2 - Schmelzweb
Werbung
Physiologie -2- Prof. SMEKAL Stefan ULREICH Energetik / Muskelstoffwechsel 2, Energetik / Muskelstoffwechsel Um ein Gleichgewicht zwischen Verbrauch & Zufuhr lebensnotwendiger Stoffe & Flüssigkeiten zu gewährleisten, müssen verschiedene Bilanzen berücksichtigt werden: Energiebilanz Nährstoffbilanz Flüssigkeitsbilanz Vitaminbilanz Mineralstoffbilanz ad Energiebilanz Die Umsetzung von Nahrungsenergie (+gespeichrte Nährstoffe) in mechanische Enegerie ist voraussetzung jeder physischen Aktivität. erst eine ausgeglichende Energiebilanz ermöglicht es, über einen längeren Zeitraum optimale physische Leistungen zu erbringen. Eine andauernde negative Energiebilanz (Ausgaben > Einnahmen) führt zu einer verminderten Leistungsfähigkeit und zu gesundheitlichen Problemen. Die Komponenten des 24 Stunden-Energieverbrauchs (Energiebedarfes) Der 24 Stunden Energieverbrauch (TEE= total energy expenditure) eines Menschen setzt sich im Wesentlichen aus 4 Komponenten zusammen: 1. Grundumsatz; Syn.: Ruhe-Energieverbrauch (REE=resting enegy expenditure) = etwa 60-70% des Gesamtenergieverbrauches eines Nichtsportlers. Bei Sportlern verschiebt sich der Prozentsatz. 2. Körperliche Aktivität: Tagesaktivität (tägliche normale Aktivität im (Berufs-)leben und zusätzliche sportliche Aktivität 3. Arbeitsinduzierter Thermogonese (AEE= activity related energy expenditure) = etwa 20-30% des Gesamtenergieverbrauches 4. Nahrungsinduzierter Thermogonese (DIT=diet induced thermogonese) = etwa 515% des Gesamtenergieverbrauches Der Grundumsatz Die Energiemenge, die nötig ist, um den Körper in absoluter Ruhe (Schlaf) über einen Zeitraum von 24 Stunden energetisch zu versorgen (d.h. alle Stoffwechselvorgänge wie z.B. Herztätigkeit, Atmung, etc. weiterlaufen zu lassen). Als Faustregel gilt: 1 kcal pro Stunde pro kg Körpermagergewicht bei Mageren: tatsächliches Gewicht bei Übergewichtigen: Normalgewicht Bp: Ein Mensch mit 55 kg Körper-Magergewicht benötigt: 55 x 1kcal x 24h = 55 x 24 = 1320 kcal Grundumsatz - Seite 1 - Physiologie -2- Prof. SMEKAL Stefan ULREICH Energetik / Muskelstoffwechsel Grundumsatz ist von vielen Faktoren abhängig: Der Grundumsatz ist eine große Komponente des 24h Energieverbrauchs bzw. des Gesamtenergieverbrauchs Wärmeproduktion Aufrechterhaltung von Herz- & Kreislauffunktion, Atmung, Nieren- und Hirntätigkeit Einflussfaktoren auf die Höhe des Grundumsatzes o Geschlecht (RER von Männern ist höher, als RER von Frauen) o Genetik, Hormone: Schilddrüsenhormone (T3, T4), Leptin, Adrenalin, Noradrenalin o Klima o Ernährungsgewohnheiten (beim Fasten weniger, bei Überernährung mehr) o Alter (mit zunehmendem Alter weniger) Energiegehalt von Nährstoffen – Einheit der Energie Energien werden in Joule J oder Kilojoule (kJ) gemessen. 1 Kilojoule bezeichnet jene Energie, die man braucht, um 1 kg in 1 Sekunde 1 m hoch zu bewegen. Die Einheit Kalorien ist veraltet und eigentlich nicht mehr gültig. Zur Umrechnung gilt: 1 Kilokalorie = 4,185 Kilojoule Nährstoff; Masse m=1 Energiegehalt in kJ Energiegehalt in kcal Protein 17,18 4,1 Kohlenhydrat 17,18 4,1 Fett 38,97 9,3 Alkohol 29,75 7,1 Alkohol ist damit neben den Fetten der energiereichste Energieträger Der Grundumsatz ist nach körperlichen Aktivitäten oft noch Stunden später erhöht. Die Formen der Energiebereitstellung und ihre Substrate anaerobalaktazid anaerob-laktazid aerob - Kreatinphosphat ADP Kreatin ATP KH (anaerob) Laktat KH (aerob) Fette (Eiweiß H2O + CO2 H2O + CO2 H2O + CO2) nur sehr wenig ATP und Kreatinphosphat (=energiereiche Phosphate) in Muskeln gespeichert: (ATP – 1,2 kcal Kreatinphosphat – 3,6 kcal) Daher muss ATP resynthetisiert werden. Mit Hilfe der Kohlenhydrate. Sie sind im Gegensatz zu Fetten & Eiweißen nicht nur aerob verwendbar, sondern wir können aus ihnen auch Energie gewinnen, ohne sie zu verbrennen. Fette: Körperfett - ~100 000 kcal Fett (intramuskulär) – 2800 kcal - Seite 2 - Physiologie Stefan ULREICH Energetik / Muskelstoffwechsel -2- Prof. SMEKAL (Proteine – 123 000 kcal) Nomenklatur der Energiebereitstellung Aerob = mit Sauerstoff Anaerob = ohne Sauerstoff