion. Die Energiegewinnung aus Aminosäuren über den Citratzyklus ist möglich, spielt jedoch eine untergeordnete Rolle [94]. 8

15 Bei der Durchführung und Beurteilung spiroergometrischer Leistungsdiagnostik mittels stufenförmiger Testformen stellt die Kenntnis der Energiebereitstellung eine wichtige Grundvoraussetzung dar. Cumming et al. haben 1985 neun verschiedene Testschemata pädiatrischer Leistungsdiagnostik verglichen [36]. Dabei zeigte sich, dass die einzelnen Belastungsstufen ausreichend lang gewählt sein sollten. Das empfohlene Spiroergometrieprotokoll der Deutschen Gesellschaft für Pädiatrische Kardiologie sieht für jede Belastungsstufe eine Dauer von 90 (Laufband) bis 120 (Fahrrad) Sekunden vor, das heißt bereits nach der ersten Stufe der Belastung wird die aerobe Form der Energiebereitstellung angewandt [44] Glykolyse Alle Zellen des Menschen sind in der Lage, über die Glykolyse Energie zu gewinnen. Dabei erfolgt in vielen Geweben die Regulation der Glykolyse über Insulin, das dort für die Aufnahme von Glukose in die Zellen benötigt wird. Es gibt jedoch Zellen, die Glukose insulinunabhängig aufnehmen können. Dazu gehören Erythrozyten, die Zellen des Zentralnervensystems, Hepatozyten sowie die Zellen des lymphatischen Gewebes. Die Funktion der Glykolyse besteht in der Energiegewinnung; sie kann sowohl aerob als auch anaerob ablaufen. Dabei sind sieben der zehn Reaktionen der Glykolyse reversibel, so dass sie auch für die Gluconeogenese eine Rolle spielen. Alle Teilschritte der Glykolyse laufen im Zytoplasma ab. Das Prinzip der Glykolyse besteht darin, dass 1 mol Glukose zu 2 mol Pyruvat abgebaut wird [94]. Die in freier Form in die Zelle aufgenommene Glukose wird im ersten Schritt unter ATP-Verbrauch durch die Hexokinase zu Glukose-6-phosphat phosphoryliert. Dieser Schritt stellt gleichzeitig die erste Regulationsmöglichkeit der Glykolyse dar, da das Reaktionsprodukt Glukose-6-phosphat die Hexokinase allosterisch hemmt. Es folgt die Isomerisierung zu Fruktose-6-phosphat durch die Phosphohexose-Isomerase und eine weitere Phosphorylierung am C1-Atom der Fruktose zu Fruktose-1,6-bisphosphat unter erneutem ATP-Verbrauch (Phosphofruktokinase). Diese Phosphorylierung ist irreversibel und stellt somit die Schrittmacherreaktion der Glykolyse dar. Diese Reaktion ist exergon, da für die Knüpfung einer Esterbindung eine energiereichere Anhydridbindung des ATPs 9

16 gespalten wird. Auch diese Reaktion ist an der Regulation der Glykolyse beteiligt, da die Phosphofruktokinase durch ATP und Citrat in hohen Konzentrationen gehemmt und durch ADP und AMP allosterisch aktiviert wird. So wird der Glukoseumsatz dem erforderlichen Bedarf an ATP angepasst. Im vierten Schritt wird Fruktose-1,6-bisphosphat durch Aldolspaltung in zwei Triosen gespalten; es entstehen Glycerinaldehyd-3-phosphat (Aldotriose) und Dihydroxyaceton-phosphat (Ketotriose), die miteinander über eine gemeinsame Enolform im Gleichgewicht stehen. Dabei liegt das Gleichgewicht weit auf der Seite von Dihydroxyacetonphosphat. Zum weiteren Ablauf der Glykolyse wird jedoch Glycerinaldehyd-3- phosphat benötigt. Die Triosephosphatisomerase sorgt für die Neubildung des Substrats aus Dihydroxyaceton-phosphat. Glycerinaldehyd-3-phosphat wird nun am C1-Atom oxidiert (3-Phosphoglycerinaldehyd-Dehydrogenase). Bei dieser Reaktion dient NAD + sowohl als Wasserstoffakzeptor als auch als allosterischer Aktivator. Gleichzeitig wird anorganisches Phosphat in energiereicher Säureanhydridbindung fixiert, es entsteht 1,3-Bisphosphoglycerat, welche am C 1 -Atom eine energiereiche Säureanhydridbindung und am C 3 -Atom eine energiereiche Phosphorsäureesterbindung enthält. Der energiereiche Phosphatrest am C 1 -Atom wird direkt auf ADP übertragen (3-Phosphoglyceratkinase) und ATP wird gebildet. Diese Reaktion wird als Substratkettenphosphorylierung bezeichnet und stellt aus energetischer Sicht den wichtigsten Schritt der Glykolyse dar. Nach Isomerisierung des entstandenen 3-Phosphoglycerats zu 2-Phosphoglycerat (Phosphoglyceratmutase) und folgender Wasserabspaltung (Enolase) entsteht am C 2 -Atom eine energiereiche Bindung in Form eines Enolesters (Phosphoenolpyruvat), der durch die Pyruvatkinase auf ADP übertragen werden kann. Dabei werden ATP und Pyruvat gebildet. Diese Reaktion ist irreversibel [94]. Der weitere Abbau des Pyruvats ist abhängig von der Verfügbarkeit von Sauerstoff. Unter anaeroben Bedingungen ist nicht genügend Sauerstoff zur weiteren Oxidation des Pyruvats vorhanden, so dass dieses mittels Laktat-Dehydrogenase reduziert wird. Bei dieser Reaktion wird NADH+H + als Wasserstoffdonator verwendet, welches durch die Oxidation von Glycerinaldehyd-3-phosphat gewonnen wurde. 10

