Energiebereitstellung

WS 02/03
Physiologie
Dr. Smekal
Energiebereitstellung:
Die Energiebereitstellung und ihre Substrate:
Kreatinphospaht
ADP
KH (anaerob)
KH (aerob)
Fette
(Eiweiß
Kreatin
ATP
Laktat
H2O + CO2
H2O + CO2
H2O + CO2)
Der Energie – STW der Muskelzelle:
Glukose – 1P
Glukose – 6P
Fruktose – 6P
Pyruvat
Acetyl - CoA
Glykogen
Zytoplasma
Laktat
Fettsäuren
anaerob
Aminosäuren
Oxalacetat
Succinat
O2
Zitratzyklus
Citrat
??
??
2eH+
ADP + P >>> ATP
O2
a – Ketogluturat
Atmungskette
Mitochondrien
aerob
+ O2 = H2O
venöse Kapillare
CO2
H2O
Die Energieträger:
„Energiereiche Phosphate“
Beispiel für einen 70 kg schweren Mann mit 30 kg Muskelmasse:
Konzentration pro kg Muskelmasse
Konzentration in allen Muskeln
Energiegehalt pro mmol
Energie pro kg Muskelmasse
Energie in allen Muskeln
Kap. Energetik
Einheit
mmol/kg
mmol
kcal / mmol
kcal / kg
kcal
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ATP
6
180
0,01
0,08
1,8
CP
28
840
0,01
0,28
8,4
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Kohlenhydrate (intramuskulär):
Muskelglykogen:
hängt ab: von einer Vielzahl von Faktoren (z.B. Ernährung, Muskelmasse, der
Muskelfaserzusammensetzung, …)
Menge wird daher variabel angegeben: zwischen 1200 und 2000 kcal
Leberglykogen:
50 bis maximal 110g Glykogen. Dies entspricht einer Energiemenge von etwa 200 bis max.
450 kcal.
Exogen zugeführtes bzw. oxidiertes KH (Tracer Studie):
Oxidation von Exogenem KH
4,5G = 4,5 g/l Glukose im Getränk
17G = 17 g/l Glukose im Getränk
17 MD = 17 g/l Maltodextrin im G.
250
200
150
verabr.
res.
100
oxid.
50
42
31,5
39,1
0
4,5G
17G
Fahrrad – Ergo: 70 % VO2max
Dauer: 80 min
KH- Oxidation in 80 min:
40g = etwa 30g pro Stunde
123 kcal/h
17MD
„Milchmädchenrechnung“
Beispiel Spitzensport (Marathon, Olymp. Triathlon)
Mann etwa 70 kg
2h (kurz)
VO2 (%max)
Energie – aerob
Energie – anaerob
Verbr. – ges. (kcal)
Verbr. (kcal/min)
75 – 85 %
95 %
5%
ca 2400
20
Hypothese: selbst wenn der Arbeitsmuskulatur 700 kcal
an KH zur Verfügung stehen: +2 x 120 kcal
exogenes KH = 940 kcal.
Es ergibt sich daraus, dass nur etwa 40% der Energie
aus KH abgedeckt werden können.
Beispiel Spitzensport („Ironman“)
Mann etwa 70 kg
8 - 12h (lang)
VO2 (%max)
Energie – aerob
Energie – anaerob
Verbr. – ges. (kcal)
Verbr. (kcal/min)
60 – 70 %
unter 99%
unter 1 %
7200 – 8000
15
Kap. Energetik
Hypothese: selbst wenn der Arbeitsmuskulatur 700 kcal
an KH zur Verfügung stehen: +8 x 120 kcal
exogenes KH = 700 + 960 kcal = 1660 kcal
Es ergibt sich daraus, dass nur etwa 23% der Energie
aus KH abgedeckt werden können.
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Der anaerobe KH – STW:
Zytoplasma
Laktat
O2
anaerob
Pyruvat
Die anaerobe Produktion von Energie aus KH ist unökonomisch!
1 mol Muskelglykogen >> aerob: 36 mol ATP
anaerob: 2 mol ATP
Fette ( Fettgewebe):
Die Fette bilden das mit Abstand größte Energiedepot im menschlichen Organismus. Fett ist
auch das effizienteste Depot – Substrat im Organismus:
1 g Fett = 9 kcal (1 g KH und Protein = 4,1 kcal)
Beispiel: 70 kg schwerer Mann (mit Körperfettanteil von 15%):
Fettmenge von 10,5 kg – also eine Gesamtenergiemenge von 94500 kcal. Dazu kommt jene
Menge an Triglyceriden, die intramuskulär gespeichert ist (siehe vorher).
„Intramuskuläre“ Fette sind in Form von Fetttröpfchen in den Muskelfasern gelagert.
