1. Energiebereitstellung des Muskels

Inhalt

Energiebereitstellung.

  1. Zusammenfassung.
  2. Energiespeicher.

2.1.       ATP.

2.2.       Kreatinphosphat (KP).

2.3.       Glykogenspeicher.

2.4.       Fettspeicher.

  1. Die aerobe Energiebereitstellung.

3.1.       Die aerobe Energiegewinnung aus Glykogen.

3.2.       Die aerobe Energiegewinnung aus Fettsäuren.

3.3.       Verhältnis zwischen Fett- und Glykogenverwertung.

  1. Anaerobe Energiegewinnung.

4.1.       Anaerobe Energiegewinnung aus energiereichen Phosphaten.

4.2.       Anaerobe Energiegewinnung aus Glucose.

Energiebereitstellung

1.      Zusammenfassung

Jede Zelle des Körpers kennt nur eine Energiequelle: ATP (Adenosintriphosphat). Sobald die Zelle ATP verbraucht, zerfällt es in ADP (Adenosindiphosphat) und einem Phosphatrest. Durch diese Trennung (wie eine kleine Explosion) entsteht Energie, die von der Zelle genutzt werden kann). Der Wirkungsgrad der Energiegewinnung beträgt ca. 25-40%. Die restliche Energie wird wie in einem Automotor als Wärme abgegeben.

Selbst im Ruhezustand benötigen die Muskelzellen ständig ATP. Der reine Vorrat an ATP ist jedoch sehr gering. Somit muss ständig ATP neu gebildet werden. Dieses passiert durch die Regeneration von ADP zu ATP durch Hinzufügen eines Phosphatteilchens. Die überwiegende Zeit geschieht dieses aerob (unter Verbrauch von Sauerstoff) durch Oxidation von Fetten und Kohlenhydraten. Nur im Notfall und in Hungerperioden greift der Körper auch auf Protein zurück. Für kurzfristige hohe Belastungen steht die anaerobe (ohne Sauerstoff) Energiegewinnung zur Verfügung. Dieses geschieht hauptsächlich aus Kohlenhydraten oder der Spaltung von Kreatinphosphat.

2.      Energiespeicher

2.1.ATP

Der ATP Vorrat im Muskel beträgt ca. 6mmol/kg Muskel, hält für wenige Kontraktionen und ist nach wenigen Sekunden verbraucht. Die Menge entspricht ca. 1-2kcal und ist abhängig vom Trainingszustand.

2.2.Kreatinphosphat (KP)

Neben dem reinen ATP steht dem Muskel noch Kreatinphosphat als Energiequelle zur Verfügung. Dieser ist jedoch nur lokal für den jeweiligen Muskel verfügbar. Zerfällt das Kreatinphosphat in Kreatin und einem Phosphatrest, kann dieses mit ADP wieder zu ATP synthetisiert werden. Der Vorrat an Kreatinphosphat ist mit 25mmol/kg Muskel ebenfalls sehr begrenzt und reicht für ca. 10 Sekunden.

2.3.Glykogenspeicher

Für die mittelfristige Energieversorgung steht Glykogen zur Verfügung. Glykogen besteht aus einem mit Glukosemolekülen aufgebauten Polysaccharid. Mit Hilfe von Insulin können die aufgenommenen Kohlenhydrate in Form von Glykogen in der Leber und Muskulatur gespeichert werden.

Der Glykogenspeicher der Leber ist für einen konstanten Blutzuckerspiegel zuständig. Er beträgt ungefähr 100 g, was ungefähr 410 kcal entspricht. Durch Training lässt sich dieser Wert jedoch erhöhen. Bei einem zu niedrigen Blutzuckerspiegel, gibt die Leber Glykogen in den Blutkreislauf ab. Da einige Zellen keinen eigenen Glykogenspeicher besitzen, ist der Mensch auf einen gleich bleibenden Blutzuckerspiegel angewiesen.

Die Muskulatur besitzt ihren eigenen Glykogenspeicher, da im Bedarfsfall die Energie direkt zur Verfügung stehen muss. In der Muskulatur befinden sich ungefähr 300-400 g (also 1400 kcal) an Glykogen. Diese Menge ist abhängig vom Trainingszustand und reicht für ungefähr 1 Stunde sehr intensives Training. Die Muskulatur kann im Gegensatz zu Leber jedoch kein Glykogen in die Blutbahn abgeben. Der Speicher ist somit lokal begrenzt.

