Energiebereitstellung bei sportlichen Bewegungen

Energiebereitstellung bei sportlichen Leistungen (Aufbau der Muskulatur)
Energiebereitstellung bei sportlichen Leistungen (Prinzip der Kontraktion)
Aktin-/Myosinfilament im Ruhezustand
Der Muskel ist in erschlafftem Zustand. Die Querbrücken sind
nicht geknüpft. Zwischen Myosinkopf und Aktinfilament besteht
keine Verbindung.
Einleitung der Kontraktion
Die Myosinköpfe haben sich an das Aktinfilament
angeheftet. Vermutlich wird für diesen Vorgang keine Energie
benötigt, sondern er wird durch "Affinitäten" zwischen Aktinund Myosinmolekülen verursacht .
Kontraktion des Sarkomers Die Myosinköpfe haben sich nach dem Anheften an das
Aktinfilament gekippt. Dadurch wird mechanisch eine
Spannung am MyosinhaIs erzeugt, die bewirkt, dass das
Aktinfilament über das Myosinfilament hinweggleitet.
Energiebereitstellung bei sportlichen Leistungen (Prinzip der Kontraktion)
"Greif-Loslass-Zyklus" (oder "Querbrücken-Zyklus“)
Wie man sieht, bestehen die Myosinfilamente aus einem Kopf-, einem Hals- und einem Schaftteil. Der
Kopfteil wird auch als Querfortsatz oder einfach Myosinkopf bezeichnet, er ist ca. 20 nm lang. Etwa 150
aneinander gelagerte Myosinmoleküle bilden mit ihren zirkulär angeordneten Köpfen ein Myosinfilament.
Bei einer Kontraktion verbindet sich nun der Myosinkopf mit den nur ca. 5 nm entfernten kugelförmigen
Untereinheiten des Aktinfadens. Auf diese Weise entsteht eine Querbrücke zwischen den Aktin- und den
Myosinfilamenten.
Sofort danach dreht sich der Myosinkopf unter Energieverbrauch um etwa 45° an den AktinkontaktsteIlen.
Durch die Drehung des Myosinkopfes erfolgt eine Spannungsentwicklung an den dehnbaren
Myosinhälsen. Wenn diese Spannungsentwicklung der einzelnen gebildeten Querbrücken die Last
übertrifft, die am Muskelende einwirkt, ziehen die Myosinköpfe die Aktinfäden weiter in die
Myosinzwischenräume (=A-Abschnitte) hinein, und die Muskelfaser verkürzt sich.
Nach einem Zeitraum von nur 10-100 ms löst sich der Myosinkopf von den Aktinfäden, wobei Energie in
Form von energiereichen Verbindungen vorhanden sein muss.
Nach einem nur Sekundenbruchteile dauerndem Wiederaufbau des Energievorrates kann ein erneuter
"Greif- Loslass-Zyklus" beginnen.
Wie kommt es zur sichtbaren Verkürzung des Muskels?
Da der Myosinkopf ein mikroskopisch kleines Gebilde ist, kann die sichtbare Verkürzung der Muskulatur
nicht auf eine einmalige Querbrückenbildung mit anschließender Drehung des Myosinkopfes
zurückzuführen sein. Das Sarkomer kann sich durch je eine Querbrückenbildung in der linken und rechten
Sarkomerhälfte nur um den Betrag von 2 x 1 0 nm (d. i. etwa 1 % der Sarkomerbreite ) verkürzen.
Es ist offenbar so, dass sich die Querbrücken in einem gegebenen Zeitraum nicht einmal, sondern vielfach
hintereinander bilden und wieder lösen und so das Sarkomer um 30% der Ruhelänge verkürzen.
Je nach Muskelart können die einzelnen Myosinköpfe bis zu mehr als 50 mal in Aktion treten.
Auf diese Weise entsteht ein Vorgang wie beim "Tauziehen", wenn durch Fassen, Loslassen und
Nachfassen die gegnerische Mannschaft herangezogen wird.
Da eine Vielzahl von Sarkomeren in der Fibrille hintereinander liegen, addieren sich ihre minimalen
Bewegungen zu einer sichtbaren Verkürzung des Muskels.
Energiebereitstellung bei sportlichen Leistungen (Funktionsprinzipien)
Die Energiequelle für die Kontraktion
Als primäre Energiequelle steht Adenosin-tri-phosphat (ATP) zur Verfügung.