Proteine:
Reichlich körpereigene Proteine: Muskelgewebe, Enzyme, Hormone, Membranen, rote
Blutkörperchen, Hirnzellen, …
Problem: Aminosäuren sind funktionell gebunden (v.a. im Muskelgewebe):
Aminosäure-Pool:
AS-Umwandlung in KH und
Fette >> Speicherung
Mit der Nahrung zugeführtes
Protein bzw. Aminosäuren
AS Pool
freie AS in
Körpergeweben
und
Flüssigkeiten
AS für Energieproduktion
z.B. Leucin, Isoleuci, Valin (mindestens 6 AS)
Kap. Energetik
Synthese
Körpereiweiß
v.a Muskulatur, Plasmaeiweiße,
Hormone, …
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Konsequenzen der erhöhten Eiweiß-Oxidation
- bei kalorischer Unterversorgung
- bei Mangel an Kohlenhydraten
>> erhöht oxidiert.
und gleichzeitig erhöhtem EW – Umsatz:
katabolen Zuständen und Stickstoffverlust
>> Verminderung der Leistungsfähigkeit
Die Energieflussraten von Substraten:
(Eigene Anmerkung: Energieflussrate ist die ATP-Bildung pro Zeiteinheit: je höher die Energieflussrate, desto
höher kann die Intensität der Leistung sein (Krafteinsatz, Laufgeschw., …) – hohe Intensität >> kurze Dauer)
Fette:
Kohlenhydrate:
aerob:
ENERGIE
anaerob:
Energiereiche Phosphate:
Der Anteil der KH steigt mit der Belastungsintensität !
Energiebereitstellung bei „ Steady-State“ –
Belastungen unterschiedlicher Intensität
kcal / kg / min
300
250
200
Musk.-Glyk.
150
Musk.-Trigl.
100
Pl.-FS
Pl.-Glykose
50
0
25%
VO2max
Kap. Energetik
65%
85%
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Der Fett – STW nimmt ab einer bestimmten Intensität wieder ab !
Energy expenditure
kcal / kJ / min
80
Belastungsdauer: 30
Minuten
70
60
50
Musk.-Glyk.
40
Other fat sources
30
Pl.-FS
20
Pl.-Glucose
10
0
Rest
40%
55%
75%
% Wattmax
Es gibt ein Optimum für den Fett – STW !!!
80
300
250
200
150
100
50
0
60
40
20
0
25%
VO2max
65%
Rest
85%
40%
55%
75%
Fett – STW bei intensiver Belastung (Tracer-Study)
(Fahrradergometer, 75% VO2max, Dauer 30 min)
µmol/min/kg
% of energy expentiture
25
25
20
20
15
15
FFA Rd
10
Fat Oxidation
10
5
5
0
0
Untained
Kap. Energetik
Untained
Trained
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Trained
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Der Anteil von Kohlenhydraten, Plasma-Fettsäuren und intramuskulären
Triglyzeriden an der Energiebereitstellung vor und nach Training (Tracer-Studie)
%
100
80
CHO
Non-Plasma-FS
Plasma-FA
60
40
20
Training: 12 Wo
6 x pro Woche
45 min Rad-Ergom. bei 80% VO2max
oder Intervalltraining (1x – 3x)
+ Laufen 40 min bei 75% VO2max
Test (vor und nach dem Training):
90 – 120 min Rad-Ergom. 63 % VO2max
0
vor Train.
nach Train.
Veränderungen der Muskelzelle durch Ausdauertraining:
 Erhöhung der Sensitivität der ß-Rezeptoren
o im Fettgewebe
o aber v.a. im Muskel (intramuskuläre Triglyzeride)
 Verbesserung der Vaskularisierung der Muskelzelle >> Folgen:
o Verbesserung der lokalen Durchblutung
o Erhöhung der Kontaktfläche zwischen der Kapillare und der Muskelzelle
o Erhöhung der Zeitdauer, die der Muskelzelle zur Verfügung steht, um den
Sauerstoff in den Gefäßen aufzunehmen („O2-transmit-time“).
Metabolische und ventilatorische Aspekte bei steigenden Belastungen
Dekompensationsphase
Phase der
vorwiegend
aeroben EB
(Fette, KH, EW)
Kompensati
onsphase
VE (Ventilation in l/min =
Atemminutenvolumen)
H2O + CO2
VO2 – O2 Abgabe
in l/min
VO2 – O2
Aufnahme im
l/min
Laktat in mmol/l
H2CO3
HCO3H+ +
Puffer
H+
Belastungsintensität
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„ The Harvard Study“ (1993) – Beobachtungszeitraum: 1962 – 1977
un
de
62
0,
r5
00
50
199
9
10
00
-1
49
9
15
00
-1
99
9
20
00
-2
49
9
25
00
-2
99
9
30
00
-3
50
0
ov
er
35
00
0,
0,
46
52
62
0,
0,
63
73
0,
0,
78
1
„Relative risk of all cause mortality“
(according to physical activity)
kJ/week (kcal/week)
0,
87
0,
85
0,
85
0,
89
0,
89
0,
96
0,
99
1
„ The Harvard Study“ (1995) – Beobachtungszeitraum: 1962 – 1988
under 2100 2100-4200 4200-6300 6300-8400 8400-10500 1050012600- over 14700
(501,7) (502-1003) (1003-1505)(1505-2007)(2007-2508) 12600
14700
(3512)
(2508-3010)(3010-3512)
kJ/week (kcal/week)
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