w w w. a c a d e m y o f s p o r t s. d e w w w. c a m p u s. a c a d e m y o f s p o r t s. d e Physiologie L E SEPROBE

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1 w w w. a c a d e m y o f s p o r t s. d e w w w. c a m p u s. a c a d e m y o f s p o r t s. d e Physiologie L E SEPROBE

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3 Kapitel 1 Muskuläre Energiebereitstellung 1.1 Energiequellen 1.2 Energiebereitstellungsprozesse Anaerob-alaktazide Energiebereitstellung Anaerob-laktazide Energiebereitstellung Aerob-alaktazide Energiebereitstellung 1.3 Aerobe und anaerobe Schwelle 1.4 Energieflussrate Seite 6 von 90

4 Lernorientierung Nach Bearbeitung dieses Kapitels werden Sie: Die Grundlagen sowie die verschiedenen Formen der Energiebereitstellung überblicken, Die aerobe und anaerobe Energiebereitstellung kennen und die entsprechenden Vorgänge im Körper beschreiben können, Das anaerobe System mit seinen verschiedenen Aspekten überblicken, Die Definition der aeroben und anaeroben Schwelle kennen und die Bedeutung hiervon ableiten, Die verschiedenen Formen von Energievorräten im Körper überblicken, Die Besonderheiten der Energieflussrate kennen. Seite 7 von 90

5 Die Skelettmuskulatur ist eines der größten Organsysteme im menschlichen Körper. Sie kann bei hoher Belastung große Energiemengen umsetzen. Dies ist sehr wichtig, um sportliche Bewegungen durchführen zu können. Chemisch gebundene Energie aus Nährstoffen wird hierbei in mechanische Energie umgewandelt. Jede Zelle benötigt zur Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen Nährstoffe. Die Energie für sportliche Leistungen wird nicht unmittelbar aus der Nahrung (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße) gewonnen. Das in allen Körperzellen gespeicherte Adenosintriphosphat (ATP) liefert die notwendige Energie und ist Grundlage für alle Bewegungen. Für Muskelarbeit benötigen die Muskelzellen Energie, die auf verschiedenen Wegen gewonnen werden kann. Dabei werden, je nach Beanspruchung, unterschiedliche Phasen der Energiebereitstellung durchlaufen. Zu beachten ist hierbei immer, ob dies mit ausreichender oder unzureichender Sauerstoffaufnahme, mit oder ohne Laktatbildung abläuft. Scannen Sie diesen QR-Code ab und sehen Sie sich das Lehrvideo zu dem Thema Energiebereitstellung an. 1.1 Energiequellen Da ATP nur in geringen Mengen in unserem Körper vorhanden ist (ca. 2 kcal), muss es unser Körper aus anderen Energiequellen bilden. Möglichkeiten zur Wiederherstellung von ATP sind: 1. Kreatinphosphat Kreatin ist ein Muskelprotein, welches durch Spaltung von ADP sofort ATP regenerieren kann. Diese Mengen sind jedoch so gering, dass sie lediglich für kurze Höchstleistungen ausreichen (4-8 kcal). 2. Kohlenhydrate und Fette Da durch das Kreatin nur geringe Mengen an ATP produziert werden können, müssen weitere Energiequellen die ATP Bildung unterstützen. Die eigentlichen Energieträger zur Wiederherstellung von ATP sind Kohlenhydrate und Fette. Kohlenhydrate sind als Glykogen vor allem in der Muskulatur, aber auch in geringen Mengen in der Leber gespeichert. Bereits mit dieser Energiequelle sind Ausdauerbelastungen bis etwa eineinhalb Stunden möglich. Erst mit den Fetten als Energieträger können weitere Ausdauerleistungen durchgeführt werden. Fette werden unter Seite 8 von 90

