Czytaj książkę: «Optimales Sportwissen», strona 9

3.4.2 Aerobe Energiegewinnung

Kohlenhydrate

Aerobe Energiebereitstellung

Kohlenhydrate sind die wichtigste Energiequelle des Organismus. Wenn Belastungen länger als 2–3 Minuten aufrechterhalten werden sollen, wird die Energie über die oxidative Energiegewinnung (d.h. mit Sauerstoff) im Organismus bereitgestellt. Durch die Abspaltung von CO₂ und Bildung von NADH (+) H⁺ aus NAD⁺ entsteht in einem komplexen Reaktionsablauf die aktivierte Essigsäure (Acetyl-CoA), ein C₂-Körper.

Mitochondrien

Der weitere Abbau des Acetyl-CoA erfolgt in zwei Serien von Reaktionen, die man als Zitratzyklus und Atmungskette bezeichnet. Beide Schritte laufen in den Mitochondrien ab, welche man auch als Kraftwerke der Zelle bezeichnet.

Der Zitratzyklus beginnt mit der Bildung von Zitrat, welches aus der Acetylgruppe des Acetyl-CoA und Oxalacetat entsteht. Beim Durchlaufen des Zyklus werden die Acetylgruppen des Acetyl-CoA enzymatisch abgebaut, wobei 2 Moleküle CO₂ und 8 Wasserstoffatome entstehen, welche wiederum auf Coenzyme wie das NAD⁺ übertragen werden. Am Ende der Reaktion liegt wieder ein Oxalacetat vor, welches erneut eine Reaktion mit einem Acetyl-CoA starten kann.

Atmungskette

Danach kommt es in der Atmungskette zu einer Übertragung der Elektronen der reduzierten Coenzyme aus dem Zitratzyklus und der anaeroben Glykolyse auf Sauerstoff, sodass H₂O entsteht. Dieser Reaktionsablauf, der einer Knallgasreaktion entspricht, setzt Energie frei, die in der Atmungskette zur Phosphorylierung von ADP zu ATP genutzt wird. In der Atmungskette werden bei den Reaktionsabläufen pro Molekül Glukose insgesamt 32 ATP-Moleküle resynthetisiert. Hinzu kommen 2 Moleküle ATP aus der Glykolyse und 2 Moleküle ATP aus dem Zitratzyklus, sodass die Gesamtenergiebilanz für 1 Molekül Glukose sich folgendermaßen darstellt:

Glukose (C₆H₁₂O₆) + 36 ADP + 36 P + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + 36 ATP

Respiratorischer Quotient

Bei der Oxidation aus Glykolyseeinheiten werden 37 ATP produziert, da die Phosphorylierung zu Glukose-6-Phosphat entfällt. Das Verhältnis von aufgenommenem O₂ zu abgegebenem CO₂ wird als respiratorischer Quotient bezeichnet.

Die folgende Tabelle stellt den respiratorischen Quotienten der Nährstoffe dar:

Tab. 3.7: Respiratorischer Quotient (vgl. de Marées, Heck 2003)

Merke

Für die Praxis ist wichtig: Werden dem Organismus im Übermaß Kohlenhydrate zugeführt, so füllen diese zunächst den Glykogenspeicher in der Muskulatur und in der Leber auf. Auf lange Sicht führt aber ein zu hoher Kohlenhydratkonsum vor allem in der Leber dazu, dass diese in Fette umgewandelt werden. Grund dafür ist, dass der überschüssige Anfall von aktivierter Essigsäure (Acetyl-CoA) zu einer verstärkten Fettsäuresynthese führt. Diese Fette werden dann als Energiedepot im Fettgewebe abgespeichert, was mit einer Gewichtszunahme verbunden ist.

Fette

Aerobe Energiegewinnung aus Fetten benötigt mehr Sauerstoff

Fette sind die zweitwichtigste Energiequelle des Organismus. Die Fettvorräte im menschlichen Organismus stellen dabei eine nahezu unerschöpfliche Energiereserve dar. In der Muskulatur ist die Speicherfähigkeit begrenzt, denn nur ca. 50 % der in der Muskulatur verbrannten Fette entstammen den muskulären Triacylglyceriddepots. Die Gesamtenergieausbeute aus Palmitinsäure (Fettsäure mit 16 C-Atomen) liegt mit 129 Molekülen ATP wesentlich höher als bei den Kohlenhydraten. Die Verwendbarkeit der Fette wird einerseits durch den langsamen Abbauprozess der freien Fettsäuren eingeschränkt, zum anderen wird pro bereitgestelltes ATP etwa 16 % mehr Sauerstoff benötigt. Das ist darauf zurückzuführen, dass die freien Fettsäuren im Vergleich zu den Kohlenhydraten weniger Sauerstoffmoleküle pro C-Atom enthalten. Für Palmitinsäure ergibt sich folgende Summenformel:

C₅₁H₉₈O₆ + 72,5 O₂ + 8 H₂O + 129 ADP + 129 (P) → 51 CO₂ + 49 H₂O + 129 ATP

β-Oxidation

β-Oxidation

Die Fette werden über Acety-CoenzymA in den Zitronensäurezyklus eingeschleust. In der β-Oxidation werden im Mitochondrium von den langen Fettsäureketten die Essigsäuremoleküle abgespalten (vgl. de Marees, Heck 2003).