17 Die Energiebilanz weist netto einen Gewinn von 2 mol ATP pro Mol Glukose aus. Das anfallende Laktat wird bereits während der körperlichen Arbeit weiterverwertet. Dabei wird Laktat zum Teil im Muskel oxidiert oder in die Blutbahn abgegeben und in der Leber zu CO 2 und H 2 O abgebaut. Bei Energieüberschuss kann Laktat nach Oxidation zu Pyruvat wieder zu Glukose aufgebaut werden (Gluconeogenese) (s.u.) [94]. Unter aeroben Voraussetzungen verläuft die Glykolyse bis zur Entstehung von Pyruvat über identische Zwischenschritte. Dieses wird unter Anwesenheit von Sauerstoff in die Mitochondrien eingeschleust und dort oxidativ decarboxyliert. Der Vorgang erfolgt an einem Multienzymkomplex, der Pyruvatdehydrogenase. An diesem Komplex sind verschiedene Enzyme (Pyruvatdecarboxylase, Dihydrolipoyl- Transacetylase, Lipoatdehydrogenase) und Cofaktoren (Thiaminpyrophosphat, - Liponsäure, Coenzym A, FAD, NAD) beteiligt. Es entsteht aktivierte Essigsäure (Acetyl-CoA), die im Citratzyklus (Krebs-Zyklus) weiter zu CO 2 und H 2 O abgebaut wird. Das aus der Substratkettenphosphorylierung stammende NADH-H + wird anders als bei der anaeroben Glykolyse nicht zur Reduktion von Pyruvat benötigt, so dass der gewonnene Wasserstoff über Transportmetabolite in die Mitochondrien geschleust werden und im Atmungskettenkomplex zusätzlich 3 mol ATP liefern kann. Da bei der Glykolyse insgesamt 2 NADH +H + gebildet werden, entsteht pro mol Glukose also 6 mol ATP [60]. Die Pyruvatdehydrogenasereaktion ist irreversibel, so dass eine Synthese von Pyruvat aus Acetyl-CoA nicht möglich ist. Sie unterliegt verschiedenen Regulationsprozessen. Der Enzymkomplex existiert in einer aktiven und inaktiven Form; beide Formen sind reversibel ineinander konvertierbar. Diese Interkonversion erfolgt über eine reversible Phosphorylierung durch eine im Enzymkomplex enthaltene Kinase, die phosphorylierte Form stellt die inaktive Form dar. Bei der Regulation spielt die Endprodukthemmung eine wichtige Rolle. Gehemmt wird der Pyruvatdehydrogenasekomplex durch Überschuss an Acetyl-CoA, ATP und NADH+H +, welcher unter anaeroben Voraussetzungen auftritt. Bei entsprechendem Angebot an Sauerstoff wird NADH+H + zu NAD + oxidiert. 11

