DIE MUSKULÄRE ENERGIEBEREITSTELLUNG IM SPORT
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2 Klassisches Beispiel hiefür ist der 400m-Lauf (wo die Athleten auf den letzten Metern durch die extreme Übersäuerung auffallend langsamer werden), weiters der 500m-Eisschnellauf, das 1000m-Bahnzeitfahren, aber auch ein langgezogener Endspurt im Langstreckenlauf. 400m-Sprinter erreichen aufgrund ihrer großen anaeroben Kapazität und Säuretoleranz die höchsten Laktatwerte überhaupt (bis zu 30 mmol/l). Da die Protonen aus dem “sauren“ Muskel in den Kreislauf gelangen, kommt es zu einer kurzzeitigen extremen Übersäuerung des Organismus, die normalerweise nicht mit dem Leben vereinbar wäre (metabolische Azidose mit pH-Werten bis herunter zu 7.0, im beanspruchten Muskel beträgt der lokale pH- Wert kurzfristig unter 6.9). Nach Abbruch der anaeroben Ausbelastung spürt man aber durch Abpufferung und respiratorische Kompensation der Azidose ein rasches Nachlassen des “Muskelbrennens“. Gleichzeitig wird das angehäufte Laktat nach Belastungsende parallel zu den Protonen (Laktat/H+- Kotransport) innerhalb von Minuten wieder beseitigt, indem der in der Muskulatur verbleibende Anteil via Umwandlung zu Pyruvat aerob verstoffwechselt (vollständig verbrannt) wird. Das in den Blutkreislauf ausgeschwemmte Laktat wird in der Leber und Muskulatur über Glukose zu Glykogen aufgebaut, aber auch von der Herzmuskulatur zur Energiegewinnung herangezogen (Übrigens: Laktat hat nichts mit dem “Muskelkater“ zu tun, wie manche immer noch meinen). Laktat ist somit kein “Abfallprodukt“, sondern dient sowohl der Energiespeicherung als auch als Energielieferant. Deshalb ist es wichtig, nach einer intensiven anaeroben Belastung diese für mehrere Minuten langsam ausklingen zu lassen (Auslaufen, Ausradeln…), da damit der Laktatabbau und damit die muskuläre Erholung wesentlich rascher bewerkstelligt wird als im Falle körperlicher Ruhe. Man nennt dies aktive Erholung. Intensive, mit “Übersäuerung“ einhergehende Belastungen gehen zwangsläufig mit zunehmend vertiefter und beschleunigter Atmung einher (sog. Hyperventilation). Damit wird vermehrt CO2 (und damit quasi Kohlensäure) abgeatmet, um einem weiteren Absinken des pH-Wert des Blutes entgegenzuwirken. Man nennt das die respiratorische Kompensation einer metabolischen Azidose (In diesem Fall einer Laktat-Azidose). Auch nach Belastungsende ist die Atmung noch eine Zeitlang gesteigert, um die “Sauerstoffschuld“ zu kompensieren. 3. Aerobe Energiebereitstellung (Glukose- und Fettsäureoxidation) : Dieser Mechanismus der ATP-Gewinnung kommt bei den Ausdauersportarten zum Tragen, bei denen die maximale Sauerstoffaufnahme (VO 2 max) entscheidend ist. [siehe DIE MAXIMALE SAUERSTOFFAUFNAHME ALS BRUTTOKRITERIUM FÜR DIE AUSDAUERLEISTUNGSFÄHIGKEIT] Dauert die körperliche Belastung einer größeren Muskelgruppe länger als 90 Sekunden, beginnt die aerobe (=oxidative) Energiegewinnung die entscheidende Rolle zu spielen (Wie schon oben erwähnt, beginnt die Fettverbrennung nicht erst nach einer halben Stunde). Es werden immer die beiden Nährstoffe Kohlenhydrate und Fette als Energielieferanten herangezogen (“Die Fette verbrennen im Feuer der Kohlenhydrate“: damit ist die gemeinsame Bildung von Acetyl-CoenzymA gemeint, welches in den Citratzyklus eingeschleust wird), wobei je nach Belastungsintensität ein fließender Übergang in der anteilsmäßigen Energiebereitstellung besteht, der vor allem vom Trainingszustand abhängt. Bei sehr intensiven aeroben Anforderungen (z.B. 5000m-Lauf) werden so gut wie ausschließlich Kohlenhydrate (in Form von Glykogen bzw. Glukose), bei extensiveren, längerdauernden Belastungen (z.B. im Straßenradrennsport) umso mehr Fettsäuren verbrannt. Bei intensiven Ausdauerbelastungen wird die Glukose zum Teil unvollständig verbrannt, ist also auch die anaerobe Glykolyse zu einem gewissen Prozentsatz an der ansonst aeroben Energiebereitstellung mitbeteiligt. In diesem Fall müssen sich aber Laktatbildung (anaerob) und Laktatabbau (aerob) die Waage halten, um eine Übersäuerung zu vermeiden. Dies entspricht dann der individuell maximal möglichen Intensität, die über einen längeren Zeitraum aufrecht erhalten werden kann, der sog. “Schwellenleistung“ an der sog. anaeroben Schwelle (genauer: aerob-anaerobe Schwelle bzw. Dauerleistungsgrenze), dem entscheidenden Kriterium im Ausdauersport. Die anaerobe Schwelle wird oft mit 4 mmol/l Laktat angegeben, dies ist jedoch nur ein Durchschnittswert, weshalb sie im Leistungssport individuell ermittelt werden sollte (Bei z.B. MarathonläuferInnen oder Radrennsportlern liegt die Dauerleistungsgrenze meist deutlich unter 4 mmol/l, bei Untrainierten meist darüber). Bei zu hoch gewählter Belastungsintensität (oberhalb der anaeroben Schwelle) würde die zunehmende muskuläre Übersäuerung mit entsprechender Anhäufung von Protonen und damit auch Laktat (Laktatbildung größer als Laktatelimination) zum vorzeitigen Abbruch der Belastung zwingen (siehe Punkt 2). All das spielt bei der Leistungsdiagnostik und Trainingssteuerung im Ausdauersport eine wesentliche Rolle. Die muskulären Glykogenreserven sind bei intensiver Dauerbelastung je nach Trainingszustand nach 60 bis 90 Minuten weitgehend erschöpft. Bei Fortsetzung der Ausdauerbelastung ist der Muskelstoffwechsel nun auf eine vermehrte Fettverbrennung angewiesen, wobei diese Energiebereitstellung mehr Sauerstoff benötigt und nur halb so schnell wie bei der oxidativen Glukoseverbrennung erfolgt (niedrigere Energieflussrate, siehe oben). Das hat zur Folge, dass in der Regel eine Verminderung der Belastungsintensität (z.B. der Laufgeschwindigkeit) notwendig ist (Der berüchtigte “Mann mit dem Hammer“ z.B. bei einem Marathonlauf, den man sich nicht gut eingeteilt hat bzw. wenn man auf eine regelmäßige Kohlenhydratzufuhr “vergessen“ hat [siehe TRINKEN IM SPORT] ). Noch schlimmer ist es, wenn durch ungenügende oder “vergessene“ Kohlenhydratzufuhr auch der Glykogenspeicher der Leber zur Neige geht, weil es dann zu einem Abfall des Blutzuckerspiegels kommt. Dies kann zu einem “Hypo“ (=Hypoglykämie, BZ unter 50mg/dl) führen, das in Radsportkreisen als “Hungerast“ bekannt und gleichermaßen gefürchtet ist, weil es einen “Schwächeanfall“ bewirkt [Erklärung: Der Blutzuckerspiegel wird durch den Glukosestoffwechsel der Leber aufrechterhalten (Glykogenolyse und Gluconeogenese). Das in den Muskelzellen gespeicherte Glykogen wird “vor Ort“ verbraucht und trägt nichts zur Blutzucker- Homöostase, also zur Aufrechterhaltung des Blutglukosespiegels bei]. Die entleerten Glykogenspeicher der Muskulatur werden bei entsprechender Ernährung (kohlenhydratreich) und v.a. durch eine Kombination aus Kohlenhydraten mit hohem glykämischen Index [siehe DER GLYKÄMISCHE INDEX…] und Proteinen innerhalb der ersten zwei Stunden nach Belastung (“open window“), je nach Trainingszustand innerhalb von ein bis drei Tagen wieder aufgefüllt. Um die Kapazität der muskulären Glykogenreserven vor einem Ausdauerwettkampf zu erhöhen (“Kohlenhydrat-Laden“, “Tapering“, Glykogen-Superkompensation), gibt es verschiedene Methoden, die man allerdings vorher ausprobieren muss. Zum Beispiel wird 6 bis 7 Tage vor dem Wettkampf durch eine intensive Trainingseinheit von ca. eineinhalb Stunden der muskuläre Glykogenspeicher geleert. Die nachfolgenden 3 bis 4 Tage wird