|
Sportliche Betätigung bedeutet in der Regel körperliche Arbeit, sprich Muskelarbeit. Dazu bedarf es natürlich einer Energiequelle. Die unmitelbare Energiequelle der Muskelkontraktion heißt Adenosintriphosphat (ATP) und ist ein sogenanntes “energiereiches Phosphat“. Durch die Abspaltung einer Phosphatgruppe wird die Energie freigesetzt, die die Kontraktion des Muskels ermöglicht.
Da in der Muskelzelle aber nur eine sehr geringe Menge an ATP gespeichert ist, muss diese chemische Energie ständig im Muskelstoffwechsel erzeugt werden, damit sie in mechanische Energie umgewandelt werden kann.
Neben der mechanischen Energie, die z.B. der Fortbewegung dient, wird bei Muskelarbeit auch noch Energie in Form von Wärme erzeugt: Deshalb wird uns bei körperlicher Aktivität warm. Legt man nur den elementaren Kontraktionsprozess zu Grunde werden circa 40-50% der chemischen Energie in mechanische Energie umgewandelt. Der Rest wird in Wärmeenergie umgesetzt und der Thermoregulation des Körpers zugeführt. Da aber viele Energie verbrauchende Prozesse außerhalb der Myofibrillen ablaufen, liegt der mechanische Nutzungseffekt gerade einmal bei 20-30%. Betrachtet man den Muskel als eine Maschine, so ist sein Wirkungsgrad demnach relativ gering.
Welche Energiequellen stehen für die ATP – Resynthese zur Verfügung?
Wie schon erwähnt, ist in der Muskulatur nur eine sehr geringe Menge ATP gespeichert (ca. 5 µMol / g Muskel). Daneben gibt es noch ein zweites "energiereiches Phosphat", das Kreatinphosphat (KP), welches durch seine Spaltung sofort ATP aus ADP regenerieren kann (was Kreatin zu einem sehr wirksamen Supplement macht). Auch diese chemische Verbindung ist nur in einem kleinen Ausmaß vorhanden (ca. 25 µMol / g Muskel). Die energiereichen Phosphate als direkt verfügbare chemische Energie ermöglichen durch eine maximal mögliche Energieflussrate (ATP-Bildung pro Zeit) zwar eine sofortige körperliche Höchstleistung, dies jedoch nur für wenige Sekunden.
Daraus folgt, dass es zusätzlich noch weitere Energiequellen mit größerer Kapazität zur ATP-Gewinnung geben muss. Die eigentlichen Energielieferanten des Körpers sind demnach Kohlenhydrate und Fette. Kohlenhydrate sind als Glykogen (Speicherform von Glukose im Körper) in der Muskulatur und zu einem kleinen Teil auch in der Leber (max. 100 Gramm) gespeichert. In Abhängigkeit von Trainingszustand und Ernährung können bis zu 500 Gramm Glykogen in die Muskelzellen eingelagert werden (entsprechend ca. 2000 kcal). Diese Energiequelle ermöglicht intensive Ausdauerbelastungen bis zu etwa 90 Minuten.
Den weitaus größten Energiespeicher stellt das Fettgewebe dar, das unter der Haut und um die inneren Organe gespeichert ist (auch in der Muskulatur befindet sich etwas Fettgewebe). Beim Menschen enthalten die Fettdepots die 30 bis 50-fache Energiemenge der Glykogenspeicher (bei dicken Personen entsprechend mehr). Damit wären theoretisch sogar tagelange Ausdauerbelastungen (mit allerdings geringer Intensität) möglich.
Man unterscheidet zwei Hauptmechanismen der Energiebereitstellung:
1.) Die aerobe (= oxidative) Energiebereitstellung: Bildung von ATP unter Verbrauch von Sauerstoff
2.) Die anaerobe Energiebereitstellung: Bildung von ATP ohne Verbrauch von Sauerstoff.
zu 1: Die aerobe Energiegewinnung erfolgt durch vollständige Verbrennung (=Oxidation)
von a) Kohlenhydraten (genauer: Glukose)
und b) Fetten (genauer: Fettsäuren) = Betaoxidation
jeweils zu Kohlendioxid und Wasser (CO2 und H2O). Wobei die Glukose durch Glykogenabbau (Glykolyse) und die Fettsäuren durch Fettspaltung (Lipolyse) zur Verfügung gestellt werden.
