Energiebereitstellung im Muskel

Energiebereitstellungsprozesse

• Der Körper benötigt Energie für körperliche Leistungen und kann diese auf verschiedene Weise bereitstellen.
• Die Art der Stoffwechselvorgänge hängt von der Belastungshöhe und der verfügbaren Sauerstoffmenge ab.
• Der Stoffwechsel der Skelettmuskulatur macht im Ruhezustand etwa 20 % des Gesamtstoffwechsels aus, kann aber unter Belastung auf bis zu 80 % ansteigen.
• ATP (Adenosintriphosphat) ist die direkte Energiequelle für die Muskelzellen und spielt eine entscheidende Rolle beim Lösen der Myosinköpfchen am Actin während der Muskelkontraktion.
• Die eigentliche Kontraktion ist nur mit ATP möglich.
• ATP muss permanent neu aufgebaut werden (Resynthese), da es nach nur ca. 3 Sekunden verbraucht ist.
• ATP wird aus anderen Energielieferanten gebildet, diese Vorgänge laufen zum Teil parallel ab.
• Welche Energielieferanten verstärkt herangezogen werden, hängt von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere von der Belastungsintensität und dem Trainingszustand.
• Energie wird durch die Abspaltung einer Phosphatgruppe des ATPs nutzbar.
• Aus ATP entsteht Adenosindiphosphat (ADP).
• Die Resynthetisierung von ADP kann aerob (unter Sauerstoffverbrauch) oder anaerob (ohne Sauerstoffbeteiligung) erfolgen.
• Man unterscheidet bei der anaeroben Energiebereitstellung zwischen anaerob-alaktaziden (Kreatinphosphatspaltung) und anaerob-laktaziden Prozessen.

Energiebereitstellung im Muskel

• Anaerobe Energiebereitstellung:
  • Findet ohne Sauerstoff statt.
  • Umfasst die alaktazide (kein Laktat) und laktazide Energiebereitstellung.
• Aerobe Energiebereitstellung:
  • Findet mit Sauerstoff statt.
  • Nutzt Kohlenhydrate und Fette.
• Energieträger:
  • Kreatinphosphat: für kurzzeitige, maximale Leistungen (max. 10 Sekunden).
  • Kohlenhydrate: für mittlere bis längere Belastungen.
  • Fette: für längere, weniger intensive Belastungen.
• Energiefluss: Chemische Energie wird in biomechanische Energie (Kontraktionsenergie) umgewandelt.

Anaerobe Energiebereitstellungsformen

• Anaerob-alaktazide Energiebereitstellung:
  • Obwohl nahezu alle energieliefernden Prozesse gleichzeitig ablaufen, zerfällt bei hoher Belastung in Verbindung mit einer hohen energetischen Anforderung in der Muskulatur zunächst das in den Mitochondrien vorhandene ATP.
  • ATP zerfällt bei der Muskelkontraktion in ADP und einen Phosphatrest P.
  • Kreatinphosphat sorgt kurzfristig dafür, dass aus ADP und P wieder ATP entsteht, diese Energiemenge reicht nur für Muskelkontraktionen im Zeitraum von 5-8 Sekunden aus.
  • Sie ist entscheidend für Maximal- und Schnellkraft sowie Schnelligkeit (z.B. 100m-Sprint, Gewichtheben, Kugelstoßen, Hochsprung).
  • Die verbrauchten energiereichen Phosphate werden rasch wiederhergestellt (nach einigen Sekunden bis wenigen Minuten, je nach Trainingszustand).
• Anaerob-laktazide Energiebereitstellung:
  • Eine längerfristige Belastung auf submaximalem Niveau kann nur über die Bildung von Laktat gewährleistet werden.
  • Kein Sauerstoff steht zur Verfügung, gebildetes Pyruvat kann nicht in die Mitochondrien aufgenommen werden.
  • Der Prozess der anaeroben Glykolyse kann nur über die Bildung von Laktat weiterlaufen.
  • Als Energiebilanz entstehen nur 2 mol ATP pro 1 mol Glukoseeinheit.
  • Dieser Mechanismus stellt die nötige Energie für Leistungen zwischen 15 und 45 (max. 60) Sekunden zur Verfügung.
  • Für eine rein alaktazide Energiegewinnung ist die Belastungsdauer bereits zu lang, für eine Mitbeteiligung der aeroben Glukoseverbrennung ist sie zu kurz und die Belastungsintensität zu hoch.
  • Die anaerobe Glykolyse erreicht ihren Höhepunkt nach ca. 45 Sekunden und dominiert dann bis 2 Minuten, bevor die aeroben Prozesse überwiegen.
  • Danach lässt die Leistung deutlich nach.
  • Zwischen 2-8 Minuten finden sich aerob-anaerobe Mischformen der Ausdauer.
  • Entgegen früherer Annahmen ist die Laktatbildung ein Schutzmechanismus vor Übersäuerung.
  • Das ausgeschwemmte Laktat wird in Leber und Muskulatur über Glukose zu Glykogen aufgebaut und von der Herzmuskulatur zur Energiegewinnung genutzt.
  • Laktat dient sowohl der Energiespeicherung als auch als Energielieferant und ist somit kein Abfallprodukt.
  • Nach intensiver anaerober Belastung ist es wichtig, diese langsam ausklingen zu lassen (aktive Erholung), um den Laktatabbau zu beschleunigen.
  • Intensive Belastungen gehen mit vertiefter und beschleunigter Atmung (Hyperventilation) einher, um CO2 abzuatmen und einem Absinken des pH-Werts entgegenzuwirken (respiratorische Kompensation einer metabolischen Azidose).
  • Auch nach Belastungsende ist die Atmung noch eine Zeit lang gesteigert, um die Sauerstoffschuld zu kompensieren.