18 Zusammengefasst ergibt sich folgende Nettobilanz der Glykolyse [112]: 1 mol Glukose Glykolyse 2 mol Pyruvat + 2 mol ATP (anaerob) Laktat Acetyl-CoA + 2 NADH+H + (aerob) (6 mol ATP ) Folgen der Laktatbildung und Verwertung des Laktats Wie weiter oben erwähnt erfolgt die Glykolyse unter anhaltender und erschöpfender Muskelarbeit fast ausschliesslich im anaeroben Bereich. Dabei überwiegt die ATP- Spaltung mit H + -Ionen-Bildung gegenüber der ATP-Synthese mit H + -Ionen- Bindung. Da in der Muskulatur die Enzyme der Gluconeogenese (fehlende Mitochondrien) nicht vorhanden sind, entsteht eine Anhäufung von Wasserstoffprotonen, die eine metabolische Azidose verursachen. Zusätzlich entstehen beträchtliche Mengen an Laktat in den Erythrozyten. Mit zunehmender Azidose laufen viele biologische Reaktionen im Muskel langsamer ab. Zwar wird ein Grossteil der entstehenden H + -Ionen durch Bicarbonat und andere Puffer gebunden, es resultiert jedoch eine zunehmende Ermüdung der Arbeitsmuskulatur, die bei anhaltender Belastung des Organismus zum Abbruch der Belastung führt. Während der Belastung wird das anfallende Laktat bereits weiter verwertet. Bei einer Belastung von 40-75% der maximalen Sauerstoffaufnahme werden 70-90% des gebildeten Laktats im Muskel oxidiert, das heißt es erfolgt zunächst die Zurückverwandlung in Pyruvat und mit anschliessender Oxidation. Der Anteil der aktiven Muskulatur wird mit 50% beziffert, aber auch die inaktive Skelettmuskulatur und die Herzmuskulatur beteiligen sich zu jeweils 15% daran [102]. Ein Teil (circa 10%) des entstehenden Laktats während der Belastung in der Leber wieder zu Glukose aufgebaut. Das Laktat wird ins Blut abgegeben und zur Leber transportiert. Dort läuft der sogenannte Cori-Zyklus ab, bei dem Laktat zu Pyruvat oxidiert wird; dieses wird in den Mitochondrien carboxyliert. Dabei entsteht 12

19 Oxalacetat, das extramitochondrial mittels Carboxykinase in Phosphoenolpyruvat überführt wird. Das entstandene Substrat stellt ein Zwischenprodukt der Glykolyse dar, von hier aus können die Reaktionen der Glykolyse unter ATP-Verbrauch rückwärts durchlaufen werden; dies wird als Gluconeogenese bezeichnet. Die Leber gibt die gebildete Glukose an das Blut ab, so dass diese zur Verfügung steht [94]. Abb.2.2: Cori-Zyklus Die Laktatkonzentration bei starker anaerober Belastung wäre auch höher, wenn nicht ein Teil des anfallenden Pyruvats durch eine Aminierung (Übertragung von Aminogruppen) in die Aminosäure Alanin überführt würde [94]. Das entstandene Alanin wird zur Leber transportiert, dort wird die Aminogruppe erneut übertragen. Der anfallende Stickstoff dient der Harnstoffsynthese, das Pyruvat der Gluconeogenese. Die Glucose ihrerseits kann wieder zum Muskel transportiert werden, wodurch der Kreislauf geschlossen wird. Unter Erholungsbedingungen kann Laktat auch in der Muskulatur zum Wiederaufbau von Glykogen verwandt werden [94] Fettstoffwechsel Der größte Energiespeicher des menschlichen Körpers ist das Fettgewebe, in dem Fettsäuren als Trigyceride gespeichert sind. Diese sind besonders im Unterhautfettgewebe, der Leber und abdominellen Depots vorhanden. Hormonsensitive Lipasen spalten die Trigyceride in Glycerin und freie Fettsäuren und werden durch das cyclische 3 5 -Adenosin-Monophosphat (3 5 -AMP) 13

20 aktiviert, welches durch Stimulierung der in der Zellmembran lokalisierten Adenylzyklase aus ATP gebildet wird. Das cyclische 3 5 -AMP spielt in der hormonalen Regulation der Zellfunktion eine herausragende Rolle, in dem es als second messenger eine Reihe von zellspezifischen Enzymen aktiviert oder inhibiert, so dass das Hormon effektiv wirken kann. Der Abbau des 3 5 -AMP erfolgt durch das Enzym Phosphodiesterase. Eine Steigerung der Lipolyse kann sowohl durch die Stimulation der Adenylzyklase als auch durch Hemmung der Phosphodiesterase erfolgen. Als Folge verlassen Glycerin und freie Fettsäuren die Fettzelle. Letztere werden extrazellulär an Albumin gebunden und in den Organen entweder zur Energiegewinnung oder erneuten Synthese von Lipiden verwendet. Etwa ein Drittel der zirkulierenden freien Fettsäuren werden unter Ruhebedingungen von der Leber aufgenommen [94]. Ein Teil der entstandenen freien Fettsäuren wird im Fettgewebe erneut durch Alpha-Glycerophosphat zu Triglyceriden umgebaut. Lipolyse und Lipogenese finden unter dem Einfluss von hormonellen und metabolischen Faktoren im Fettgewebe nebeneinander statt. Die Lipogenese wird allein durch Insulin gesteigert, welches über eine Enzyminduktion eine Aktivitätssteigerung der Phosphodiesterase bewirkt; des weiteren erhöht Insulin die Glukoseverwertung, wodurch vermehrt Alpha-Glycerophosphat für die Triglyceridsynthese zur Verfügung steht. Eine Aktivierung der Lipolyse erfolgt durch ACTH, STH, Glucagon, Thyroxin, Cortison und Katecholamine. Unter körperlicher Belastung tritt zunächst eine rasche Verminderung des Plasmaspiegels der freien Fettsäuren ein, die auf die vermehrte Durchblutung der Muskulatur und eine höhere Entfernungsrate zurückzuführen ist. Erst etwa nach Minuten Belastung wird der Ausgangsspiegel erreicht beziehungsweise überschritten. Verantwortlich dafür sind zunächst Katecholamine, mit zunehmender Belastungsdauer wird die Lipolyse vor allem durch das Wachstumshormon STH stimuliert [81]. Die entstandenen freien Fettsäuren hemmen umgekehrt die Sekretion von STH. Zusätzlich erfolgt eine Hemmung der Fettsäuremobilisation durch die Entstehung von Laktat [88]. Issekutz et al. wiesen bereits 1970 eine signifikante Korrelation zwischen ansteigendem Laktat und einer Senkung des Plasmaspiegels der freien Fettsäuren nach [83]. Bei zunehmender Belastung unter 14