Proteine

Aerobe Energiegewinnung aus Proteinen

Bei der Energiebereitstellung spielen Proteine eine eher untergeordnete Rolle. Nur in bestimmten Situationen, etwa bei einem Marathon oder Triathlon, mit sehr langem und hohem Energieumsatz werden Proteine zur Energiebereitstellung herangezogen. Der Eiweißanteil an der Gesamtenergiebereitstellung kann dann zwischen 10 und 15 % betragen.

Zur Steuerung: Der aerobe Stoffwechsel (die oxidative Phospohrylierung) besitzt gegenüber der Glykolyse Vorrang (der sog. Pasteur-Effekt). Dies wird durch eine höhere biologische Schwelle zur Aktivierung der Glykolyse gegenüber der Atmung bewirkt (vgl. Hollmann, Strüder 2009).

3.5 Bedeutung in der Praxis

Jede einzelne Sportart oder Disziplin weist ein spezifisches Energieanforderungsprofil auf. Durch sportmedizinische Untersuchungen und Tests kann man dieses Profil für jede Sportart oder Disziplin relativ genau bestimmen bzw. analysieren. Es dient im Training unter anderem als Anhaltspunkt und Orientierung für die Gestaltung des Konditionstrainings. Abb. 3.5 zeigt, wie man eine Milchsäure-Herzfrequenz-Kurve in verschiedene Trainingsformen übertragen kann. In vielen Sportarten/Disziplinen sind die Anforderungen nicht nur auf eine Energiebereitstellungsform beschränkt, sondern es kommen Mischformen vor, was Abb. 3.6 veranschaulicht.

Abb. 3.10: Anteil der Energie liefernden Prozesse an der Energiebereitstellung bei maximaler körperlicher Belastung von unterschiedlicher Dauer (Weineck 2019)

Charakteristika der aeroben und anaeroben Energiebereitstellung

Aerobe Oxidation	Anaerobe Oxidation
Mit Sauerstoff	Ohne Sauerstoff
36 mol ATP/mol Glukose	2 mol ATP/mol Glukose
Keine Laktatbildung	Mit Laktatbildung (s. u.)
Findet in den Mitochondrien statt	Findet im Zytoplasma statt
Energiebereitstellung erfolgt relativ langsam • Energieflussrate relativ klein • Im Organismus gespeicherte Gesamtenergiemenge ist relativ groß	Energiebereitstellung erfolgt relativ schnell • Energieflussrate relativ groß • Im Organismus gespeicherte Gesamtenergiemenge ist relativ klein Anaerob-alaktazid: über die energiereichen Phosphate ATP und KP; Resynthese von ATP erfolgt sehr schnell, jedoch ist der Speicher nach wenigen Sekunden leer Anaerob-laktazid: schnelle ATP-Resynthese, nach 40–60 Sekunden wird der Prozess durch zu viel Laktat gehemmt
Speicher: Glykogenspeicher des Muskels/der Leber, Fettspeicher des Muskels/der Leber	Speicher • Anaerob-alaktazid: ATP und KP-Speicher in der Muskelzelle • Anaerob-laktazid: Muskelglykogen

Tab. 3.8: Gegenüberstellung von aerober und anaerober Energieproduktion

3.6 Muskelkater

Muskelkater

Der in seiner Symptomatik jedem Sportler bekannte Muskelkater ist ein verzögerter Muskelschmerz von etwa einwöchiger Dauer. Er wird in den letzten Jahren als Mikrotrauma, also als Miniaturverletzung der Muskulatur, definiert. Er hat nichts mit der Übersäuerung in der Muskulatur zu tun. Diese Mikrotraumen sind kleinste, nur unter dem Mikroskop zu erkennende Schädigungen der Muskelzelle und des Muskelbindegewebes durch ungewohnte oder abbremsende (exzentrische) mechanische Beanspruchung der Muskulatur. Dabei kommt es zu Zerstörungen der Z-Scheiben, die wie Zerreißungen aussehen. Für Muskelkater gibt es folgende Ursachen (vgl. Böning 2000):

• körperliche Aktivität nach langer Pause,

• ungewohnte Bewegungen bei gut trainierten Sportlern,

• besonders starke Belastungen (z.B. Wettkampf) bei gut trainierten Sportlern.