2.4.Fettspeicher

Der Fettspeicher des Körpers stellt einen nahezu unerschöpflichen Energievorrat bereit. 1 g Fett entspricht ungefähr 9,3 kcal. Dieses entspricht ungefähr der doppelten Energiemenge von Kohlenhydraten oder Eiweiß mit ungefähr 4,1 kcal. Ein ungefähr 70 kg schwerer Mann mit einem Körperfettanteil von 12 % speichert ca. 8,4 kg Fett und damit 76.440 Kilokalorien. Nicht nur Unterhautfettgewebe, sondern auch in der Muskulatur sind geringe Mengen Fett eingelagert, die ungefähr 100-200 g entsprechen. Allerdings ist die Energieflussrate geringer als bei Glykogenabbau. Zudem verbraucht die Fettverbrennung mehr Sauerstoff.

3.      Die aerobe Energiebereitstellung

Die aerobe Energiebereitstellung erfolgt in den Mitochondrien der Zellen. Kohlenhydrate oder Fettsäuren werden dort zu Kohlendioxid abgebaut und der daraus entstehende Wasserstoff wird zu Wasser durch eine Knallgasreaktion verbrannt. Die dadurch frei werdende Energie wird verwendet um aus ADP wieder ATP zu regenerieren.

Der hier limitierende Faktor ist der Sauerstoff. Die maximale aerobe Dauerleistung wird also durch die maximale Oxidationsrate von Sauerstoff in der Atmungskette (maximale Sauerstoffaufnahmefähigkeit) bestimmt. Wird die muskuläre Leistung erhöht, dauert es eine Zeit, bis sich das aerobe System den höheren Anforderungen angepasst hat und Puls und Atmung entsprechend erhöht hat. Während dieser Zeit erfolgt ein Teil der Energiebereitstellung ohne Sauerstoff, also anaerob. Die aerobe Energiegewinnung ist jedoch deutlich effizienter in Bezug auf die Gewinnung von ATP pro Gramm Glykogen bzw. Fettsäuren.

3.1.Die aerobe Energiegewinnung aus Glykogen

das Glykogen aus der Leber spielt in der muskulären Energiebereitstellung eine untergeordnete Rolle, da der Muskel einen eigenen Glykogenspeicher besitzt. Die Zellen können aus dem Blutkreislauf Glucose aufnehmen, was allerdings nur einer Bildungsrate von 0,4 Millimol pro Minute ATP regeneriert. Der lokale Speicher in der Muskulatur besitzt eine ATP Syntheserate von ca. ein Millimol pro Minute. Dies ist die maximale Syntheserate, die der Muskel nutzen kann und geschieht nur bei sehr stark beanspruchte Muskulatur. Sobald ein derart hoher Energiefluss nicht nötig ist, wird die Energie vorzugsweise aus Fettsäuren gewonnen.

Die Verwertung von Glucose findet in zwei Schritten statt. Zuerst wird die Glucose zu Pyruvat (Brenztraubensäure) abgebaut. Für diesen Vorgang ist noch kein Sauerstoff erforderlich und benötigt pro Mol zwei ATP. Daraus werden vier Mol ATP generiert. Das Pyruvat wird über einen Zwischenschritt des Acetyl-CoA in den Krebszyklus eingeschleust, der dort unter Verbrauch von Sauerstoff weitere 32-34 Mol ATP pro Mol Glucose liefert. Dieses findet in den Mitochondrien der Zellen statt.

3.2.Die aerobe Energiegewinnung aus Fettsäuren

die Energiegewinnung bei 25% VO2max

die Energiegewinnung bei 25% VO2max

Fette werden bei Bedarf in den Fettdepots des Körpers durch Lipolyse in ihre Bestandteile zerlegt, wobei Fettsäuren ins Blut abgegeben werden. Die Fettsäuren können nur aerob von den Zellen verwertet werden. Diese werden ebenfalls wie Glucose in Acetyl-CoA umgewandelt und in den Krebszyklus eingeschleust. Zur Umwandlung benötigt der Körper aktiviertes Glycerin. Durch ein fehlendes Enzym im Fettgewebe kann das bei der Lipolyse entstandene Glycerin jedoch nicht dafür verwendet werden. Deshalb wird auch bei der Fettverbrennung auf die Glykolyse zurückgegriffen und das entstandene Glycerin verwendet. Die Energie wird somit nicht ausschließlich aus der Verwertung von Fetten bereitgestellt.

die Energiegewinnung bei 65 % VO2max

die Energiegewinnung bei 65 % VO2max

Im Ruhezustand und bei geringer Muskelintensität erfolgt die Energiebereitstellung überwiegend durch aerobe Verbrennung von freien Fettsäuren aus dem Blut (Beta Oxidation). Da die Fettreserven nahezu unerschöpflich sind, wird der Glykogenspeicher nur bei Phasen höherer Leistung genutzt. Die ATP Bildungsrate aus Fettsäuren beträgt ca. 0,4 Millimol pro Minute. Auch bei längeren andauernden Belastungen von mehr als 60-90 Minuten, spielt die Energiebereitstellung aus Fettsäuren eine entscheidende Rolle. Diese Umstellung bei leeren Glykogenspeicher macht sich in einem Einbruch der Leistung bemerkbar, da das aerobe System sich den erhöhten Sauerstoffanforderungen der Fettverbrennung erst anpassen muss. Für eine hohe Belastung an der maximalen Sauerstoffaufnahmegrenze (VO2max) bedeutet dies ein Leistungseinbruch von ungefähr 10-15 %.