21 aeroben Bedingungen nimmt die Bedeutung der Fettsäureverbrennung zu; so werden bei Belastung mit 70% der maximalen Sauerstoffaufnahmekapazität zu Beginn 20-30% der benötigten Energie durch die Fettoxidation gedeckt, bei Langzeitbelastung in diesem Bereich 50-80%. Dabei gilt, dass je besser der Trainings- und Ausdauerstand ist, desto grösser ist der prozentuale Anteil der Fettsäureverbrennung am gesamten Energieumsatz. Dadurch werden die Kohlenhydratvorräte geschont. Da bei langer körperlicher Belastung der Glukosespiegel im Blut absinkt und das zentrale Nervensystem überwiegend Glukose als Substrat verwertet, wird dieses zusätzlich vor einer drohenden Hypoglykämie geschützt. Am Ende einer Belastung kann vorübergehend ein erhöhter Fettsäurespiegels im Blut beobachtet werden, weil sich die Perfusion des aktiven Muskulatur nach Abbruch der Belastung rasch normalisiert, bevor auch die Konzentration der freien Fettsäuren auf den Ausgangswert zurückkehrt [83]. Abb. 2.3: Schematische Darstellung des Blutplasmaspiegels der freien Fettsäuren vor, während und nach einer dynamischen Belastung [83] ß-Oxidation der Fettsäuren Der schrittweise erfolgende Abbau der freien Fettsäuren erfolgt über die sogenannte ß-Oxidation. Der Name leitet sich von ß-Hydroxy- beziehungsweise ß-Keto-Acyl- Verbindungen ab, die als Zwischenprodukte auftreten. Das Prinzip der ß-Oxidation besteht darin, die Fettsäuren zu Acetyl-CoA-Einheiten zu spalten, die im Folgenden im Citratzyklus weiter verarbeitet werden. Die Enzyme der Beta-Oxidation befinden 15

22 sich in der Matrix der Mitochondrien, in der auch Enzyme des Citratzyklus und der Atmungskette lokalisiert sind. Erythrozyten und Nervenzellen sind aufgrund der fehlenden Mitochondrien nicht zur ß-Oxidation fähig. Zunächst aber müssen die freien Fettsäuren aktiviert werden, da Fettsäuren relativ reaktionsträge sind. Dazu erfolgt zunächst eine ATP-abhängige Umwandlung durch eine Thiokinase, die im Zytoplasma an der äusseren Mitochondrienmembran lokalisiert ist, unter Zufuhr von Magnesium zu einer Acyl-Adenylat-Verbindung. Diese enthält eine energiereiche Säureanhydridbindung mit AMP. Dabei wird aus ATP Pyrophosphat abgespalten, es resultiert eine negative Energiebilanz von zwei energiereichen Phosphaten. In einem zweiten Reaktionsschritt wird der AMP-Rest mittels Thiokinase durch CoenzymA (CoA) ersetzt, wodurch eine energiereiche Thioesterbindung entsteht. Das im Zytoplasma gebildet Acyl-CoA wird nun über einen Carnitin-Shuttle in die Mitochondrien eingeschleust. Dabei bildet Carnitin mit der Fettsäure unter Abspaltung von CoA einen Carnitinester (Acyl-Carnitin). Diese Verbindung kann nun die Mitochondrienmembran passieren. Im Mitochondrium kann der Fettsäureanteil unter Abspaltung des Carnitins wieder auf CoA zurück übertragen werden. Das freie Carnitin kann erneut als Carrier fungieren [94]. Die ß-Oxidation läuft in vier enzymatisch katalysierten Reaktionen ab, in denen die aktivierten Fettsäuren schrittweise in aktivierte Essigsäure (Acetyl-CoA) abgebaut werden. Langkettige Fettsäuren liefern hohe Mengen an ATP, in dem sie Acetyl- CoA liefern, die im Citratzyklus oxidativ abgebaut werden und auf diesem Wege Energie bereitstellen. Stearinsäure, die in Tier- und Pflanzenfetten vorkommt, liefert 9 Moleküle Acetyl-CoA. Desweiteren entstehen NADH+H + und FADH 2, die beide in der Atmungskette rückoxidiert werden können, Dabei liefert 1 mol NADH+H + 3 mol ATP und 1 mol FADH 2 2 mol ATP. Wie die aerobe Glykolyse ist auch die kontinuierliche ß-Oxidation vom ständigen Vorhandensein von Sauerstoff abhängig [94]. 16

