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Physiologie
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Kapitel 1 – Muskuläre Energiebereitstellung
1.1 Energiequellen
1.2 Energiebereitstellungsprozesse
1.2.1 Anaerob-alaktazide Energiebereitstellung
1.2.2 Anaerob-laktazide Energiebereitstellung
1.2.3 Aerob-alaktazide Energiebereitstellung
1.3 Aerobe und anaerobe Schwelle
1.4 Energieflussrate
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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 beschrei-ben können,
Das anaerobe System mit seinen verschiedenen Aspek-ten überblicken,
Die Definition der aeroben und anaeroben Schwelle ken-nen und die Bedeutung hiervon ableiten,
Die verschiedenen Formen von Energievorräten im Kör-per überblicken,
Die Besonderheiten der Energieflussrate kennen.
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Die Skelettmuskulatur ist eines der größten Organsysteme im menschlichen Körper. Sie kann bei hoher Belastung große Ener-giemengen umsetzen. Dies ist sehr wichtig, um sportliche Bewe-gungen 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 unmit-telbar aus der Nahrung (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße) gewonnen. Das in allen Körperzellen gespeicherte Adenosintriphosphat (ATP) liefert die notwendige Energie und ist Grundlage für alle Bewegun-gen. Für Muskelarbeit benötigen die Muskelzellen Energie, die auf ver-schiedenen Wegen gewonnen werden kann. Dabei werden, je nach Beanspruchung, unterschiedliche Phasen der Energiebereitstellung durchlaufen.Zu beachten ist hierbei immer, ob dies mit ausreichender oder un-zureichender Sauerstoffaufnahme, mit oder ohne Laktatbildung abläuft.
Scannen Sie diesen QR-Code ab und sehen Sie sich das Lehrvideo zu dem Thema Energiebereitstellungan.
1.1 Energiequellen
Da ATP nur in geringen Mengen in unserem Körper vorhanden ist(ca. 2 kcal), muss es unser Körper aus anderen Energiequellen bil-den.
Möglichkeiten zur Wiederherstellung von ATP sind:
1. KreatinphosphatKreatin ist ein Muskelprotein, welches durch Spaltung von ADP sofort ATP regenerieren kann. Diese Mengen sind je-doch so gering, dass sie lediglich für kurze Höchstleistungen ausreichen (4-8 kcal).
2. Kohlenhydrate und FetteDa 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 Muskula-tur, 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 Aus-dauerleistungen durchgeführt werden. Fette werden unter
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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 Energiebereitstel-lungsprozesse genauer und zeigt die ungefähre zeitliche Einord-nung der unterschiedlichen Vorgänge zur Energiebereitstellung. Während zum Beispiel die Phosphate recht zügig innerhalb der ers-ten Sekunden zur Energiegewinnung herangezogen werden, be-ginnt der Abbau der Fettsäuren erst recht spät im Bereich der aero-ben Energiebereitstellung.
Die beschriebenen Vorgänge laufen nie separat hintereinander ab, sondern greifen wie Zahnräder ineinander.
1.2 Energiebereitstellungsprozesse
Generell unterscheidet man beim Energiestoffwechsel der Muskel-zelle zwischen aeroben und anaeroben Energiegewinnungsprozes-sen.
Bei aeroben Energiegewinnungsprozessen steht ausreichend Sau-erstoff zur Verfügung. Sie kommen bei länger andauerndem Ener-giebedarf (> 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.Le
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Sie kommen bei Beginn einer Tätigkeit zum Einsatz und werden bei weiter bestehender leichter Tätigkeit von der energetisch günstige-ren 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 Energiebereitstel-lungsmechanismen eingegangen.
1.2.1 Anaerob-alaktazide Energiebereitstellung
1. ohne Sauerstoff2. ohne Laktat3. (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 herge-stellt wird. Als weitere schnell verfügbare Energiereserve enthält der Muskel das Kreatinphosphat (KP).
Man nennt dies die anaerob-alaktazide Phase der Energiebereit-stellung (siehe auch Abbildung 1, Punkt 1, Spaltung von Kreatin-phosphat).
