❶ ❷ ❸ ❹ 1) ATP: 2) Energiegewinnungswege:

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1 1) ATP: ist der Energielieferant des Körpers. Die Spaltung von ATP (Adenosintriphosphat) zu ADP (Adenosindiphosphat) + P gibt Energie frei, welche der Körper nutzen kann (z.b. Muskel für Kontraktion, vgl. Gleitfilamenttheorie des Muskels). ATP (Bewegung / Kontraktion)------> ADP + P ATP kann nur in einem sehr begrenzten Umfang direkt im Körper, beispielsweise dem Muskel, gespeichert werden und reicht nur für eine Belastungsdauer von ca. 2 Sekunden. Daraus folgt, dass ATP ständig nachgebildet (resynthetisiert) werden muss. Um ATP nachbilden zu können müssen wir dem Körper neue Energie zuführen. Dies geschieht über die Nahrungsaufnahme und die Verstoffwechslung deren Bestandteile (Kohlenhydrate, Fette und ggf. Eiweiße). 2) Energiegewinnungswege: Der Körper kann auf 4 unterschiedliche Wege Energie aus der aufgenommen Nahrung gewinnen. ❶ ❷ ❸ ❹ anaerob = ohne Sauerstoff aerob = mit Sauerstoff alaktazid = ohne Milchsäurebildung laktazid = mit Milchsäurebildung

2 ❷ ❸&❹ Alle Energiegewinnungswege laufen im Prinzip gleichzeitig ab, jedoch gibt es immer einen dominierenden Bereitstellungsweg. Dies ist abhängig von der Intensität der Belastung und ob es der Körper noch schafft ausreichend Sauerstoff über die Atmung aufzunehmen und zum Organ (Muskel) zu transportieren. a) Anaerobe-alaktazide Energiegewinnung: ATP kann durch die Spaltung eines weiteren energiereichen Moleküls, Kreatinphosphat, synthetisiert werden, welches direkt in der Muskelzelle gespeichert ist. Kreatinphosphat ist allerdings ebenfalls nur sehr begrenzt vorrätig, daher reicht auch diese Sofortreserve auch nur für eine sehr kurze Zeit aus (bis ca. 12 sec.) ADP > ATP KRP KR

3 Vorteile: Nachteile: + ATP wird ohne Verzögerung nachgebildet. + Die ATP-Bildungsgeschwindigkeit ist extrem hoch, ca. 8x höher als bei der aeroben Energiegewinnung aus Fetten. - die Speicherkapazität von KP ist äußerst gering b) Anaerobe-laktazide Energiegewinnung Der Abbau von Kohlenhydraten (Glukose bzw. Glykogen) beginnt immer mit der Glykolyse (griech. 'glykys' = süß; 'lysis' = Auflösung), d.h. Glukosemoleküle (C 6H 12O 6) werden abgebaut und die in den Molekülen gespeicherte Energie wird zum Aufbau von ATP-Molekülen genutzt. Bei diesem Abbau wird das C6-Molekül in mehreren Schritten gespalten und immer wieder umgebaut. Zu Beginn muss sogar Energie hineingesteckt werden (2xATP), damit aus dem C6- Molekül zwei gleiche C3-Bruchstücke gewonnen werden können. Diese C3-Bruchstücke können dann nach und nach so umgeformt werden, dass in den einzelnen Teilschritten durch die Abgabe von Phosphat jeweils 2 ATP-Moleküle pro C3-Bruchstück resynthetisiert werden können. Bei diesen Umformungsprozessen wird ebenfalls Wasserstoff freigesetzt, welcher an Transportenzyme (NAD / FAD) gebunden wird, um später in der Atmungskette weiteres ATP zu synthetisieren. Das Endprodukt dieser Stoffwechselkette ist (neben synthetisierten ATP und gebunden Wasserstoff) Pyruvat (=Brenztraubensäure), ebenfalls ein C3-Molekül. An dieser Stelle entscheidet sich, wie es mit dem Pyruvat weitergeht. Wird daraus Milchsäure gebildet, weil nicht genügend Sauerstoff in der Atmungskette zu Verfügung steht. Oder wird das Pyruvat weiter umgeformt und in den Citratzyklus (Zitronensäurezyklus) eingeschleust, um weitere ATP-Moleküle zu synthetisieren. Vorteile: Nachteile: + schnelle Bildungsrate von ATP ca. 2x schneller als aerober Abbau von Glukose und ca. 4x schneller als aerober Abbau von Fetten bei gleicher Menge an gebildetem ATP - geringe ATP-Ausbeute pro Molekül Glukose nur 2 ATP pro Molekül Glukose - begrenzte Dauer durch Milchsäurebildung / Übersäuerung c) Aerobe-alaktazide Energiegewinnung aus Kohlenhydraten Kann der Körper genug Sauerstoff bereitstellen, wird das Pyruvat-Molekül weiter umgeformt. Dazu wird das C3-Molekül weiter aufgespalten und aktivierte Essigsäure gebildet, welches ein C2-Molekül ist. Dabei entsteht neben CO2 auch wieder Wasserstoff, der wiederum zur Atmungskette transportiert wird. Diesen Prozess nennt man oxidative Decarboxylierung. Die aktivierte Essigsäure (C2-Molekül) wird in den Zitratzyklus eingeschleust und bildet zusammen mit der Oxalatsäure (C4-Molekül) den Ausgangsstoff des Zitronensäurezyklus, die Zitronensäure (C6-Molekül). In diesem Zyklus werden mit jedem Durchlauf durch Abspaltung und