23 Energiebilanz der ß-Oxidation am Beispiel der Stearinsäure (C 17 H 35 COOH): Stearyl-CoA + 8 CoA-SH + 8 FAD + 9 Acetyl-CoA + 8 FADH NAD + 8 NADH+H + Energiegewinn durch ATP : 12*9 + 3*8 + 2*8 2 (Fettsäureaktivierung) 146 mol ATP [94] Bei Insulinmangel des Körpers, entweder absolut im Rahmen eines Diabetes mellitus oder relativ in Hunger- oder Diätphasen, ist die Kohlenhydratverwertung vermindert und der Fettstoffwechsel gesteigert. Es folgt eine vermehrte Freisetzung von Fettsäuren aus den Fettdepots und eine Hyperlipidämie. Die ß-Oxidation mit Bildung von Acetyl-CoA erfolgt dabei schneller als die Verwertung des Acetyl-CoA im Citratzyklus; es resultiert ein Überschuß an Acetyl-CoA, welches in den Mitochondrien der Hepatozyten zu Acetoacetat abgebaut wird. Dieser Prozess wird als Ketogenese bezeichnet. Acetoacetat selbst kann spontan zu Aceton decarboxylieren oder reversibel zu ß-Hydroxybutyrat reduziert werden. Bei genügend hoher Ketonkörperkonzentration kann das zentrale Nervensystem nach einer Anpassungszeit auch Ketonkörper als Energiesubstrat verstoffwechseln [94] Citratzyklus Im Citratzyklus treffen alle Abbauwege der verschiedenen Nahrungsbestandteile zusammen, gleichzeitig dient der Zyklus auch als Substratlieferant für weitere Syntheseschritte. Benannt wurde der Zyklus nach dem Zwischenprodukt Citrat. Die Reaktionsfolge wird auch nach ihrem Entdecker Hans A. Krebs, der 1953 dafür den Nobelpreis für Medizin erhielt, als Krebs-Zyklus bezeichnet [94]. Die Hauptaufgabe des Citratzyklus besteht darin, in Kooperation mit der eng benachbarten Atmungskette ohne lange Transportwege für Sauerstoff die Versorgung des Organismus mit energiereichen Verbindungen (ATP) zu gewährleisten. Bei vollständigem Umlauf des Zyklus wird ein Acetylrest zu Kohlendioxid (CO 2 ) und Wasser (H 2 O) oxidiert. Acetyl-CoA dient als wesentliche Ausgangssubstanz und entsteht aus den verschiedenen Stoffwechselwegen. 17

24 Das Endprodukt der Glykolyse, das Pyruvat, wird durch oxidative Decarboxylierung am Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex zu Acetyl-CoA umgebaut; desweiteren wird Acetyl-CoA aus Aminosäuren gebildet und wie oben ausführlich beschrieben durch die ß-Oxidation auch aus den Fettsäuren. Aus Acetyl-CoA entsteht durch eine Kondensation mit Oxalacetat Citrat, im nächsten Schritt wird Citrat zu Isocitrat isomerisiert. Durch Dehydrierung und Decarboxylierung des Isocitrats wird -Ketoglutarat gebildet. Dabei wird NADH+H + gewonnen. Das -Ketoglutarat wird oxidativ decarboxyliert und gleichzeitig dehydriert, so dass das energiereiche Succinyl-CoA entsteht. Dies geschieht an einem Multi-Enzym-Komplex, erneut wird NADH+H + gewonnen. Aus Succinyl-CoA wird unter Abspaltung von CoA-SH Succinat, dabei wird freiwerdende Energie in Form von GTP gespeichert. Die Succinatdehydrogenase dehydriert Succinat zu Fumarat unter Bildung von FADH 2, durch Addition von Wasser entsteht aus Fumarat Malat. Zuletzt wird die sekundäre Hydroxylgruppe des Malats dehydriert, so dass Oxalacetat gebildet wird, dabei wird wiederum NADH+H + gebildet [94]. Bilanzgleichung und Energiebilanz des Citratzyklus : Acetyl-CoA + 3 NAD FAD + (GDP + P i ) + 2 H 2 O 2 CO 2 + CoA-SH + GTP + 3 NADH+H FADH 2 Der Energiegewinn aus dem Citratzyklus erfolgt im Wesentlichen durch Wasserbildung. Dabei werden die gebildeten Reduktionsäquivalente auf die Coenzyme NAD + und FAD übertragen, welche anschliessend in der eng benachbarten Atmungskette in der reduzierten Form in einer stufenweise ablaufenden Oxidation mit Sauerstoff umgesetzt werden. Bei dieser Reaktion wird Energie frei und in Form von ATP gespeichert. 18