zu 2: Die anaerobe Energiegewinnung erfolgt durch
· Spaltung der gespeicherten energiereichen Phosphate ATP und Kreatinphosphat
= anaerob - alaktazide Energiebereitstellung
· unvollständige Verbrennung von Glukose unter Bildung von Laktat (Anion der Milchsäure): die anaerobe Glykolyse
= anaerob - laktazide Energiebereitstellung
Somit stehen dem Skelettmuskel 4 Mechanismen der Energiegewinnung zur Verfügung, die je nach Intensität und Dauer der körperlichen Belastung beansprucht werden. Primär bestimmt dabei die Belastungsintensität und nicht die Belastungsdauer die entsprechende Energiebereitstellung. Bei geringer Leistung bzw. Belastungsintensität, ist in der Muskulatur genügend Sauerstoff vorhanden, um ATP laufend durch oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien zu gewinnen.
Die Energie stammt dabei aus der Oxidation von Glukose und Fettsäuren (= aerobe Energiebereitstellung). Auch im Ruhezustand verbrennen wir deshalb in unseren Muskeln so gut wie ausschließlich Fett bzw. Fettsäuren. Demnach werden auch bei 5 Minuten leichtem Cardiotraining überwiegend Fettsäuren verbrannt. (WICHTIG: Denn damit ist das Märchen widerlegt, die Fettverbrennung setze erst nach 30-45 Minuten ein!). Denn es besteht prinzipiell immer ein "Nebeneinander" und kein "Nacheinander" der einzelnen Energiebereitstellungs-Mechanismen, mit fließenden Übergängen in Abhängigkeit von der Belastungsintensität.
Je höher die Energieflussrate (= ATP-Gewinnung pro Zeit), desto höher ist die erbrachte Leistung (Leistung ist Arbeit pro Zeit). Die Geschwindigkeit der Energiebereitstellung, die schon erwähnte Energieflussrate (ATP-Bildung pro Zeit), nimmt in folgender Reihenfolge um ca. 50% ab:
Anaerob – alaktazid (energiereiche Phosphate) Þ anaerobe Glykolyse Þ aerobe Glukoseverbrennung Þ aerobe Fettverbrennung
Im Gegenzug nimmt der Energievorrat in der gleichen Reihenfolge zu. Die Geschwindigkeit der Energiebereitstellung kann man auch mit der maximal möglichen Leistung und den Energievorrat mit der möglichen Belastungsdauer gleichsetzen. Die Intensität und die Dauer der körperlichen Leistung verhalten sich demnach entsprechend der jeweiligen Energiebereitstellung gegenläufig.
Tabelle 1: Die unmittelbaren und die mittelbaren Energiequellen im Skelettmuskel des Menschen
|
Energiequelle
|
Gehalt (µMol/g Muskel)
|
Energieliefernde Reaktion
|
|
Adenosintriphosphat (ATP)
|
5
|
ATP Þ ADP + Pi
|
|
Kreatinphosphat (KP)
|
25
|
KP + ADP Þ ATP + K
|
|
Glucoseeinheiten im Glykogen
|
80-90
|
anaerob: Abbau über Pyruvat zu Laktat (Glykolyse)
aerob: Abbau über Pyruvat zu CO2 und H2O
|
|
Triglyceride
|
10
|
Oxidation zu CO2 und H2O
|
ADP = Adenosindiphosphat, K = Kreatin, Pi = Phosphat
Quellen:
1.) Berg, J. M.; Tymoczko J.L.; Stryer L.: Biochemistry. W. H. Freeman and Company, New York, 5. Edition, 2002 2.) Christen P. ;Jaussi R.: Biochemie: Eine Einführung mit 40 Lerneinheiten. Springer Verlag, Berlin, 2005
3.) Elliot, W. H.; Elliot D.C.: Biochemistry and Molecular Biology. Oxfort University Press Inc., New York, 2002 4.) Schek, A : Modell zur Quantifizierung der Energiebereitstellung aus Fett und Kohlenhydraten in Abhängigkeit von der Belastungsintensität bei Ausdauersportler mit unterschiedlichen Leistungsniveaus. Wissenschaftlicher Fachverlag Gießen, 1997 5.) Schmidt R. F.; Unsicker K.: Anatomie, Biochemie und Physiologie des Nervensystems und des Bewegungsapparats. Deutscher Ärzte-Verlag, Köln, 2003 6.) Voet, D.; Voet, J. G.; Prall C. W.: Lehrbuch der Biochemie. Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2002
|