4 Umformung v.a. Wasserstoff, CO2 und auch 2 neue Moleküle ATP frei, solange bis am Ende Oxalatsäure entsteht und alles wieder von vorne beginnt. Der abgegebene Wasserstoff wird, gebunden an seine Transportenzyme, zur Atmungskette transportiert, um dort in einer Art Knallgasreaktion (Wasserstoff und Sauerstoff) Energie für die Resynthetisierung von ATP abzugeben. Da eine echte Knallgasreaktion die Zelle zerreißen würde, wird hier die Energie in einer Elektronentransportkette schrittweise freigegeben und nach und nach zu Bildung von ATP genutzt. Das Endprodukt Wasser (H 2O) kann leicht im (aus dem) Körper abtransportiert werden. Die Gesamtbilanz aus der Atmungskette lautet: 10 NADH 2 FADH 32 ADP 32 P 6 O2 --> 12 H2O 10 NAD 2 FAD 32 ATP Nimmt man alle drei Stoffwechselschritte zusammen, gewinnt die Zelle pro Molekül Glukose 36 ATP: 2 aus der Glykolyse, 2 aus dem Citratzyklus, 32 aus der Atmungskette. Von der Glukose bleiben nur noch CO2 und Wasser übrig.

5 Vorteile: + hohe Speicherkapazität der Glukose im Körper hält lange vor, bis ca. 1,5 Stunden + hohe ATP-Ausbeute pro Glukosemolekül, ca. 19x höher als bei der Glykolyse Nachteile: - geringere Bildungsgeschwindigkeit von ATP im Vergleich zur Glykolyse (braucht etwa doppelt so lange für die gleiche Menge ATP). d) Aerobe-alaktazide Energiegewinnung aus Fetten Die Energiegewinnung aus Fetten setzt im Endeffekt, genau wie die aerobe Energiegewinnung aus Kohlenhydraten auf die Nachbildung von ATP in der Atmungskette. Dabei werden die langkettigen Fettsäuremoleküle schrittweise zu Acety-CoA (=aktivierte Essigsäure, C2-Molekül; siehe oben) zerlegt (diesen Prozess nennt man ß-Oxidation) und in den Zitratzyklus eingeschleust. Da aus einem Fettsäuremolekül sehr viel mehr C2-Moleküle gewonnen werden können, wird dementsprechend mehr Wasserstoff frei und somit kann auch mehr ATP nachgebildet werden. Allerdings ist somit auch mehr Sauerstoff notwendig, damit all der freie Wasserstoff gebunden werden kann. Palmitinsäure (C15H31COOH daraus kann man eine Menge Acetyl-CoA herstellen) Im Vergleich zum aeroben Abbau von Glukose kann aus einem Fettmolekül (z.b. Palmitinsäure) sehr viel mehr ATP gebildet werden, in diesem Fall 106 Moleküle ATP aus einem Molekül Palmitinsäure. Vorteiele: Nachteile: + Energiespeicher Fett ist mehr oder weniger unbegrenzt vorrätig. + sehr hohe Energieausbeute pro Fettmolekül, ca. 44x höher als bei der Glykolyse. - die ATP-Bildungsgeschwindigkeit ist sehr gering, es dauert ungefähr viermal länger als bei der Glykolyse. 3) Zusammenhang Sauerstoff, Intensität und Laktatbildung