6 der Haut im Unterhautfettgewebe sowie im viszeralen und abdominalen Fettgewebe gespeichert. Die gespeicherte Menge von Glykogen liegt hier beim 30- bis 50-Fachen, wodurch eine stundenlange Ausdauerleistung möglich ist. Abbildung 1 Energiebereitstellungsprozess Abbildung 1 verdeutlicht die parallel laufenden Energiebereitstellungsprozesse genauer und zeigt die ungefähre zeitliche Einordnung der unterschiedlichen Vorgänge zur Energiebereitstellung. Während zum Beispiel die Phosphate recht zügig innerhalb der ersten Sekunden zur Energiegewinnung herangezogen werden, beginnt der Abbau der Fettsäuren erst recht spät im Bereich der aeroben Energiebereitstellung. Die beschriebenen Vorgänge laufen nie separat hintereinander ab, sondern greifen wie Zahnräder ineinander. 1.2 Energiebereitstellungsprozesse Generell unterscheidet man beim Energiestoffwechsel der Muskelzelle zwischen aeroben und anaeroben Energiegewinnungsprozessen. Bei aeroben Energiegewinnungsprozessen steht ausreichend Sauerstoff zur Verfügung. Sie kommen bei länger andauerndem Energiebedarf (> 1 Minute) und leichter Arbeit zum Einsatz. Die aerobe Energiegewinnung findet in den Mitochondrien statt. Bei anaeroben Energiegewinnungsprozessen steht dem Körper nur unzureichend Sauerstoff zur Verfügung. Seite 9 von 90

7 Sie kommen bei Beginn einer Tätigkeit zum Einsatz und werden bei weiter bestehender leichter Tätigkeit von der energetisch günstigeren aeroben Energiegewinnung abgelöst. Bei schwerer Arbeit läuft die anaerobe parallel zur aeroben Energiegewinnung weiter. Die anaerobe Energiegewinnung findet im Zellplasma statt. Im Weiteren wird genauer auf die bestimmten Energiebereitstellungsmechanismen eingegangen Anaerob-alaktazide Energiebereitstellung 1. ohne Sauerstoff 2. ohne Laktat 3. (hohe) Belastungen von 6-10 (max. 15) Sekunden möglich Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, zerfällt das in den Mitochondrien vorhandene ATP in das Adenosindiphosphat (ADP) und einen Phosphatrest P. Der Körper muss dann dafür sorgen, dass sofort neues ATP hergestellt wird. Als weitere schnell verfügbare Energiereserve enthält der Muskel das Kreatinphosphat (KP). Man nennt dies die anaerob-alaktazide Phase der Energiebereitstellung (siehe auch Abbildung 1, Punkt 1, Spaltung von Kreatinphosphat). Formel zur Resynthese des ATP: a) Kreatinphosphat + Adenosindiphosphat = Kreatin + Adenosintriphosphat KP + ADP = Kr + ATP Anaerob-laktazide Energiebereitstellung 1. ohne Sauerstoff 2. mit Laktat 3. Belastungen von Sekunden Noch bevor die Vorräte an energiereichen Phosphaten (ATP, KP) verbraucht sind, setzt die nächstschnellere Variante des Energiestoffwechsels ein (Verzögerung maximal eine halbe Minute) der anaerob-laktazide Abbau von Glukose (Glykolyse). (vgl. Abbildung 1) Dieser Weg wird immer dann gewählt, wenn nicht genug Sauerstoff zur Energiegewinnung zur Verfügung steht und die Belastung in- Seite 10 von 90