25 Energiebilanz: 3 NADH+H + jeweils 3 ATP 9 ATP 1 FADH 2 jeweils 2 ATP 2 ATP GTP jeweils 1 ATP 1 ATP Pro mol oxidiertem Acetylrest beträgt die Energieausbeute also insgesamt 12 ATP [94]. Die Intensität des Citratzyklus kann an die physiologischen Gegebenheiten angepasst werden. Dies geschieht vor allem durch eine Regulation der enzymatischen Aktivitäten. Eine Aktivierung wird durch eine Erhöhung der Konzentrationen von Pyruvat und ADP erreicht. Eine Erhöhung des ATP-Spiegels oder eine gesteigerte Fettsäureoxidation (Diabetes, Nahrungskarenz) hingegen wirken hemmend auf die Enzymaktivität. Neben der Energiegewinnung stellt der Citratzyklus auch einen Ausgangspunkt für viele biosynthetische Reaktionen dar, unter anderem für die Synthese von Aminosäuren und die Gluconeogenese. Da diese Reaktionen für diese Arbeit von untergeordneter Relevanz sind, soll an dieser Stelle nicht näher darauf eingegangen werden [97] Atmungskette Der überwiegende Teil der Energiegewinnung des Organismus erfolgt innerhalb der Mitochondrien in der Atmungskette, auch als oxidative Phosphorylierung bezeichnet. Die erste Beschreibung dieses Prozesses wurde von Fritz Lipmann präsentiert, der 1953 zusammen mit Hans Krebs mit dem Nobelpreis für Physiologie und Medizin ausgezeichnet wurde [103]. Dabei wird der coenzymatisch gebundene Wasserstoff (NADH+H +, FADH 2 ) in mehreren Schritten mit Sauerstoff zu Wasser (H 2 O) umgesetzt. Formal gesehen handelt es sich eine stark exergone Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser (Knallgasreaktion). Die dabei freiwerdende Energie wird in Form von ATP fixiert. H 2 + ½ O 2 H 2 O ; G 0 = kj/mol [94] 19

26 Im Gegensatz zur Knallgasreaktion läuft die Wasserbildung in den Mitochondrien jedoch über ein Kaskadensystem an einem Multienzymkomplex ab, das an der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert ist. Dieser besteht aus einer Reihe von Proteinkomplexen (Komplex I-IV) mit unterschiedlichem Redoxpotential, die hintereinander geschaltet sind [69]. Der Wasserstoff entstammt hauptsächlich aus dem Citratzyklus, der ß-Oxidation der Fettsäuren und der Pyruvat-Dehydrogenase- Reaktion. Desweiteren besteht mit Hilfe von membrandurchlässigen Transportmetaboliten (z.b. ß-Hydroxybutyrat, Succinat, Glycerin-3-Phosphat, Malat) die Möglichkeit, zytoplasmatisch gebildeten Wasserstoff (z.b. aus der aeroben Glykolyse) in das Mitochondrium hinein zu transferieren. Dabei stellt der Malat-Aspartat-Shuttle den bedeutendsten Transportweg für zytoplasmatisches NADH+H + dar, bei dem Malat im Austausch gegen -Ketoglutarat in das Mitochondrium transportiert und Glutamat im Austausch gegen Aspartat in das Mitochondrium befördert wird. Im Mitochondrium werden die Transportmetabolite wieder dehydriert, so dass mitochondriales NADH+H + entsteht. NADH+H + wird daraufhin am Komplex I (NADH+H + -Ubichinon-Reduktase) oxidiert. Dagegen erfolgt die Oxidation von FADH 2, welches aus dem Citratzyklus und der ß-Oxidation stammt, am Komplex II (Succinat-Ubichinon-Oxidoreduktase). Das in den beiden Reaktionen entstandene Ubichinol wird am Komplex III (Ubichinon-Cytochrom c-oxidoreduktase) reoxidiert und Cytochrom c reduziert. Die aus den Oxidationsvorgängen freigesetzten Elektronen gelangen zum Komplex IV (Cytochrom c-oxidase) [69]. An diesem Komplex wird Cytochrom c oxidiert und dabei ein Elektron auf den Komplex übertragen. Nach sukzessiver Übertragung von vier Elektronen kann ein Sauerstoffmolekül zu zwei Wassermolekülen reduziert werden. Dieser Komplex wird auch als Atmungsferment bezeichnet und wurde von Otto Heinrich Warburg erstmals beschrieben, der 1931 den Nobelpreis für Medizin erhielt [154]. 20