6 Wann also ist jetzt welcher Energiegewinnungsweg der Dominante? Wann wird Laktat gebildet und warum? Dies ist immer abhängig von der Intensität der Bewegung. Umso höher die vom Körper erbrachte Leistung (z.b. schneller und schneller Rennen), umso mehr ATP (also Energie) braucht er pro Zeiteinheit. Wie wir aber gesehen haben, können die unterschiedlichen Energiegewinnungswege nur unterschiedlich viel ATP pro Zeiteinheit nachbilden. Soll also eine sehr lange Strecke absolviert werden (z.b. ein Ironman), muss die Intensität in einem Bereich liegen, so dass sie über die ganze Ironman-Distanz aufrechterhalten werden kann. D.h. der Körper wird Energie hauptsächlich aus Fetten gewinnen, da dies eine nahezu unendliche Energiequelle des Körpers ist. Für die Verarbeitung von Fetten, muss allerdings ausreichend Sauerstoff vorhanden sein, damit der freigewordene Wasserstoff gebunden werden kann und ATP dabei resynthetisiert werden kann. Die geringe ATP-Bildungsrate lässt sich vereinfacht gesagt, mit den komplexeren und vielschichtigen Reaktionen bei der Zerlegung von Fettsäuren erklären. Die Intensität muss also geringer sein als bei einem 3000m-Lauf, da 1. die ATP-Bildungsrate niedriger ist. 2. und die Energiegewinnung aus Fetten mehr Sauerstoff benötigt. Ist die Dauer der Belastung nicht so hoch (zwischen ca. 2 min und 120 min), reichen die Kohlenhydratspeicher des Körpers für die Deckung des Gesamtenergiebedarfs des Körpers. Da hierbei (vereinfacht gesagt) weniger komplexe Abläufe stattfinden, kann mehr ATP pro Zeiteinheit gebildet werden. Der Körper hat also mehr Energie zur Verfügung und somit ist eine höhere Intensität möglich. Ist die Intensität noch höher (z.b. 400m-Lauf) und es muss noch mehr ATP bereitgestellt werden, wird der Körper seine Energie hauptsächlich anaerob aus Kohlenhydraten (Glykolyse) beziehen. Die Glykolyse läuft fast sofort an und kann sehr schnell, sehr viel ATP liefern. Allerdings fällt dabei auch sehr viel Wasserstoff an. Dieser kann in dieser Geschwindigkeit in der Atmungskette nicht an Sauerstoff gebunden werden, da schlicht und einfach zu wenig Sauerstoff vorhanden ist ( unsere O 2-Aufnahmekapazität ist begrenzt; vgl. leistungsbestimmende Faktoren (S. 28) und Umstellungsreaktionen (S. 37). Daraus folgt, dass sich immer mehr an FAD und NAD gebundener Wasserstoff in der Zelle anhäufen würde und irgendwann alle NAD- / FAD-Moleküle besetzt wären. Würde dies geschehen, würde zu guter letzt auch die Glykolyse zusammenbrechen, da bei den einzelnen Reaktionsschritten kein Wasserstoff mehr abgegeben werden könnte (keine Energie mehr kein Leben). Der Körper kann jedoch auf eine Notlösung zurückgreifen, indem er den überschüssigen Wasserstoff an das Pyruvat (Endprodukt der Glykolyse) bindet und daraus Milchsäure ( Laktat) wird. Dieses Laktat kann für eine begrenzte Zeit im Körper toleriert / abtransportiert und weiter verstoffwechselt

7 werden (z.b. in der Leber und durch den Herzmuskel). Irgendwann jedoch ist so viel Laktat vorhanden, dass durch die resultierende Übersäuerung die Glykolyse behindert wird. Dann ist der Zeitpunkt erreicht, ab dem die Intensität sinken muss, da der Körper einfach nicht mehr ausreichend ATP nachliefern kann. Die Energiegewinnungswege überlappen sich also und kein Weg läuft isoliert ab. Auch in einem 400m-Lauf wird Energie aerob z.b. aus Kohlenhydraten gewonnen, aber nur in dem Umfang wie

8 Sauerstoff aufgenommen werden kann und an die beanspruchten Muskeln transportiert werden kann. Alle benötigte Energie die darüber hinausgeht, muss somit durch die Glykolyse unter Bildung von Laktat gewonnen werden. Als Konsequenz dieser Stoffwechselwege ergibt sich die bereits erwähnte und natürlich bereits bekannte Tatsache, dass hohe und höchste Intensitäten nur sehr kurz aufrechterhalten werden können.

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