Formel zur Resynthese des ATP:
a) Kreatinphosphat + Adenosindiphosphat = Kreatin + Adenosin-triphosphat
KP + ADP = Kr + ATP
1.2.2 Anaerob-laktazide Energiebereitstellung
1. ohne Sauerstoff2. mit Laktat3. Belastungen von 15-60 Sekunden
Noch bevor die Vorräte an energiereichen Phosphaten (ATP, KP) verbraucht sind, setzt die nächstschnellere Variante des Energie-stoffwechsels 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-Lese
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tensiv ist (die aerobe Energiegewinnung läuft dann parallel soweit als möglich weiter).
Die benötigte Energie steht dabei schnell zur Verfügung, die Ener-gieausbeute ist aber gering, da das Zuckermolekül nicht vollständig zerlegt wird. Aus einem Molekül Glucose gewinnt man dabei 2 Mo-leküle 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 sei-ner 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 ge-wissen Zeit werden Sie ein Brennen im Arm verspüren, das sich steigert, bis Sie den Versuch wegen der Laktatanhäufung im Blut abbrechen müssen.
1.2.3 Aerob-alaktazide Energiebereitstellung
1. mit Sauerstoff2. ohne Laktat3. Belastungen bis 90 Minuten bei Glukose4. Belastungen ab 90 Minuten überwiegend durch Fettsäuren
Nur wenn genug Sauerstoff zur Verfügung steht, kann die Glukose vollständig abgebaut werden. Dieser Vorgang dauert deutlich län-ger, 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. Die-se werden zur Verbrennung bei langen moderaten Belastungen herangezogen. Die Energieausbeute ist hier am höchsten (129 Mo-
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leküle ATP), dauert aber im Vergleich sehr lange. Als Abbauproduk-te 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 ATPLese
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1.3 Aerobe und anaerobe Schwelle
Die muskuläre Energiebereitstellung erfolgt mittels ausreichender Sauerstoffversorgung. Aerobes Training sichert einen hohen Anteil an oxydativen (= aeroben) Enzymen und steigert deren Umsatzge-schwindigkeit. Die Energieversorgung wird verbessert und die Wi-derstandskraft gegen Ermüdung erhöht. Der aerobe Bereich eines Athleten ist unterhalb einer HF von 140 S/min anzusiedeln. Die ge-naue Ermittlung des aeroben Bereiches ist nur durch Messungen des Laktat (Milchsäure) unter Belastung und nur durch Blutabnah-me 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 Belas-tung 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 modera-ten Bereich und kann lange aufrechterhalten werden.
Die anaerobe SchwelleDiese liegt bei circa 4 mmol/l. Bis zur anaeroben Schwelle reicht die aerobe Kapazität aus, um den leistungsbeeinträch-tigten 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 ae-rob-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 Trainingszu-stand des Sportlers abhängt.
Dass wir vom aeroben zum anaeroben Bereich wechseln, liegt ei-nerseits daran, dass bei zunehmendem Krafteinsatz unsere Mus-keln eine Gefäßverengung erleiden, welche die Zufuhr des Sauer-stoffs über den Weg des Blutes beeinträchtigt. Andererseits wird bei immer schnelleren Bewegungen die Zeitspanne zwischen Muskel-spannung und Muskelerholung immer kürzer. Somit ist die Regena-tionszeit zu kurz.
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Abbildung 3 – Aerobe und anaerobe Schwelle
Abbildung 4 – Bereiche der Energiebereitstellung, Sauerstoffschuld
In Abbildung 4 sind die einzelnen Bereiche der Energiebereitstel-lung und die dazugehörige Sauerstoffschuld nochmals genau auf-gezeigt. So ist zum Beispiel im anaeroben Bereich klar zu sehen, dass der Laktatspiegel stark ansteigt und die Sauerstoffschuld sehr hoch ist.Lese
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1.4 Energieflussrate
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 sportli-che Betätigungen zunächst über die Verbrennung von Fetten be-reitzustellen. Durch Fettverbrennung kann im Muskel aber nur rela-tiv 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 Energie-bereitstellung über die Belastungsintensität aus. Bei niedrigen In-tensitäten (z. B. Gehen) wird ein Großteil der Energie über die Ver-brennung 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 an-aerobe Energiebereitstellung gewährleistet. Der Verbrauch von Kohlenhydraten bei einer lange andauernden sportlichen Belastung ist aber deshalb problematisch, weil die Kohlenhydratspeicher (Energiespeicher) begrenzt sind.
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