3.3.Verhältnis zwischen Fett- und Glykogenverwertung

Bei einer Belastung von ca. 25 % der VO2max besteht die Hauptenergiequelle aus freien Fettsäuren. Eine untergeordnete Rolle spielen hierbei die Fettreserven direkt in der Muskulatur und die Glucose aus dem Blut. Der geringe Anteil von Glykogen bleibt über den gesamten Zeitraum konstant und wird damit nicht angegriffen.

Bei fortschreitender Belastung von 65 % VO2max verändert sich der Anteil der Energieverwertung. Die lokale Energiegewinnung aus Glykogen ist zu Beginn am höchsten und nimmt mit der Zeit ab. Mit Erschöpfen des Glykogenspeichers nimmt die Energiegewinnung aus freien Fettsäuren zu. Ebenfalls ist der Anteil der muskeleigenen Fettreserven deutlich erhöht. Je höher die Belastung, desto mehr Muskelglykogen wird für die Energiebereitstellung herangezogen.

4.      Anaerobe Energiegewinnung

Wenn nicht genug Sauerstoff zur Verfügung steht, steht die anaerobe Energiegewinnung zur Verfügung. Bis sich das aerobe System an die höhere Belastung angepasst hat, oder die benötigte Energieflussrate höher ist als die maximal aerob erzielbare bezieht der Körper die zusätzliche Energie aus dem anaeroben Stoffwechsel.

4.1.Anaerobe Energiegewinnung aus energiereichen Phosphaten

durch Abspaltung der Phosphatsgruppe von Kreatinphosphat, steht dem ADP ein Phosphat zur Regeneration zu ATP zur Verfügung.  Es entsteht also Kreatin und ATP. Die ATP Resyntheserate liegt in diesem Vorgang bei ca. 4,4 Millimol pro Minute. Der Kreatinspeicher reicht jedoch nur für ca. 10 Sekunden. Dieser Speicher kann durch entsprechendes Training oder Kreatinsupplementation geringfügig erhöht werden.

4.2.Anaerobe Energiegewinnung aus Glucose

Sobald der Kreatinspeicher erschöpft ist und noch nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht, wird auf die anaerobe Verstoffwechselung von Kohlenhydraten zurückgegriffen. Da das ebenfalls entstehende Pyruvat nicht weiter ohne Sauerstoff verwertet werden kann, entsteht Milchsäure (Laktat als Anion der Milchsäure und H+ Ionen).

Die Milchsäure besitzt noch sehr viel Energie, die jedoch ohne Sauerstoff nicht genutzt werden kann. Sie wird deshalb vom Muskel ins Blut abgegeben. Durch die Anhäufung von Laktat sinkt der pH-Wert. Dadurch entsteht eine Übersäuerung des Muskels. Da der Körper die Milchsäure in den Blutkreislauf abgibt kommt es zu einer kurzzeitigen Laktatüberschwemmung des ganzen Organismus. Wird dann mehr Laktat gebildet, als der Körper abbauen kann kommt es zu einer zunehmenden Ermüdung des Muskels. Dieser Vorgang kann einige Minuten dauern. Die maximale Energieflussrate beträgt bei der anaeroben laktaziden Verwertung 3 Millimol ATP pro Minute.

Sobald das aerobe System hochgefahren ist, kann das anfallende Laktat aus dem Blutkreislauf für die aerobe Energiegewinnung (zum Beispiel im Herzmuskel) genutzt werden. Ebenfalls kann die Leber das Laktat wieder zu Glykogen transformieren und speichern. Über die maximale Sauerstoffaufnahmekapazität, fällt mehr Laktat im Körper an, als er abbauen kann. Dieses ist auch als anaerobe Schwelle bekannt. Der Laktatspiegel bleibt über die Dauer nicht mehr konstant, sondern steigt stetig weiter. Diese Schwelle ist sehr individuell und liegt bei ca. 4 Millimol pro Liter. Diese Schwelle gibt Aufschluss über die maximale Dauerleistung, bei der der Laktatspiegel im Vergleich zum Ruhewert noch nicht erhöht ist.