Sportbiologische Grundlagen
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Vers. 2010 Autor: Mag. VOCK Andreas Sportbiologische Grundlagen Aus Sicht der … BIOLOGIE / ANATOMIE / PHYSIOLOGIE Strukturelle / Funktionelle Anpassung Herz – Kreislaufystem, Muskulatur, Nervensystem, Knochen, Gelenke, Bänder, Sehnen, Stoffwechselsystem, Hormonsystem, Immunsystem, Psyche… TRAININGSLEHRE Systematischer, planmäßiger Prozess Strukturanalyse, Leistungsdiagnostik, Trainingsprinzipien, Belastungskomponenten, Trainingsmethoden, Trainingsinhalte…. 1 3 Zelle Gewebe Einzelorgane Organsysteme Organismus 4 2 5 Bindegewebe: + Embryonales Gewebe: - kann sich als einziges in alle anderen Gewebe umbilden + Fettgewebe: - kosmetische, schützende und speichernde Funktion Knochengewebe: Druck – Zug und Scherbelastung – Aufbau - (pathologische) Osteoporose Knorpelgewebe: + elastischer Knorpel (Ohrmuschel) + Faserknorpel (Bandscheibe) + Hyaliner Knorpel (Gelenksflächen) Muskelgewebe: - quergestreifte Skelettmuskulatur willkürliche) - glatte Muskulatur (unwillkürliche, an den Gefäßen, inneren Organen) - Herzmuskulatur (Mischform) Nervengewebe: - ZNS (zentrales NS: Gehirn, Rückenmark) - PNS (alle peripheren Nerven,z.B. Ischias) - VNS ( steuert die inneren Organe, „Solar Plexus“) 6 3 Animalisches Nervensystem (zerebrospinale NS) Vegetative Nervensystem (unwillkürliche / autonome NS) Sensorische NS motorische NS Sympathikus (aktivierend) Signale aufnehmen, weiterleiten und verarbeiten Steuerung der willkürlichen Muskeltätigkeit Paraympathikus (beruhigend) Afferente Nervenbahnen Efferente Nervenbahnen 7 (SENSOMOTORIK) ZNS Sensorischer Input Motorischer Output SINNESWAHRNEHMUNG - Gleichgewichtsorgan - Augen, - Tastsinn - Propriozeptoren (Muskel, Sehne, Gelenk) 8 4 Abb.: Aufnahme, Bewusstmachung, Verarbeitung und Abgabe von Informationen (Markworth, Sportmedizin, S. 81) 9 10 5 Bei der Propriozeption handelt es sich um einen Teilaspekt im Bereich der Koordination. Sie umfasst die Gleichgewichtsfähigkeit sowie die Anpassungs- und Reaktionsfähigkeit. Auch als Tiefenstabilität bezeichnet, dient die Propriozeption der Orientierung des Körpers im Raum durch Wahrnehmung über Stellung und Bewegung unserer Gelenke. 11 Die Afferenzen (Rückmeldungen) von Muskelspindeln, Sehnenspindeln, Gelenkssensoren und Sensoren der Haut liefern Informationen über Stellung und Bewegung der Gelenke. Sie bilden somit die sensorische Rückmeldung des Gelenks. Hinzu kommen Informationen von den Augen (visuelles System) und aus dem vestibulären System. Diese Informationen bilden die Grundlage für sinnvolle und koordinierte Bewegungen 12 6 Koordinatives Zusammenspiel abhängig von der Leistungsfähigkeit des sensomotorischen Systems! Mechanozeptoren 1] Muskelrezeptoren 2] Sehnenrezeptoren 3] Gelenksrezeptoren 4] Bewegungs- und Beschleunigungsmelder 5] Endbewegungsmelder 6] Schadensmelder 7 ] Hautrezeptoren 13 Ein in allen Bereichen gut zusammenspielendes System garantiert somit: • eine Optimierung von Haltungs- und Bewegungsabläufen • eine Verbesserung der Bewegungsökonomie • eine Bewegungssicherung für die Aktivitäten des täglichen Lebens • eine wertvolle, unverzichtbare Verletzungsprophylaxe • eine rasche Therapie – Rehabilitationsmaßnahme nach Verletzungen • einen erster Muskelaufbau • Steigerung der Maxkraft bei Anfängern und Senioren • eine Möglichkeit des Aufwärmens 14 7 Es gibt kein isoliertes Propriozeptionstraining sondern nur Sensomotoriktraining!!!! 