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Skript
SPORTBIOLOGIE
1. Passiver Bewegungsapparat
2. Aktiver Bewegungsapparat
3. Energiebereitstellung im Muskel
3.1 Anaerobe Energiegewinnung
3.2 Aerobe Energiegewinnung
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Die Sportbiologie ist ganz allgemein die Lehre vom Leben des Menschen bzw. von dessen
Lebensvorgängen in Bezug auf Sport. Sportbiologie bildet zusammen mit Sportmedizin die
Grundlage für Disziplinen wie Trainingslehre oder Ausdauer- und Krafttraining. Sie ist
sowohl für den Leistungssport als auch für den Breitensport unabdingbar.
1. Passiver Bewegungsapparat
Im Spitzensport stellt der passive Bewegungsapparat (vor allem Knochen, Gelenke, Knorpel
und Bandapparat) oft die leistungsbegrenzende Größe sportlicher Höchstleistung dar.
Dies wird klar, wenn man sich vor Augen führt, welch enorme Belastungen auf die einzelnen
Teile des passiven Bewegungsapparats beim Sporttreiben wirken. Sinnvollerweise reagiert
aber auch der passive Bewegungsapparat mit entsprechenden Anpassungserscheinungen auf
sportliche Belastung.
Der Knochen zum Beispiel ändert seine Architektonik, was zu einer erhöhten
Widerstandskraft in Richtung der Hauptbeanspruchung führt. Im Bereich der langen
Röhrenknochen kommt es bei Trainierten zu einer erheblichen Dickenzunahme der
Knochenrinde. Mechanische Belastung führt zu einer Verstärkung der
Knochenbälkchenstruktur der Schwammsubstanz (Substantia spongiosa).
M. Winkler 2007
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Des Weiteren kommt es bei kurzzeitiger Belastung akut zu einer Dickenzunahme des
Knorpels der Gelenkflächen, und zwar durch Flüssigkeitsaufnahme. Der Knorpel saugt sich
quasi mit Gelenkflüssigkeit (aus der Gelenkschmiere) voll, wodurch er gegen hohe Druckund Scherkräfte resistenter wird. Wichtig dafür ist das Warmlaufen vor dem eigentlichen
Aufwärmen!
Bei längeren Belastungen (durch regelmäßiges Training) kommt es zu einem
Dickenwachstum des Knorpels, wodurch dieser erhöhte mechanische Belastungen- wie sie
im Sport vorkommen- ohne Gelenkbeschädigungen bewältigen kann
Durch Training werden auch der Sehnenquerschnitt sowie Zug- und Rissfestigkeit der
Sehnen erhöht.
Vergleichbare Anpassungserscheinungen ergeben sich für den Bandapparat.
Zusammenfassend kann man feststellen: Mehrbelastung im Sinne von Sporttreiben in
vernünftigem Rahmen führt zu einer Kräftigung, Minderbelastung hingegen zu einer
Schwächung von Knochen, Knorpel, Sehnen und Bändern (vgl. Weineck, Sportbiologie).
2. Aktiver Bewegungsapparat
Im Sport spielt die menschliche Muskulatur durch die Bewegungsmöglichkeiten, die sie dem
Sportler erschließt, und ihre spezifischen Anpassungserscheinungen eine zentrale Rolle.
Man unterscheidet drei Arten des Muskelgewebes:
1. glattes Muskelgewebe,
2. Herzmuskelgewebe, sowie
3. Skelettmuskelgewebe.
Der Skelettmuskel, welcher im Sport den wichtigsten Part spielt, setzt sich zu 70-80% aus
Wasser, zu 15-20% aus Proteinen sowie zu 3-4% aus Elektrolyten zusammen, je nach Alter,
Ernährung und Trainingszustand.
M. Winkler 2007
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Beim hochausdauertrainierten Sportler spielen sich unter Belastung ca. 90-95% des gesamten
Stoffwechsels in der Muskulatur ab.
Wie Röhren dicht aneinandergelegt bilden viele Muskelfasern den Skelettmuskel.
Eine Muskelfaser wiederum besteht aus mehreren 100 bis 1000 parallel verlaufenden
Myofibrillen. Diese setzen sich schließlich aus tausenden von Muskelfilamenten zusammen.
Dabei handelt es sich um zwei Gruppen von Proteinstrukturen: dünne Aktinfilamente und
dicke Myosinfilamente.
M. Winkler 2007
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Die Muskelkontraktion wird durch die Gleitfilamenttheorie erklärt, wonach sich die
Myosinköpfe an die Aktinfilamente binden, dann kippen und somit beide Filamente in
Längsrichtung aneinander vorbeigleiten, wodurch sich ihr Überlappungsbereich vergrößert.