Vorbeugung und Behandlung

Vorbeugend ist nach gründlicher Aufwärmarbeit eine abgestufte Belastungssteigerung mit Anpassung an die individuelle Leistungsfähigkeit des Sportlers zweckmäßig. Bei Muskelkater sind weitere intensive Belastungen und Massagen zu meiden! Der „verkaterte“ Sportler soll eine aktive Pause mit stark reduzierter körperlicher Aktivität (maximal 30 % seiner Leistungsfähigkeit) und vorsichtigen Dehnungsübungen der betroffenen Muskeln durchführen. Unterstützend kann bei Leistungs- oder Profisportlern die Einnahme von Vitamin E empfohlen werden.

3.7 Herz-Kreislauf-System und sportliches Training

Herz-Kreislauf-System

Das Herz-Kreislauf-System verbindet alle Körpersysteme zu einer funktionellen Einheit. Seine Hauptaufgaben liegen in der Versorgung der vielen Zellen der verschiedenen Körpergewebe mit Nähr- und Wirkstoffen bzw. mit Sauerstoff sowie im Abtransport von Stoffwechselendprodukten. In diesem Kreislaufsystem bildet das Herz die treibende Kraft für die Blutzirkulation. Das Blut stellt das Transportmittel dar, das Blutgefäßsystem die Transportwege. Gefäße, in denen das Blut vom Herzen wegtransportiert wird, werden als Arterien bezeichnet. Gefäße, in denen das Blut zum Herzen hintransportiert wird, heißen Venen. Das Kreislaufsystem lässt sich in den großen oder Körperkreislauf und den kleinen oder Lungenkreislauf unterteilen (Abb. 3.11).

Abb. 3.11: Herz-Kreislauf-System und Durchblutungsschema der Organe (arterieller Kreislauf [–],venöser Kreislauf […]; mod. nach Dickhuth 2002)

Der Körperkreislauf beginnt in der linken Herzkammer und endet im rechten Vorhof des Herzens. Der Lungenkreislauf beginnt in der rechten Herzkammer und endet im linken Vorhof. Er dient dem Gasaustausch. Kohlendioxidreiches Blut wird über die Lungenarterien zu den Lungen geführt und dort über Diffusionsvorgänge in sauerstoffreiches Blut umgewandelt.

3.7.1 Anatomisch-physiologische Grundlagen zum Aufbau und zur Funktion des Herzens

Aufbau und Funktion des Herzens

Das Herz ist ein kegelförmiger Hohlmuskel und liegt eingebettet zwischen den beiden Lungenflügeln. Gut zwei Drittel des Herzens liegen in der linken Brustkorbhälfte, ein Drittel in der rechten. Die Herzgröße hängt von verschiedenen Faktoren wie Alter, Geschlecht, Körpergröße und Grad der Ausdauertrainiertheit ab. Beim Untrainierten beträgt das Herzgewicht 280 g (Frau) bzw. 320 g (Mann). Bei trainierten Ruderern können Werte um 600 g gefunden werden. Das Volumen beim untrainierten Mann zwischen dem 20. und 30. Lebensjahr beträgt im Mittel ca. 750 ml, bei der Frau ca. 500 ml. Durch Ausdauertraining werden diese Funktionsgrößen in erheblichem Maße beeinflusst. Bei ausdauertrainierten Sportlern liegen die Werte zwischen 900 und 1500 ml. Der ehemalige spanische Radprofi und mehrfache Tour-de-France-Sieger Miguel Indurain hatte ein Herzvolumen von ca. 1800 ml (Extremwert). Es handelt sich hierbei um ein sog. Sportherz.

Abb. 3.12: Schematischer Aufbau des Herzens (aus Weineck 2010)

Anatomie des Herzens

Das Herz untergliedert sich in vier Hohlräume: linke Herzkammer, rechte Herzkammer, linker Vorhof und rechter Vorhof. Zwischen den Vorhöfen und den Kammern sowie den Kammern und den aus ihnen entspringenden Gefäßen liegen Herzklappen, die eine Ventilfunktion haben und den Blutstrom in nur eine Richtung zulassen. Der eigentliche Herzmuskel wird als Myokard bezeichnet. Um vor Verletzungen durch Reibung geschützt zu sein, befindet sich das Herz im Herzbeutel (Perikard). Rechte und linke Herzhälfte sind durch die Herzscheidewand (Septum) voneinander getrennt (vgl. Abb. 3.12).