15 Sonne: Ursprung aller biologisch verwertbaren Energie Pflanzen: verwenden die Sonnenenergie und speichern diese als Bindungsenergie Strahlungsenergie Photosynthese !!! => Chemische Substanz: ATP Die Pflanzen nutzen diese Energie um aus CO2 und H2O Kohlenhydrate, Aminosäuren und Proteine zu synthetisieren. Tierische Organismen (inkl. Menschen) nutzen die von den Pflanzen zur Verfügung gestellten Stoffe direkt als Nährstoffe. Synthesevorgänge der Pflanzen werden umgedreht (Endprodukte CO2 u. H2O) Die freiwerdende Bindungsenergie wird zur Produktion von ATP verwendet => ATP als universeller Energieträger 16 8 17 18 9 Transport O2, CO2, Wasser, Nährstoffe, Hormone, Abwehrstoffe, Medikamente,... Regulation Wärme, Wasser, Blutdruck, pH Abwehrstoffe Blutgerinnung 19 Herz Druck- und Ansaugpumpe des Kreislaufsystems Gefäße Transportwege Blut Transportmedium Lunge Sauerstoffaufnahme - Kohlendioxidabgabe 20 10 21 Muskelschicht (Myokard) – Herzmuskelzellen, viele Mitochondrien Herzinnenhaut (Endokard) Herzaussenhaut (Epikard) Herzbeutel (Perikard) + Flüssigkeit (Bewegung) Bindegewebe Zwei Pumpen – Rechte Herzhälfte (Hochdrucksystem) - Linke Herzhälfte (Niederdrucksystem) Zwei Vorhöfe (Atrium) – Sammeln Blut Zwei Kammern (Ventrikel)- Pumpen Blut Herzscheidewand (Septum) – Trennwand Systole – Herzmuskelkontraktion Diastole – Muskelerschlaffung Herzklappen – Ventile (Ventilebene) – Blut nur in eine Richtung Mistral-/ Aorten- / Trikuspidal- / Pulmonalklappe - Papillarmuskeln Reizleitung – Sinusknoten / AV Knoten / Hissche Bündeln / Kammerschenkel / Purkinje Fasern 22 11 EKG = Elektrokardiogramm (Herzstromkurve) 23 KLEINER (LUNGEN-) KREISLAUF re. Kammer t Lunge t li. Vorhof Arterien: O2 ª CO2 © Venen: O2 © CO2 ª GROSSER (KÖRPER-) KREISLAUF li. Kammer t Körperorgane t re. Vorhof Arterien: O2 © CO2 ª Venen: O2 ª CO2 © 24 12 Arterien / Arteriolen – leiten Blut vom Herz in die Peripherie Regulierung des peripheren Gefäßwiderstandes - Blutverteilung Vasokonstriktion (eng stellen) – Vasodilatation (weit stellen) Kapillaren – (Haargefäße) – Austausch von Sauerstoff und Nährstoff Hauptteil des Gefäßsystems Verschluss der meisten Kapillare unter Ruhebedingungen (3/4) Venen / Venulen – leiten Blut von der Peripherie zum Herz Blutreservoir des Körpers (Ruhe ½ des Blutes im venösen Netz) Muskelpumpe / Venenklappe Arteriovenöse Anastomosen – Kurzschlußverbindungen zwischen Arteriolen und Venulen 3 Schichten - Intima – spiegelglatte Oberfläche - Media - ringförmig angelegte glatte Muskeln - Adventitia – äußere bindegewebsartige Schicht 25 26 13 27 28 14 Herzfrequenz (HF) Ruhe HF 40 - 90 / min. Arbeits HF HF max (ALTER!!!) Belastung © Leistung © =bleibt gleich Schlagvolumen (SV) 75 ml / Schlag Topsportler: 180ml Belastung © Herzminutenvolumen (HMV) 5 l / min. Belastung © leistungsentscheidende Größe !!! Bis zu 30 – 40 l/min Blutdruck (RR) 90 – 140 / 60 – 85 Elektrokardiogramm (EKG) Registrierung elektrischer Veränderungen bei Herzmuskelaktionen Ergometrie = EKG unter definierter Belastung Gewicht 200 – 300g (kritisch >500g) Belastung © 29 Gastransport O2, CO2 Stofftransport Nährstoffe, Stoffwechselprodukte, Hormone, Medikamente Infektionsabwehr Antikörper, Abwehrzellen Blutgerinnung Pufferung Milchsäure Wärmeregulation Hautdurchblutung t „Abwärme“ Wasserhaushalt 30 15 31 32 16 Gesamtblutmenge © (Hyperplasie) O2 – Transportkapazität © HÖHENTRAINING Anzahl rote Blutkörperchen © pO2 ª O2 – Transportkapazität © Leistung © Enzymaktivitäten © 33 Gasaustausch (O2, CO2) Ausscheidung (Wasserdampf) ÄUSSERE ATMUNG O2 ARTERIELLES BLUT O2 CO2 VENÖSES BLUT CO2 INNERE ATMUNG 34 17 Kehlkopf Luftröhre Bronchien Lungenbläschen (Alveolen) 35 Physiologie / Belüftung (Ventilation) BRUSTATMUNG Lungenfell Brustkorberweiterung (aktiv-Atemmuskeln) Rippenfell + Muskulatur Einatmung BAUCHATMUNG Brustkorbverkleinerung (passiv-Schwerkraft) Zwerchfellkontraktion Einatmung Ausatmung Zwerchfell Zwerchfellerschlaffung Ausatmung 36 18 ATMUNGSSYSTEM atemphysiologische Werte Atemzugvolumen 0,5 l bei Belastung © Atemfrequenz 16 – 20 / Min. bei Belastung © Atemminutenvolumen 8 – 10 l bei Belastung © Vitalkapazität 3–5l Forciertes Exspirationsvolumen 70% der VK innerhalb der 1. Sek. Sauerstoffaufnahme 300 ml / Min. Residualvolumen 1–2l Totraum 150 ml bei Belastung © 37 Perfusion © (Durchblutung) Diffusion © (passiv, entsprechend Druckgradienten) Ventilation © (Belüftung) Atemfrequenz © Atemzugvolumen © Atemminutenvolumen © Sauerstoffaufnahme © ATMUNGSSYSTEM IST NUR BEDINGT LIMITIEREND FÜR AUSDAUERLEISTUNG ! ! 38 19 morphologisch 2x funktionell Vitalkapazität © Atemminutenvolumen © Sauerstoffaufnahme © in Ruhe: Atemfrequenz ª Atemzugvolumen © 39 * Vergrösserung des Herz – Lungenvolumens (Ökonomisier. vs Sportherz) * Erhöhung der Blutmenge * Senkung von Ruhe- und Arbeitspuls * Verbesserung der Sauerstoffaufnahme (VO2max(ml/kg/min)) * Verbesserung der Atmungsökonomie (Atemäquivalent) * Verbesserung der Kapillarisierung * Blutdrucksenkung * Erhöhung des HDL (guten) Cholesterins * Bessere Konzentration, besserer Schlaf, schnellerer Abbau von Streßhormonen * Schnellerer Abbau von Stoffwechselendprodukten … 40 20 Körperhaltung Fortbewegung passiver Knochen Knorpel Gelenke Bänder Sehnen Bewegungsapparat aktiver Muskeln 41 42 21 - Schutzfunktion - Gerüstwerk - Erscheinungsbild - Stoffwechsel 43 - organischer Anteil: kollagene Fasern - anorganischer Anteil: Calciumphosphat - ständiger Um- und Anbau, der Belastung entsprechend - außen von einer harten dichten Schale umgeben (Compacta) - im Inneren Bälkchen (Trabekeln), der Belastung entsprechend - Entstehung meist aus Knorpelvorlage, die zu verknöchern beginnt - am Ende der Pubertät ist der Knochen fertig verknöchert - weicht auf Druck aus und wächst auf Zugbelastung - wird außen durch die Beinhaut (gefäß- und nervenreich) ernährt - beim Röhrenknochen kann man unterscheiden: - 2 Endteile (Epiphysen) - Schaft (Diaphyse) 44 22 Endstück mit Gelenksfläch e Mittelstück Wachstumsfugen Endstück mit Gelenksfläche Knochenbälkchen mit