8 tensiv ist (die aerobe Energiegewinnung läuft dann parallel soweit als möglich weiter). Die benötigte Energie steht dabei schnell zur Verfügung, die Energieausbeute ist aber gering, da das Zuckermolekül nicht vollständig zerlegt wird. Aus einem Molekül Glucose gewinnt man dabei 2 Moleküle ATP. Als Abbauprodukt entsteht Milchsäure (Laktat), die schnell zur Ermüdung führt, wenn sie sich anhäuft. Dabei fallen mit dem Laktat auch immer saure Valenzen an, welche den ph-wert in den sauren Bereich verschieben. Diese sogenannte Azidose ist letztlich für den Leistungsabbruch entscheidend. Der anaerob-laktazide Stoffwechsel arbeitet also im Hinblick auf die Ausnutzung der Nahrungskohlenhydrate unökonomisch. Bei intensiven Anstrengungen mit einer Belastungsdauer von etwa einer Minute dominiert der anaerob-laktazide Stoffwechsel. Bei seiner vollen Auslastung werden Laktatkonzentrationen bis zu 25 mmol/liter im Blut gemessen. Untrainierte erreichen dagegen nur Laktatkonzentrationen von 7-8 mmol/l. Formel des anaerob-laktaziden Stoffwechsels: b) Glukose + 2 ATP = 2 Laktat + 4 ATP (Nettogewinn 2 ATP) Beispiel Versuchen Sie, einen schweren Gegenstand so lange wie möglich mit ausgestrecktem Arm nach vorne zu stemmen. Nach einer gewissen Zeit werden Sie ein Brennen im Arm verspüren, das sich steigert, bis Sie den Versuch wegen der Laktatanhäufung im Blut abbrechen müssen Aerob-alaktazide Energiebereitstellung 1. mit Sauerstoff 2. ohne Laktat 3. Belastungen bis 90 Minuten bei Glukose 4. Belastungen ab 90 Minuten überwiegend durch Fettsäuren Nur wenn genug Sauerstoff zur Verfügung steht, kann die Glukose vollständig abgebaut werden. Dieser Vorgang dauert deutlich länger, wie man der Grafik entnehmen kann. Die Energieausbeute ist aber erheblich größer (36 Moleküle Nettogewinn ATP aus einem Glucosemolekül). (vgl. Abbildung 2) Auf aerobem Weg können auch Fettsäuren abgebaut werden. Diese werden zur Verbrennung bei langen moderaten Belastungen herangezogen. Die Energieausbeute ist hier am höchsten (129 Mo- Seite 11 von 90

9 leküle ATP), dauert aber im Vergleich sehr lange. Als Abbauprodukte entstehen beim aerob-alaktaziden Weg immer Kohlendioxid und Wasser (siehe auch Abbildung 4 unteres Drittel). Formeln des aerob-alaktaziden Stoffwechsels: c) Glukose + 2 ATP + 6 Sauerstoff = 6 Kohlenstoffdioxid + Wasser + 36 ATP d) freie Fettsäure + Sauerstoff = Kohlenstoffdioxid + Wasser + ATP Abbildung 2 Regeneration von ATP Seite 12 von 90