Aerobe Energiebereitstellungsformen

• Energiegewinnung aus Kohlenhydraten:
  • Bei Belastungen, die länger als 90 Sekunden dauern, spielt die aerobe Energiegewinnung die entscheidende Rolle.
  • Bei Ausdauerbelastungen über 10 Minuten werden 80 % der Energie oxidativ bereitgestellt.
  • Glykogenspeicher des Organismus sind ein großes, variables Energiedepot.
  • Nach Aufnahme werden Kohlenhydrate als Glukose in die Muskelzellen transportiert und dort in Glykogen gespeichert.
  • Abhängig von Trainingszustand und Ernährung können bis zu 500 Gramm Glykogen in die Muskelzellen eingelagert werden (ca. 2000 kcal).
  • Zusätzlich kann die Muskulatur auf Blutglukose zurückgreifen, die aus den Leberspeichern gespeist wird.
  • Bei vollständiger Oxidation von 1 mol Glukose werden 38 mol ATP gewonnen.
  • Diese Energiequelle ermöglicht intensive Ausdauerbelastungen bis zu etwa 1 1/2 Stunden.
• Es werden immer Kohlenhydrate und Fette als Energielieferanten herangezogen, wobei der Übergang von der Belastungsintensität abhängt ("Die Fette verbrennen im Feuer der Kohlenhydrate").
• Bei sehr intensiven aeroben Anforderungen werden so gut wie ausschließlich Kohlenhydrate verbrannt.
• Bei extensiveren, länger dauernden Belastungen werden umso mehr Fettsäuren verbrannt.
• Bei intensiven Ausdauerbelastungen wird die Glukose zum Teil unvollständig verbrannt, es müssen sich Laktatbildung (anaerob) und Laktatabbau (aerob) die Waage halten, um eine Übersäuerung zu vermeiden.
• Dies entspricht der individuell maximal möglichen Intensität, die über einen längeren Zeitraum aufrecht erhalten werden kann, der sog. "Schwellenleistung" an der aerob-anaerobe Schwelle bzw. Dauerleistungsgrenze.
• Die muskulären Glykogenreserven sind bei intensiver Dauerbelastung nach 60 bis 90 Minuten weitgehend erschöpft.
• Der Muskelstoffwechsel ist nun auf eine vermehrte Fettverbrennung angewiesen, wobei diese Energiebereitstellung mehr Sauerstoff benötigt und langsamer erfolgt (niedrigere Energieflussrate).
• Eine Verminderung der Belastungsintensität ist in der Regel notwendig.