Knochenmark Gelenksknorpel Knochenhaut kompakte Hülle Fettmark 45 46 23 Gelenkspfanne Gelenkskapsel Gelenksspalt mit Gelenksflüssigkeit Gelenksinnenhaut Gelenkskopf Gelenksknorpel 47 Bewegungsausmaß gegeben durch: Gelenksflächen Bänder Muskulatur Gelenksknorpel und Gelenksflüssigkeit ermöglichen reibungsloses Gleiten Gelenksknorpel fängt Druckbelastung auf (Stoßdämpfer) Ernährung des Gelenksknorpels über Gelenksflüssigkeit Gelenksflüssigkeit erhöht Adhähsionskraft Gelenksknorpel praktisch nicht regenerationsfähig Knorpelschaden Beweglichkeit ª Schmerzen © 48 24 straffes Bindegewebe außerhalb der Gelenke 49 straffes Gewebe t Elastizität ª, Festigkeit © statische Verstrebung erspart Muskelarbeit (cross links) schlecht durchblutet t gut und entsprechend lange aufwärmen höhere Reißfestigkeit als Muskelgewebe Bänder unterliegen sehr hohen funktionellen Beanspruchungen 50 25 (Hypertrophie) t Stärkung der Bänder regelmäßiges Training t Elastizität ©, Festigkeit © ständige Überlastung t Abnützungserscheinungen, Verletzungsgefahr © 51 Gag…Glykosaminogkykane 52 26 53 - Körperhaltung und Bewegung Motor des Bewegungsapparates statisch dynamisch - Blutzirkulation Muskelpumpe - Körperwärme Abwärme der Muskelarbeit - Aussehen - Schutzfunktion ca. 40% des KG sind Muskeln passiv / dynamischer Weichteilschutz (Bauch) dynamische Schutzfunktion für Gelenke, Bänder, Knochen (Muskelhemmung, Zuggurt) 54 27 glatter Muskel Herzmuskel Skelettmuskel Ermüdbarkeit – – + Willkürliche Beeinflussbarkeit – – + 55 56 28 57 „elektrischer“ Reiz a Verkürzung (ca. 30%) * max. 40% aller Muskelzellen gleichzeitig kontrahiert * fliegender Wechsel mit ruhenden Muskelzellen * bei Reflexen/elektr. Strom bis zu 100% (Zerreißungen) * Kraftentwicklung streng ökonomisch * Grundspannung = Muskeltonus * Energieverbrauch Muskeltonus Arbeitsleistung 58 29 • Vergrößerung der Muskelmasse • mehr Muskelfasern gleichzeitig zu rekrutieren d.h. die intramuskuläre Koordination (IK) verbessert sich (ohne Massenzunahme) • Verbesserung der Technik der Übungen durch bessere intermuskuläre Koordination • Erhöhung des ATP-, Creatinphosphat- und Glykogenvorrates im Muskel. 59 60 30 Bei submaximalen Belastungen bis zum ermüdungsbedingten Abbruch kommt es zu einem grenzwertigen Bedarf an Energie. Dadurch kommt es zu einem Energiemangel bei der Proteinsynthese während der Belastung -> Hypertrophie durch Gesteigerte Resynthese nach der Belastung !!! Durch die mechanische Zerstörung von Myofibrillen (Risse an den Z – Scheiben) durch eine trainingsbedingte Ausbelastung (hohe und höchste Lasten – bei vorallem ungewohnten oder exzentrischen Belastungen) wird im Anschluß ans Training ein erhöhter Proteinanabolismus (Repairmechanismus) ausgelöst. -> Hypertrophie durch Bildung von Tochterfibrillen !!! 