ATP ist eine energiereiche Verbindung, aus der durch Abspaltung von
Phosphat Energie freigesetzt wird. Diese sog. freie Energie wird u. a. bei
der Muskelkontraktion verbraucht.
Startbedingungen für die Energiefreisetzung am ATP
Die elektrische Erregung, die über die zugehörige Nervenfaser die
Muskelfaser erreicht, läuft über die Muskeloberfläche und gelangt auch in
die Quertubuli. Dadurch werden aus röhrenförmigen Bläschen
CalciumIonen freigesetzt . Auf diesem Weg wird dann das Enzym ATP-ase
am Myosinkopf aktiviert, und ATP wird gespalten.
Die Energieumsetzung
Durch die Spaltung des ATP befindet sich am Myosinkopf neben ATP auch
Adenosin-di-phosphat + Phosphat und chemische Energie.
Nun können sich die Myosinköpfe kippen das Übereinandergleiten der
Aktinund Myosinfilamente auslösen, und auf diese Weise kann sich der
Muskel kontrahieren. Es steht mechanische Energie zur Verfügung.
Chemische Energie aus der Energiequelle wurde also in mechanische
überführt.
‚Energiebereitstellung‘ bei sportlichen Leistungen
Energiebereitstellung bei sportlichen Leistungen
Die Reaktionen 1,2 und 4 laufen ohne Sauerstoff ab, d.h. anaerob. Der bevorzugte Weg
der Energiegewinnung ist im Sport die aerobe ATP-Resynthese aus der Glucose und aus
Freien Fettsäuren (FFS). Nur im Notfall werden bei Kohlenhydratmangel Aminosäuren für
die Energiegewinnung abgebaut.
Energiebereitstellung bei sportlichen Leistungen
Geschwindigkeit der Adenosintriphosphat (ATP)-Bildungsrate durch die
Substrate. Die Resynthese des ATP aus dem ADP (Adenosindiphosphat)
verläuft unterschiedlich schnell. Die schnellste ATP-Resynthese
ermöglicht das Creatinphosphat (CP).
Energiebereitstellung bei sportlichen Leistungen
Anteile einzelner energetischer Prozesse:
Energiebereitstellung bei sportlichen Leistungen
Energiereiche Phosphate
Zu den energiereichen Phosphaten gehören die Adeninnucleotide und das Creatinphosphat (CP).
Die Adeninnucleotide sind das ATP, ADP, Adenosinmonophosphat (AMP) und
Inosinmonophosphat (IMP). Das Creatinphosphat ist für die anaerob-alaktazide
Energiegewinnung das ergiebigste Substrat.
Der ATP-Speicher im Muskel beträgt 5-6 mmol/kg Feuchtgewicht (FG) und der
Creatinphosphatspeicher 25 mmol/kg FG. Durch Training können sich beide Speicher
vergrößern. Die weiteren Energiedepots des Muskels sind das Glycogen und die Triglyceride
(Neutralfette), die gleichfalls durch ein spezifisches Training zunehmen können. Das ATP und CP
sind für den Start der Muskelarbeit und die plötzliche kurzzeitige Leistungserhöhung während
der Belastung die entscheidenden Substrate. Der Energiegewinn ist auf den einzelnen
Stoffwechselwegen unterschiedlich. Der ATP-Speicher ist so klein, sodass er nur für einige
Muskelkontraktionen reicht. Den höchsten Energiegewinn in der Zeiteinheit liefert das
Creatinphosphat. Da aber der CP-Speicher begrenzt ist, reicht die Energie bei Belastungen mit
höchster Intensität für nur 6 bis 8 Sekunden (s) und bei niedrigerer Intensität für 20 bis 30 s aus.
Die zu Belastungsbeginn erfolgte Energiefreisetzung aus dem CP ist für 6 s fast alaktazid, d.h. es
erfolgt keine oder nur eine sehr geringe Bildung von Laktat. Ganz korrekt ist die Kennzeichnung
des alaktaziden Stoffwechsels nicht, weil bereits nach 3 s intensiver Muskelbelastung die CPSpeicher stark entleert sein können und die fehlende Energie aus dem anaeroben Stoffwechsel
kommt.