10 1.3 Aerobe und anaerobe Schwelle Lehrskript Die muskuläre Energiebereitstellung erfolgt mittels ausreichender Sauerstoffversorgung. Aerobes Training sichert einen hohen Anteil an oxydativen (= aeroben) Enzymen und steigert deren Umsatzgeschwindigkeit. Die Energieversorgung wird verbessert und die Widerstandskraft gegen Ermüdung erhöht. Der aerobe Bereich eines Athleten ist unterhalb einer HF von 140 S/min anzusiedeln. Die genaue Ermittlung des aeroben Bereiches ist nur durch Messungen des Laktat (Milchsäure) unter Belastung und nur durch Blutabnahme möglich. Bei intensiver Belastung (hohe Herzfrequenz/großer Krafteinsatz) kann der muskuläre Energiebedarf nicht mehr durch ausreichend Sauerstoff gedeckt werden (Sauerstoffschuld). Die Energie wird antioxidativ (= anaerob, ohne Sauerstoff) hergestellt. Durch den Anstieg der Milchsäure (Laktat) übersäuert der Muskel: Die Belastung muss abgebrochen werden. Die aerobe Schwelle Bis zu dieser Schwelle, die bei ca. 2 mmol/l liegt, kann die benötigte Energiemenge komplett durch den vorhandenen Sauerstoff abgedeckt werden. Der Laktatanstieg ist bis zur aeroben Schwelle nur gering. Die Belastung liegt im moderaten Bereich und kann lange aufrechterhalten werden. Die anaerobe Schwelle Diese liegt bei circa 4 mmol/l. Bis zur anaeroben Schwelle reicht die aerobe Kapazität aus, um den leistungsbeeinträchtigten Milchsäureanstieg (Laktatanstieg) zu verhindern. Über dieser Schwelle kommt es zu einem raschen Laktatanstieg. Die anaerobe Schwelle ist wesentlich von der Ausnützung der max. Sauerstoffaufnahme des Athleten abhängig. Sie liegt daher bei jedem Athleten verschieden hoch. Je besser der Ausdauerzustand, desto höher liegt die anaerobe Schwelle. Abbildung 3 verdeutlicht die jeweilige Lage der aeroben bzw. der anaeroben Schwelle. Zwischen den beiden Schwellen liegt der aerob-anaerobe Mischbereich, für den keine genauen prozentualen Angaben gemacht werden können und der sehr stark von Umfang, Typ und Struktur der belasteten Muskulatur und den Trainingszustand des Sportlers abhängt. Dass wir vom aeroben zum anaeroben Bereich wechseln, liegt einerseits daran, dass bei zunehmendem Krafteinsatz unsere Muskeln eine Gefäßverengung erleiden, welche die Zufuhr des Sauerstoffs über den Weg des Blutes beeinträchtigt. Andererseits wird bei immer schnelleren Bewegungen die Zeitspanne zwischen Muskelspannung und Muskelerholung immer kürzer. Somit ist die Regenationszeit zu kurz. Seite 13 von 90

11 Abbildung 3 Aerobe und anaerobe Schwelle Abbildung 4 Bereiche der Energiebereitstellung, Sauerstoffschuld In Abbildung 4 sind die einzelnen Bereiche der Energiebereitstellung und die dazugehörige Sauerstoffschuld nochmals genau aufgezeigt. So ist zum Beispiel im anaeroben Bereich klar zu sehen, dass der Laktatspiegel stark ansteigt und die Sauerstoffschuld sehr hoch ist. Seite 14 von 90

12 1.4 Energieflussrate Lehrskript Die Energieflussrate sagt aus, wie viel Energie aus einem Substrat (z. B. Nährstoff) pro Zeiteinheit gewonnen werden kann. Der menschliche Organismus versucht, die Energie für längere sportliche Betätigungen zunächst über die Verbrennung von Fetten bereitzustellen. Durch Fettverbrennung kann im Muskel aber nur relativ wenig Energie pro Zeiteinheit gewonnen werden. Mit steigender Belastungsintensität steigt der Energiebedarf. Dies bedeutet, dass vermehrt Kohlenhydrate zur Energiebedarfsdeckung verwendet werden. Über der anaeroben Schwelle bzw. bei hochintensiven Ausgangsbelastungen werden ausschließlich Kohlenhydrate zur Energiebedarfsdeckung verwendet. Prinzipiell wählt der menschliche Organismus die Art der Energiebereitstellung über die Belastungsintensität aus. Bei niedrigen Intensitäten (z. B. Gehen) wird ein Großteil der Energie über die Verbrennung von Fetten aufgebracht. Bei hohen Intensitäten (z. B. schnelles Laufen) erfolgt die Energiegewinnung zum großen Teil aus Kohlenhydraten (höhere Energieflussrate als bei den Fetten). Die höchsten Energieflussraten (100 m, 400 m) werden durch anaerobe Energiebereitstellung gewährleistet. Der Verbrauch von Kohlenhydraten bei einer lange andauernden sportlichen Belastung ist aber deshalb problematisch, weil die Kohlenhydratspeicher (Energiespeicher) begrenzt sind. Seite 15 von 90

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