61 Morphologisch Neubildung von Myofibrillen (Hypertrophie) (Hyperplasie nur bei Spitzenkraftsportlern) Funktionell INTRAMUSKULÄR Rekrutierung © Synchronisation © Frequenzierung © Verbesserung der Nerven – Muskelkoordination (= Lerneffekt) INTERMUSKULÄR 62 31 63 64 32 7 Halswirbel 12 Brustwirbel (tragen Rippen) Bandscheiben 5 Lendenwirbel Kreuzbein „Doppel – S“ – Form t Muskelarbeit ª t Belastungsstöße ª * Stabile Körperachse * gute Beweglichkeit: 1.)Rotation (Rumpfdrehung) 2.)Seitwärtsneigung (Rumpfbeugen seitwärts) 3.)Beugen / Strecken (Rupfbeugen vor- und rückwärts) Steißbein 65 Globale Muskelstrukturen [lumbaler Bereich] Rückenstrecker [m. errector spinae] Bauchmuskulatur [differenzierte Anteile] 66 33 67 68 34 Lokale Stabilisatoren [lumbaler Bereich] Zwerchfell m. transversus abdominis mm. multifidii [spinale System] Beckenboden 69 Lokale Stabilisatoren [lumbaler Bereich] mm. multifidii mm. rotatores longi et brevi [spinale System] 70 35 Lumbale Stabilisation Zwerchfell Globale Muskeln Lokale Stabilisatoren Beckenboden 71 Training auf labilen und instabilen Unterstützungsflächen 72 36 I. Aktivierung der „lokalen“ Stabilisatoren II.Training der „globalen“ Muskelstrukturen III. …gemeinsam 73 74 37 75 Ziele der muskulären Stabilisation im Schultergelenk : I. „Zentrierung“ II. „Distanzhalter“ III. „Feed-forward“ 76 38 Ziel I: „Zentrierung“ [Rotatorenmanschette] 77 78 39 Ziel II: „Distanzhalter“ 79 Impingement ‐ Problematik 80 40 Training der Schulterblattfixatoren 81 82 41 83 Ziel III: „Feed‐forward“ Die Leistungsfähigkeit des sensomotorischen Systems ermöglicht die „Feed – forward – Aktivität“ Prä ‐ aktivierte Muskelkontrolle in Erwartung auf Belastung oder einer folgenden Handlung! [Hape Meier, 2008] 84 42 „Schmerzen führen dazu, dass die primär stabilisierende Muskulatur nicht vor, sondern gleichzeitig mit den bewegenden Muskeln rekrutiert werden [Hodges 1996, 1998, 1999].“ 85 86 43 ... Fä Fähigkeit zur Realisierung von mö möglichst groß großen Schwingungsweiten (Bewegungsamplituden) in einem oder mehreren Gelenken ... Gelenkigkeit: Dehnfähigkeit: betrifft betrifft Muskeln, Sehnen, Gelenke u. Bä Bänder 87 Die Beweglichkeit in einem Gelenk hängt ab vom: 1)GELENK (Bewegungslimitierende Faktoren – Bauart, Knochen, Gelenksflächen, Schleimbeutel…) 2) MUSKEL - verkürzte Strukturen (Dehnfähigkeit) - Abgeschwächte Strukturen (phasische Muskelstrukturen) 88 44 89 Körperliche Arbeit produziert Wärme! 1°C Körpertemperaturanstieg bewirkt ~ 13% schneller ablaufende biochemische Prozesse! Es gibt dabei jedoch eine Obergrenze ab der die Temperatur leistungsnegativ wirkt! (39-40°C) Grund ist die erhöhte Schweißabgabe verbunden mit einer Dehydration! Wärmeproduktion Wärmeabgabe (Verdunstungskälte, Temperatur, Wind…) Der menschliche Körper benötigt eine erhebliche Menge an Energie und Blutzufuhr zum Kühlen (ca. 75%). Nur ca. 25 % werden wirklich für sportliche Bewegung genutzt! 90 45 Wenn man den Körper vor der körperlichen Belastung (als Ursache der Wärmeproduktion) kühlt, führt das zu einer Erhöhung des O2 Pulses (Sauerstoffmenge pro Herzschlag): - Vergrößerung des Herzschlagvolumens - Verbesserung der Ausnutzung des Sauerstoffgehaltes des Blutes Vielzahl an Untersuchungen zeigen dass durch einen „Kaltstart“ Leistungsverbesserungen in der ersten ¼ Stunde etwa um 17% möglich sind! ABER ACHTUNG!!! – Art der Belastung Primäraufgabe der Temperaturregelung ist es, trotz der Schwankungen von Wärmeaufnahme, Wärmebildung und Wärmeabgabe die Körpertemperatur möglichst konstant zu halten! 91 92 46 93 47