die Muskulatur durch weitgehend kohlenhydratfreie Kost sowie weiterem Training regelrecht “ausgehungert“ und anschließend ein bis zwei Tage bis zum Wettkampf mit ausgiebiger Kohlenhydratnahrung “gefüttert“. Da ein Training unter kohlenhydratarmer Ernährung verständlicherweise nicht jedermanns Sache ist, gibt es auch eine weniger radikale Methode: Muskuläre Glykogen-Depletion am 4. Tag vor dem Wettkampf und dann 3 Tage kohlenhydratreiche Ernährung bis zum Wettkampf. Unsere praktisch unerschöpflichen Fettreserven ermöglichen ultralange Ausdauerleistungen, die natürlich mit entsprechend niedriger Intensität ausgeführt werden müssen. Beispiele: Der Triple-Iron Man-Triathlon oder - noch extremer - das Race Across America (RAAM) http://www.meneweger.at Bei Ausdauerbelastungen, die länger als eine Stunden dauern, ist ein gut trainierter Fettstoffwechsel entscheidend, damit er trotz der relativ langsamen Energiebereitstellung eine möglichst hohe Belastungsintensität bei gleichzeitiger Einsparung der wertvollen Glykogenreserven ermöglicht. Abschließend noch ein paar Worte zu den Muskelfasertypen: Man unterscheidet grob die langsam zuckenden “roten“ von den schnell zuckenden “weißen“ Muskelfasern. Erstere sind durch ihren Gehalt an Myoglobin (rotem Muskelfarbstoff), das Sauerstoff speichern kann, sowie Mitochondrien (“Kraftwerke der Zelle“, in denen die oxidative Verbrennung von Glukose und Fettsäuren stattfindet) und oxidativen Enzymen (Biokatalysatoren für die aerobe Glukose- und Fettverbrennung) auf die aerobe Energiebereitstellung und damit Ausdauerleistungen spezialisiert. Die “schnellen“ Muskelfasern hingegen sind gekennzeichnet durch einen hohen Gehalt an energiereichen Phosphaten und Enzymen, die diese spalten sowie Glykogen auch ohne Sauerstoff abbauen können und damit auf die anaerobe Energiebereitstellung, also Kraft und Schnelligkeit, spezialisiert. Etwas genauer: 1. Typ I-Fasern = ST-Fasern: “langsame“ bzw. “langsam zuckende" Muskelfasern (slow twitch) mit hoher Ermüdungsresistenz, hoher Konzentration an ATPase, relativ niedrigem Glykogengehalt und niedriger Konzentration an SDH (Succinatdehydrogenase) sowie neben oben erwähntem Myoglobingehalt auch einer hohen Anzahl an Mitochondrien (den "Kraftwerken der Zelle", in denen die oxidative Verbrennung von Glukose und Fettsäuren stattfindet). Sie finden sich vorwiegend in der "roten" Muskulatur und besitzen eine gute Energieversorgung durch eine gute Kapillarisierung. Sie werden bei lang durchgeführten Bewegungen mit geringer Kraftentwicklung eingesetzt. 2. Typ II-Fasern: umgekehrtes Enzymmuster, weitere Unterscheidung in - Typ IIA-Fasern = FT-Fasern: "schnelle" bzw. "schnell zuckende" (fast twitch) Fasern mit hoher Ermüdungstendenz, hohem Gehalt an glykolytischen und oxidativen Enzymen, die bei länger ausgeführten Kontraktionen mit relativ hoher Kraftentwicklung benötigt werden. - Typ IIB-Fasern: schnelle, leicht ermüdbare Fasern mit hohem Glykogen- und niedrigem Mitochondriengehalt. Ihre Energiebereitstellung erfolgt sehr rasch, v.a. über die Glykolyse, wichtig für kurze bzw. intermittierende Belastungen mit hoher Kraftentwicklung. - Typ IIC-Fasern: sog. Intermediärfasern, die zwischen Typ I und II einzuordnen sind und je nach Training eher Typ I- oder eher Typ II-Eigenschaften entwickeln. Allerdings muss gesagt werden, dass die Beziehung zwischen der histochemischen und der funktionellen Einteilung relativ locker zu sehen ist. Das Verhältnis zwischen diesen Muskelfasertypen scheint weitgehend genetisch festgelegt zu sein und hält sich bei den meisten Menschen die Waage. Allerdings konnte bei farbigen Sprintern ein deutliches Überwiegen der