Die Begrenzung des alaktaziden Trainings auf nur 6 s Dauer erfolgt deshalb, weil die CP-Speicher
hierbei überwiegend beansprucht werden. Bereits die Verlängerung der Belastung auf 8 s und
darüber führt zur gleichzeitigen Beanspruchung der Glycolyse. Bei den wiederholten Serien
Energiebereitstellung bei sportlichen Leistungen
Energiebereitstellung bei sportlichen Leistungen
Energiebereitstellung bei sportlichen Leistungen (Energieträger I)
Energieträger für den Muskelstoffwechsel
Wichtigste Energielieferanten, die durch Nahrung laufend ergänzt werden müssen, sind für die
Muskelzelle :
1. Kohlehydrate (sie decken normalerweise etwa zwei Drittel des Energiebedarfs)
2. Fette (ein Drittel)
3. Eiweiße (sie können an dieser Stelle vernachlässigt werden, da sie wohl für den Baustoffwechsel,
nicht aber für den Energiestoffwechsel eine wichtige Rolle spielen).
Der Energiebedarf wird also hauptsächlich durch Kohlehydrate (KH) und Fette abgedeckt. Für die
Größe der körpereigenen Energiespeicher gibt Astrand (zitiert nach Hollmann/Hettinger 1976, 68)
nachfolgende Absolutzahlen an (in Kcal):
ATP
1,2
KP
3,6
Kohlehydrate
1200
Fett
50000
Die Fette stellen demnach den größten Energiespeicher im Organismus dar. Die Bedeutung der
Fettverbrennung hängt jedoch vom Arbeitstyp, von der Arbeitsdauer (s. Abb.12), von der
Arbeitsintensität, vom Umfang der eingesetzten Muskelmasse und von der Art der Muskelfasern ab
(Hollmann/Hettinger 1976, 69).
Vom sportlichen Standpunkt aus - hier spielt die pro Zeiteinheit erreichbare Höchstintensität zumeist
eine entscheidende Rolle - ist jedoch auf den Vorteil der Kohlehydrate gegenüber den Fetten
hinzuweisen: Zwar liefern die Fette bei der Verbrennung 9,3 Kcal/g gegenüber nur 4,1 bei den
Kohlehydraten (und Eiweiß), aber entscheidend ist nicht dieser absolute Wert, sondern der pro Liter
Sauerstoff erreichte Brennwert.
Hierbei ergeben:
Glukose 5,1 Kcal ~ 6,34 ATP
Fett 4,5
Kcal ~ 5,7 ATP
(Eiweiß) 4,7 Kcal ~ 5,94 ATP
Energiebereitstellung bei sportlichen Leistungen (Energieträger II)
Diese Tatsache ermöglicht bei gleichem Sauerstoffangebot einen prozentualen Energiemehrgewinn
von 13 % bei Glukose - bei Glykogen als intrazellulärer Glukosespeicherform sogar von 16 % gegenüber der Fettverbrennung (Keul/Doll/Keppler 1969, 153). Die Notwendigkeit eines möglichst
großen Glykogenspeichers beim Ausdauersportler wird somit verständlich.
Da bei sehr langen Dauerbelastungen aber die Glykogenvorräte allein nicht zur Energiedeckung
ausreichen, nimmt die Fettsäureverbrennung mit zunehmender Zeitdauer eine immer bedeutendere
Rolle ein.
Nach Keul/Doll/Keppler (1969, 153) können die Fettsäuren bei über Stunden währender
Muskelarbeit 70-90 % des Energiebedarfs bestreiten.
Aus nebenstehendem, erheblich vereinfachten Schema geht hervor, dass alle Nahrungsstoffe bei der
oxydativen Verbrennung letztlich in den Zitratzyklus eingehen. Die beim Durchlaufen dieses Zyklus
gewonnenen Wasserstoffäquivalente (H+-Ionen) werden über die Enzyme der Atmungskette in
Anwesenheit von Sauerstoff oxydiert, wobei Energie (ATP), Kohlendioxyd und Wasser gebildet werden.
Die Enzyme des Zitratzyklus sowie der Atmungskette befinden sich in den bereits erwähnten
"Kraftwerken" der Muskelzelle, den Mitochondrien. Schließlich sei noch auf die Tatsache verwiesen,
dass die aerobe und anaerobe Energiegewinnung bis zum Pyruvat (Brenztraubensäure) den gleichen
Abbauweg durchlaufen.
Literatur
Alexe, N.: Methodische Kriterien der sportlichen Vorbereitung von Kindern und Jugendlichen,
Leistungssport, 1973, 1, 14-23