27 Reaktion am Cytochrom c-oxidase-komplex (Komplex IV): O e H + 2 H 2 O Mitochondrien-Matrix Abb. 2.4: Atmungskette an der inneren Mitochondrienmembran mit den am Protonentransport beteiligten Enzymkomplexen (I, III, IV) und der ATP-Synthase [69] Zytoplasmatische Seite der inneren Mitochondrienmembran Während des Elektronentransportes über die Komplexe I, III und IV findet zeitgleich ein vektorieller Transport von Protonen durch die innere Mitochondrienmembran aus dem Matrix-Raum in den Cristae-Raum statt, so dass die genannten Komplexe neben dem Elektronentransport auch als Protonenpumpen fungieren. Daraus entsteht ein elektrochemischer Protonengradient, der schliesslich zur Synthese von ATP aus ADP und anorganischem Phosphat genutzt wird. Ein Molekül NADH+H + liefert über die Oxidation 3 Moleküle ATP, ein Molekül FADH 2 dagegen 2 Moleküle ATP. Die eigentliche ATP-Synthese erfolgt an einem Enzymkomplex in der inneren Mitochondrienmembran, der auch als Komplex V (ATP-Synthase) bezeichnet wird. An diesem Komplex findet ein ständiger Rückfluß von Protonen aus dem Cristae-Raum in den Matrixraum statt, der mit der Synthese von ATP aus ADP gekoppelt ist [94]. Energiebilanz der Atmungskette: NADH+H + + ½ O 2 NAD + + H 2 O + 3 ATP FADH 2 + ½ O 2 FAD + + H 2 O + 2 ATP [94] 21

28 Bei der Atmungskette liegt ein Fließgleichgewicht vor, das durch die Konzentration aller beteiligten Substanzen und Cosubstrate beeinflusst wird. Unter Normalbedingungen ist die vorhandene ADP-Konzentration entscheidend für die Gesamtreaktion. Bei erhöhtem Energieverbrauch steigt der ADP-Spiegel, so dass die Atmungskettenreaktion aktiviert wird. Bei hohen Konzentrationen von ATP und NAD + wird die Atmungskette gehemmt [94]. 2.3 Leistungsdiagnostik Die körperliche Leistungsfähigkeit eines Menschen setzt sich maßgeblich aus den Faktoren Leistungsbereitschaft und individuellem Leistungsvermögen zusammen und stellt damit ein persönliches Merkmal dar. Die Leistungsbereitschaft besteht aus endogenen (zum Beispiel Motivation) und exogenen Komponenten. Als Leistungsvermögen bezeichnet man die Summe von Einzelgrössen wie spezifischer Erfahrung, spezifischer Intelligenz, technischem und taktischem Vermögen sowie bestimmter körperlicher Fähigkeiten [77]. Ein Leistungstest dient zur Erfassung aufgabenspezifischer (zum Beispiel spiroergometrischer) Leistungsfähigkeit eines Einzelnen [152]. Belastungsuntersuchungen zählen zu den wichtigsten diagnostischen Verfahren in der (Sport-) Medizin und dienen der Beurteilung körperlicher Leistungsfähigkeit Gesunder und objektiver Einschätzung der Belastbarkeit von kranken Menschen [45]. Dabei versteht man unter Leistungsfähigkeit die maximal erreichbare Belastungsstufe für eine spezifische Arbeit. Belastbarkeit dagegen beschreibt die maximale Belastungsstufe, bei der ein Mensch ohne gesundheitliches Risiko belastet werden kann. Das bedeutet bei Gesunden, dass keine pathologischen Symptome auftreten und bei Kranken keine Verschlechterung ihrer bestehenden Symptome provoziert wird [78, 152]. In der Sportwissenschaft und Sportmedizin werden motorische Leistungstests in Form von Bewegungstests durchgeführt, bei den Probanden und Patienten das bestmögliche Ergebnis ( maximum performance ) erzielen sollen. Aufgrund der gewonnenen Daten lässt sich die individuelle Leistungsfähigkeit der untersuchten Personen beurteilen. Die Leistungstests müssen die klassischen Hauptgütekriterien eines Tests (Validität, Objektivität und Reliabilität) erfüllen [135]. Es bestehen viele verschiedene Leistungstests zur Beurteilung körperlicher Leistungsfähigkeit. Im 22