Die Herzmuskelzellen weisen einen wesentlich höheren Anteil an Mitochondrien auf als die Skelettmuskelzellen. In den Mitochondrien findet der aerobe Stoffwechsel statt. Die Muskelschicht der linken Kammer ist fast dreimal so dick wie die der rechten, da sie mehr Kraft aufbringen muss, um das Blut in den großen Körperkreislauf zu pumpen. Die Blut- und damit auch die Sauerstoffversorgung des Herzmuskels selbst werden durch die Herzkranzgefäße gesichert.

Sinusknoten

Die Herztätigkeit ist durch das Phänomen der Automatie gekennzeichnet. Die Herzkontraktion wird durch Erregungen ausgelöst, die im Herzen selbst entstehen. Das oberste Reizbildungszentrum ist der Sinusknoten, der eine Ruhepulsfrequenz von 60–80 Schlägen pro Minute vorgibt. Die Herzfrequenz kann bei Bedarf – z.B. beim Sport – verändert werden. Die Anpassung der Herztätigkeit erfolgt über die Einflussnahme der vegetativen Herznerven (vgl. Weineck 2010). In der Herztätigkeit unterscheidet man Systole und Diastole. Die Systole ist die Kontraktion des Herzens, in der Blut aus dem Herzen ausgetrieben wird, während die Diastole die Erschlaffung bedeutet, in welcher das Blut ins Herz hineingesaugt wird.

3.7.2 Kenngrößen der Herzfunktion

Kenngrößen der Herzfunktion

Je nach Intensität der sportlichen Belastung muss das Herz mehr oder weniger große Auswurfleistungen vollbringen. Wenn der Mensch intensiv Sport treibt, benötigen die Muskeln z.B. mehr Sauerstoff zur Energieproduktion, und den muss der Herzmuskel entsprechend „herbeipumpen“.

Definition Herzfrequenz:

Die Anzahl der rhythmischen Kontraktionen, also die Anzahl der Herzschläge pro Minute, wird als Herzfrequenz bezeichnet. Sie beträgt beim Untrainierten in Ruhe etwa 60–90 Schläge pro Minute.

Bei Belastungen im Sport kann die Herzfrequenz beim Untrainierten etwa um das Dreifache ansteigen und Werte über 200 Schläge pro Minute erreichen. Bei Kindern und Jugendlichen sind Belastungsherzfrequenzen bis zu 220 Schlägen pro Minute möglich.

Definition Schlagvolumen:

Das Schlagvolumen (SV) entspricht derjenigen Menge Blut (ml), die bei jeder Systole (Kontraktionsphase des Herzens) aus der linken Herzkammer in die Blutbahn ausgeworfen wird. Es beträgt in Ruhe – abhängig von der jeweiligen Herzgröße – etwa 70–100 Milliliter (ml).

Das Schlagvolumen erhöht sich bei Belastung und ist in starkem Maße von der Körperlage abhängig. Es ist im Stehen aufgrund einer geringeren Herzfüllung geringer als im Liegen.

Definition Herzminutenvolumen:

Das Herzminutenvolumen (HMV, auch Herzzeitvolumen genannt) gibt diejenige Menge an Blut an (l/min), die pro Minute vom Herzen in die Blutbahn befördert wird.

Der Ruhewert beträgt für einen Untrainierten ca. 5–6 l/min und kann unter maximaler Belastung auf ca. 20–25 l/min ansteigen. Das Herzminutenvolumen entspricht also der Menge an Blut, die dem Organismus insgesamt in einer Minute zur Verfügung steht.

Herzminutenvolumen (HMV) = Herzfrequenz (HF) x Schlagvolumen (SV)

Folgende Beispiele zeigen die unterschiedlichen Werte für Trainierte und Untrainierte unter Belastung und in Ruhe an.

Praxisbeispiele

Praxisbeispiele

Für einen Untrainierten gilt:

• In Ruhe: 70 ml (SV) x 80 (HF) = 5,6 l (HMV)

• Bei maximaler Belastungsintensität: 70 ml (SV) x 200 (HF) = 14 l (HMV)

• Unter maximaler Belastung pumpt das Herz dieses Untrainierten 14 l Blut pro Minute durch den Organismus.

Ein hochausdauertrainierter Sportler kann im Vergleich dazu folgende Werte haben (hier: Miguel Indurain, mehrmaliger Tour-de-France-Sieger):

• In Ruhe: 250 ml (SV) x 32 (HF) = 8,0 l (HMV)

• Bei maximaler Belastungsintensität: 250 ml (SV) x 200 (HF) = 50 l (HMV)

Diese Veränderungen gehören zu den wichtigsten körperlichen Anpassungserscheinungen des Herz-Kreislauf-Systems an regelmäßiges Ausdauertraining.