Ausgelöst wird die Muskelkontraktion durch einen elektrischen Impuls, der die Muskelfaser
über den dazugehörigen Nerv an der motorischen Endplatte erreicht.
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3. Energiebereitstellung im Muskel
Für die oben beschriebene Gleitfilamenttheorie ist das Myosinfilament auf Energie allein in
Form von ATP (Adenosintriphosphat) angewiesen.
Da der Vorrat an energielieferndem ATP sehr begrenzt ist, existieren verschiedene Wege der
ATP-Resynthese:
3.1 Anaerobe Energiegewinnung
Anaerob-alaktazide Energiegewinnung
Die in der Muskulatur enthaltene Konzentration von ca. 5 mmol ATP pro 1g
Muskelfeuchtgewicht reicht nur für etwa 2-3 Sekunden maximaler Muskelkontraktion aus.
Bei hochintensiven Belastungen und hoher Energieanforderung in der Muskulatur dominiert
die Resynthetisierung von ATP aus dem energiereichen Phosphatpool, dem Kreatinphosphat
(CrP). Man bezeichnet ATP und CrP auch als die „energiereichen Phosphate“:
CrP + ADP Æ ATP + Cr
Die Speichermenge an Kreatinphosphat liegt bei etwa 15-19 mmol pro 1g
Muskelfeuchtgewicht. Mit dieser vorhandenen Energiemenge kann man bei maximaler
Muskelkontraktion lediglich einen Zeitraum von 5-8 Sek. abdecken. Das die Spaltung von
CrP katalysierende Enzym ist die Kreatinkinase (CK).
Eine weitere Möglichkeit der anaerob-alaktaziden Energiebereitstellung mit sehr geringer
Kapazität stellt der weitere Abbau von AMP (Adenosinmomophosphat) zu IMP (Inosin-5Monophosphat) unter Abspaltung von NH3 dar (Purinnukleotidzyklus).
AMP wird damit irreversibel aus folgender Reaktion entfernt, wobei diese weiterhin in
Richtung AMP unter Bildung von ATP laufen kann:
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ADP + ADP Æ ATP + AMP
AMP + H2O Æ IMP + NH3
Insgesamt gesehen sind über die energiereichen Phosphate ATP und CrP maximale
Muskelkontraktionen von etwa 10-12 Sekunden durchführbar.
Praxisbeispiele für anaerob-alaktazide Energieproduktion:
Starts bei Sprintern, Gewichtheben, Sprünge bei Volleyballern + Basketballern, Tennis und
Tischtennis, Torwarte bei Handball und Fußball, Hochsprung, Diskus- und Speerwurf,
quasi bei allen explosiven, kurzen, schnellen und kraftvollen Bewegungen.
Anaerob-laktazide Energiegewinnung
Wird eine hochintensive Belastung länger als 10-15 Sekunden mit maximaler
Muskelkontraktion aufrechterhalten, so betreibt der Organismus vermehrt den anaeroben
Abbau von Kohlenhydraten (Glykogen, Glukose, Fructose), also Milchsäuregärung.
Hierbei werden die Kohlenhydrate zuerst in der sogenannten Glykolyse über zahlreiche
Zwischenschritte bis zum Pyruvat (Brenztraubensäure) abgebaut (Dieser Abbauweg der
Glukose ist identisch mit dem der aeroben Energiebereitstellung- siehe Abb. 20).
Die darauf folgende Reaktion zu Lactat dient der Regeneration von NAD+
für die Glykolyse.
Pro mol Glukose entstehen bei der Milchsäuregärung nur 2 mol ATP.
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Das in der Muskelzelle gebildete energiereiche Lactat kann dort nicht weiterverarbeitet
werden. Es wird darum ins Blut abgegeben und kann im Herzmuskel, im ruhenden
Skelettmuskel sowie in der Leber als Energiedonator dienen.
Im Herzmuskel zum Beispiel wird Lactat über Pyruvat in den Citratzyklus eingeschleust.
In der Leber kann Lactat wieder zu Glykogen (Speicherstoff) resynthetisiert werden.
Praxisbeispiele für anaerob-laktazide Energieproduktion:
Kurz dauernde Belastungen wie 100-, 200-, 400- und 800-m-Lauf, sowie andere
hochintensive Aktivitäten, die zwischen 2 und 3 Minuten dauern.
Zu Beginn einer Belastung ist die Energielieferung unabhängig von der Intensität immer
anaerob.
Die Laktatbildung spielt in der Belastungssteuerung und der Leistungsdiagnostik eine
entscheidende Rolle.