29 Abschnitt 2.1 wurde bereits beschrieben, dass sich physische Leistung aus konditionellen und koordinativen Faktoren zusammensetzt. Dazu zählen Ausdauer, Schnelligkeit, Kraft, Beweglichkeit und Koordination als die fünf motorischen Grundeigenschaften [58]. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Beurteilung von Ausdauerleistungen, so dass im Folgenden Methoden zur Bestimmung der Ausdauerleistung beschrieben werden, die bereits mit einfachen Untersuchungen ermittelt werden kann. Als Beispiel seien Lauftests über Distanzen von m genannt, die im Breitensport zur Erfassung der allgemeinen Ausdauer angewandt werden. Am bekanntesten ist sicherlich der Cooper-Test, der von K.H. Cooper entwickelt und erstmals 1968 vorgestellt wurde. Dabei wurde die maximale Distanz, die über 12 Minuten zurückgelegt werden kann, mit der maximalen Sauerstoffaufnahme korreliert [31]. Aufgrund der gewonnenen Daten erstellte Cooper eine Einteilung in verschiedene Ausdauerklassen, welche die Grundlage für ein individuelles Trainingsprogramm bildet. Ein weiterer Test, der heute häufig im klinischen Alltag angewandt wird, ist der 6-Minuten-Gehtest. Dabei soll mit gleichmässiger Geh-Geschwindigkeit eine möglichst große Strecke zurückgelegt werden [102]. Beide Tests werden als Feldtests bezeichnet, wobei der 6-Minuten- Gehtest zunehmend in der Medizin eingesetzt wird. Neben den Feldtests kommen in der Medizin sogenannte Labortests mit Ergometern zur Anwendung [136], die unter standardisierten Bedingungen die individuelle Leistung ermitteln und sie mit anderen Personen vergleichen können. Bei der Auswahl eines Leistungstests sind technische, ökonomische, physische und ethische Aspekte zu berücksichtigen. Entsprechend dem Thema dieser Arbeit sollen nun im Folgenden die verschiedenen ergometrischen Verfahren, die in der Leistungsdiagnostik angewandt werden, und deren Durchführung im Kindes- und Jugendalter beschrieben werden. Außerdem wird das in dieser Arbeit bevorzugte Verfahren anderen häufig angewandten Testmethoden kritisch gegenübergestellt sowie Vor- und Nachteile der jeweiligen Methode erörtert Ergometrische Testverfahren Als Ergometrie wird die exakt dosierbare, jederzeit reproduzierbare Messung einer körperlichen Leistung bezeichnet. Es handelt sich dabei um ein Messverfahren, mit dem die geleistete Arbeit und die dabei auftretende Veränderung der Herz- 23

30 Kreislauf-Parameter und der Atmung unter körperlicher Belastung gemessen und analysiert werden kann [136]. In der Regel werden dabei Herzfrequenz, Atemfrequenz, Blutdruck und das Belastungs-Elektrokardiogramm aufgezeichnet. In der modernen kardiologischen und kinderkardiologischen Diagnostik können durch spezielle Untersuchungen jedoch weitere Parameter erhoben werden. Dazu zählen zum Beispiel die Ventrikelkontraktilität, Druckgradienten und das Herzminutenvolumen, die im Rahmen einer Stressechokardiographie beurteilt werden können. Auch metabolische Parameter wie ph-wert, Laktat, Blutgase und der Blutzucker werden quantitativ ermittelt. Generell werden undosierte von dosierten ergometrischen Testverfahren unterschieden. Zu den undosierten Testverfahren gehören Kniebeuge-, Stufen- und Treppentests, die jedoch aufgrund der fehlenden medizinischen Überwachung während der Belastung und der ungenügenden Aussagekraft heute fast nicht mehr eingesetzt werden [70, 136]. Dosierte Verfahren zur Leistungsermittlung zählen zu den Standardverfahren in der Medizin; dazu zählen neben der Laufbandergometrie auch die Fahrrad-, Ruder-, Drehkurbel- und Schwimmergometrie. Dabei muss die Belastung wie weiter oben erwähnt präzise dosierbar und jederzeit exakt reproduzierbar sein. Folglich müssen standardisierte Rahmenbedingungen vorhanden sein und der Ablauf des Tests einem strengen und vorher festgelegten Schema folgen. Desweiteren können ergometrische Tests nach der Lokalisation der Durchführung eingeteilt werden. Laufband- und Fahrradergometrie werden zu den sogenannten Labortests gezählt; daneben existieren auch Feldtests wie die Schwimmergometrie. Deren Vorteil besteht im engen Bezug zu der ausgeübten Sportart und der besseren Vergleichbarkeit zum Trainingsalltag [136]. Daraus folgend lassen sich sportartenspezifische und sportartenunspezifische Tests unterscheiden. Eine Laufbandergometrie stellt für einen Marathonläufer einen spezifischen Test dar, für einen Radrennfahrer dagegen nicht [136]. Auch nach der Art der Energiebereitstellung können ergometrische Verfahren differenziert werden. Dabei kann die aerobe und/ oder die anaerobe Leistungsfähigkeit beurteilt werden [136]. Aerobe Belastungsverfahren werden im submaximalen Bereich durchgeführt, anaerobe dagegen werden als maximale Tests bezeichnet. Zu den aeroben 24