schnellzuckenden Fasern festgestellt werden, was die Hypothese untermauert, dass man zum Sprinter geboren sein muss (Tatsächlich gibt es nur wenige weiße Weltklassesprinter). Durch spezifisches Training kommt es zu einer funktionellen Anpassung der entsprechenden Muskelfasertypen (selektive Hypertrophie). So führt Ausdauertraining zu einer besseren Sauerstoffverwertung der “roten“ Fasern und damit zu einer Verbesserung der VO 2 max. [siehe DIE MAXIMALE SAUERSTOFFAUFNAHME ALS BRUTTOKRITERIUM FÜR DIE AUSDAUERLEISTUNGSFÄHIGKEIT] . Die Hypertrophie der “weißen“ Fasern bewirkt eine entsprechende Steigerung von Kraft und Schnelligkeit. Eine echte Umwandlung zwischen “rot“ und “weiß“, sprich Typ I- und Typ II-Fasern ist nach dem derzeitigen Wissensstand nicht möglich. Es gibt aber die bereits genannten “intermediären“ Muskelfasern, die zwar den schnell zuckenden Fasern ähnlich sind, aber auch “langsame“ Eigenschaften besitzen und durch Ausdauertraining zu “roten“ Fasern umgewandelt werden können. Die Tatsache, dass viele MittelstreckenläuferInnen im Lauf der Jahre auf immer längere Distanzen (bis zum Marathon) umsteigen, unterstreicht diese Beobachtung und zeigt die jahrelange Entwicklung im Ausdauersport auf, in dem man erst nach vielen Jahren des aufbauenden, konsequenten Trainings den individuellen Leistungszenit erreicht. Dafür kann man dieses Niveau noch relativ lange aufrecht erhalten (Man erinnere sich: 1984 wurde Carlos Lopez mit 38 Jahren Olympiasieger im Marathonlauf - mit einer Zeit von 2 Stunden 8 Minuten!). Der umgekehrte Fall, nämlich die Umwandlung von “rot zu weiß“ ist offensichtlich nicht möglich, die motorische Grundeigenschaft Schnelligkeit nimmt (wie auch die Kraft) mit zunehmendem Alter ab. Bis dato ist noch kein Langstreckenläufer zum Sprinter geworden. Anteilsmäßige muskuläre Energiebereitstellung in Prozent (Durchschnittswerte, individuelle Schwankungen) Betaoxidation Glykolyse aerob Glykolyse anaerob Kreatinphosphat 24-Std-Lauf ca. 88 Muskelglykogen ca. 10 Leberglykogen (Blutglukose) ca. 2 Doppelmarathon ca. 60 Muskelglykogen ca. 35 Leberglykogen (Blutglukose) ca. 5 Marathon ca. 20 Muskelglykogen ca. 75 Leberglykogen (Blutglukose) ca. 5 10000 m ca. 95 - 97 ca. 3 - 5 5000 m ca. 85 - 90 ca. 10 - 15 1500 m ca. 75 ca. 25 800 m ca. 50 ca. 50 400 m ca. 25 ca. 60 - 65 ca. 10 - 15 200 m ca. 10 ca. 65 ca. 25 100 m ca. 50 ca. 50 Das Wichtigste • Bei Muskelarbeit wird chemische Energie (ATP) in mechanische Energie und Wärme umgewandelt. • Je höher die Energieflussrate (ATP-Bildung pro Zeit), desto höher die Leistung. • Intensität und Dauer der maximal möglichen Leistung verhalten sich gegenläufig. • Die Nährstoffe Kohlenhydrate und Fette sind unsere Energiespeicher, die je nach Intensität und Dauer der körperlichen Belastung auf unterschiedliche Art zur Energiegewinnung herangezogen werden. • Jede Sportart benötigt eine spezifische Energiebereitstellung, die mit dem Muskelfasertyp zusammenhängt. • Die Energiebereitstellung im Muskelstoffwechsel ist abhängig vom Trainingszustand und zum Teil auch von der Ernährung. • Je besser der Fettstoffwechsel trainiert ist, desto sparsamer kann die Muskulatur mit den wertvollen Glykogenreserven umgehen. Schema der muskulären Energiebereitstellung Interessanter Link mit aktueller Information: www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2003/pressemitteilung20031002/ Dr. Kurt A. Moosburger www.dr-moosburger.at Innsbruck, im November 1994 (veröffentlicht im SPORTMAGAZIN Jan. 1995) (zuletzt überarbeitet im Oktober 2006)
Autor: Dr. Kurt A. Moosburger - Quelle:
http://www.dr-moosburger.at/ |
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