Die anaerobe Schwelle liegt bei 4 mmol Lactat/l und gibt Auskunft über die Auswirkungen
des Trainings auf den nutzbaren Anteil der maximalen Sauerstoffaufnahme für
Ausdauerbelastungen. Ausdauerathleten im Marathon, Triathlon, Radsport sowie 10000-mLauf trainieren an dieser Schwelle.
Dagegen nutzen Ball- und Spielsportler für ihr Training die aerobe Schwelle, die bei ca. 2
mmol Lactat/l liegt, da das Training an der anaeroben Schwelle für sie in der Regel zu
intensiv ist.
In Abbildung 23 ist dargestellt, wie unterschiedlichen Intensitätsbereichen gängige Begriffe
aus dem Ausdauertraining für Läufer zugeordnet werden können.
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3.2 Aerobe Energiegewinnung
Die aerobe Energiegewinnung aus Kohlenhydraten
Wenn Belastungen länger als 2-3 Minuten aufrechterhalten werden sollen, wird die Energie
über die oxidative Energiegewinnung im Organismus bereitgestellt. Wenn nun eine
ausreichende ADP-Bereitstellung vorliegt, und wenn gleichzeitig eine ausreichende
Sauerstoffversorgung der Mitochondrien gewährleistet ist, kann das Pyruvat in das
Mitochondrium eingeschleust werden.
Durch Abspaltung von CO2 und Bildung von NADH/H+ (Reduktionsäquivalente) aus NAD+
entsteht in einem komplexen Reaktionsablauf die aktivierte Essigsäure (Acetyl-CoA).
Der weitere Abbau des Acetyl-CoA erfolgt in zwei Serien von Reaktionen, die man als
Citratzyklus und Atmungskette bezeichnet. Beide laufen in den Mitochondrien ab.
Aus einem Citratzyklus gehen 8 Reduktionsäquivalente, sowie zwei ATP hervor.
Die Reduktionsäquivalente aus Glykolyse und Citratzyklus treiben wiederum eine
Elektronentransportkette (Atmungskette) an, wodurch es an der inneren
Mitochondrienmembran zu einem Protonengradienten kommt. Dieser treibt das Enzym
ATP-Synthetase an, welches aus ADP und Phosphat ATP regeneriert.
Gesamtbilanz der aeroben Energiegewinnung:
C6H12O6 + 36 ADP + 36 P +6 O2 Æ 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP
Die aerobe Energiegewinnung aus Fetten
Fette sind die zweitwichtigste Energiequelle des Organismus. Die Fettvorräte stellen dabei
eine nahezu unerschöpfliche Energiereserve dar.
Die in der Muskulatur verbrannten Fette stammen nur zu ca. 50 % aus den muskulären
Triacylglyceriddepots.
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Die Gesamtenergieausbeute aus Palmitinsäure (Fettsäure mit 16 C-Atomen) liegt mit 129
Molekülen ATP wesentlich höher als bei den Kohlenhydraten.
Die Verwendbarkeit der Fette wird einerseits durch den langsamen Abbauprozess der freien
Fettsäuren eingeschränkt, zum anderen wird pro bereitgestelltes ATP ca. 16% mehr
Sauerstoff benötigt. Das ist darauf zurückzuführen, dass die freien Fettsäuren im Vergleich
zu den Kohlenhydraten weniger Sauerstoffmoleküle pro C-Atom enthalten.
C51H98O6 + 72,5 O2 + 8 H2O + 129 ADP + 129 P Æ 51 CO2 + 49 H2O + 129 ATP
Die aerobe Energiegewinnung aus Proteinen
Nur in bestimmten Situationen, wie beispielsweise einem Marathon oder Triathlon mit sehr
langem und hohem Energieumsatz, werden Proteine zur Energiebereitstellung
herangezogen.
Der Proteinanteil an der Gesamtenergiebereitstellung kann dann zwischen 10 und 15 %
betragen.
Chemisch gesehen wird zunächst der Stickstoff abgespalten. Danach kann der Metabolit je
nach Anzahl der C-Atome in verschiedene Bereiche des Kohlenhydratstoffwechsels eintreten
und je nach Bedarf zum Abbau zu Acetyl-CoA oder zum Aufbau von Glukose verwandt
werden.
Das dabei entstandene Ammoniak wird in der Leber in den ungiftigen Harnstoff überführt und
über die Niere ausgeschieden.
Jede einzelne Sportart oder Disziplin weist ein spezifisches Energieanforderungsprofil
auf.
Durch sportmedizinische Tests kann man dieses Profil jeweils relativ genau bestimmen bzw.
analysieren. Es dient im Training u.a. als Anhaltspunkt und Orientierung für die Gestaltung
des Konditionstrainings.
Abbildung 23 zeigt, wie man eine Milchsäure-Herzfrequenzkurve in verschiedene
Trainingsformen übertragen kann.
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