Laktazid = mit dem Enstehen von Laktat Alaktazid = ohne dem Entstehen von Laktat Der Energie-Stoffwechsel der Muskelzelle Glykogen Zytoplasma Laktat O2 anaerob Fettsäuren Aminosäuren Oxalacetat Succinat Glukose – 1P Glukose – 6P Fruktose – 6P Pyruvat (=Brenztraubensäure) Acetyl - CoA Zitratzyklus Mitochondrien Citrat 2eH+ Atmungskette NAD+ >> NADNADH 2 FE 3+ >> 2 FE 2+ FAD >> FADH ADP + P >>> ATP O2 a – Ketogluturat aerob + O2 = H2O venöse Kapillare CO2 H2O Die ENERGIETRÄGER 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: (=Traubenzuckermoleküle=Einfachzucker) 50 bis maximal 110g Glykogen. Dies entspricht einer Energiemenge von etwa 200 bis max. 450 kcal. In Körperumlauf, zb bei einem Marathonlauf sind ca 700 kcal. => viel zu wenig Exogen zugeführtes bzw. oxidiertes KH (Tracer Studie): Oxidation von Exogenem KH - Seite 3 - Physiologie Stefan ULREICH Energetik / Muskelstoffwechsel -2- Prof. SMEKAL 4,5 G = 4,5 g/l Glukose im Getränk 17 G = 17 g/l Glukose im Getränk 17 MD = 17 g/l Maltodextrin im G. 250 200 150 verabr. res. 100 Fahrrad – Ergo: 70 % VO2max Dauer: 80 min oxid. 50 42 31,5 39,1 KH- Oxidation in 80 min: 40g = etwa 30g pro Stunde 0 4,5G 17G 17MD 123 kcal/h 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 Die ENERGIETRÄGER 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). Die intramuskulären Fette: in Form von Fetttröpfchen, die in den Muskelfasern gelagert sind (neben den Mitochondrien, bei Ausdauertrainierten mehr & größere Mitochondrien und größere Angriffsfläche auf die Fetttröpfchen.) Die ENERGIETRÄGER Proteine Reichlich körpereigene Proteine Bei einem 70 kg schwerem Mann ist mit einer Gesajt-Proteinmenge von etwa 12 kg zu rechnen ( Muskelgewebe, Enzyme, Hormone, Membranen, rote Blutkörperchen, Hitnzellen,..) Sie sind also großteils also funktionell gebunden Hauptvorkommen ist somit das Muskelgewebe. - Seite 4 - Physiologie -2- Prof. SMEKAL Stefan ULREICH Energetik / Muskelstoffwechsel Die Skelettmuskulatur macht etwa 40-45 % der Körpermaße aus. => für einen 70 kg schweren Mann enthält die Muskulatur etwa 7 kg Protein (vor allem im kontraktilen System). Freie Aminosäuren (AS) kommen vor allem im Muskel (~120g) vor; nur 5g zirkulieren im Blut. BCAAs - verzweigtkettige Amminosäuren (auf diese wird bei Belastung zugegriffen): LEUCIN Iso-Leucin Valin Der Körper greift unter Belastung also vorwiegend auf die BCAA zu (besonders Leucin). BCAA’s werden bei längeren Ausdauerbelastungen zunehmend von der Muskulatur aus dem Aminosäuren-Pool aufgenommen und oxidiert. Bei Ausdauerbelastungen langer Dauer sinkt der Spiegel der im Pool vorrätigen BCAA, da sie vermehrt zur Energiegewinnung herangezogen werden. sind daher zunehmend weniger freie BCAA’s verfügbar wird der Bedarf aus körpereigenen Proteinen (BCAA’s) gedeckt (besonders Muskelgewebe) 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) Synthese Körpereiweiß Substratmangel v.a Muskulatur, Plasmaeiweiße, Hormone, … Der Eiweißkatabolismus steigt mit einer Verarmung an Muskelglykogen und hypokalorischer Ernährung. Aus den vorliegenden Daten ergibt sich als Empfehlung für eine ausreichende EW- Zufuhr im Ausdauer-Sport: Hobby-AD-Sportler 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) - Seite 5 - Physiologie Stefan ULREICH Energetik / Muskelstoffwechsel -2- Prof. SMEKAL 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 65% 85% Muskel-Glykogen Muskel-Triglyceriden Pl.-FS = Plasmafettsäuren Pl.-Glukose = Blutzucker (aus Leber) Der Energie-Stoffwechsel der Muskelzelle Glykogen Zytoplasma Laktat O2 anaerob Fettsäuren Aminosäuren - Seite 6 - Glukose – 1P Glukose – 6P Fruktose – 6P Pyruvat (=Brenztraubensäure) Acetyl - CoA Physiologie -2- Prof. SMEKAL Oxalacetat Succinat Zitratzyklus Mitochondrien Citrat Atmungskette NAD+ >> NADNADH 2 FE 3+ >> 2 FE 2+ FAD >> FADH ADP + P >>> ATP O2 a – Ketogluturat 2eH+ Stefan ULREICH Energetik / Muskelstoffwechsel aerob + O2 = H2O venöse Kapillare CO2 H2O Präventive Aspekte Entsprechender Fitnesszustand muss gegeben sein, um dann entsprechende Belastung für Fettstoffwechsel durchhaltbar zu machen. - Seite 7 -
