Energiebereitstellungsprozess für die Muskelarbeit Empfehlung
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Der Energiebereitstellungsprozess für die Muskelarbeit ist fließend und geschieht in Abhängigkeit von der Belastungsdauer und der Belastungsintensität je nach Sportart bzw. Aktivität. Wann welcher zelluläre Stoffwechselprozess einsetzt, ist auch individuell von Person zu Person unterschiedlich. Je nach Weg und Substrat des Stoffwechselablaufes ist die ATP-Ausbeute (siehe ATP-Bedarf) sehr unterschiedlich. Der anaerobe Zweig der Enerigebereitstellung läuft schnell ab, liefert aber nur wenig ATP. Der Mensch hat im Schnitt 40% Muskelmasse und ~4% Knochenmasse. Durch Training kann die Muskelmasse deutlich gesteigert werden. Körperliches Training kann sich positiv auf die Knochendichte und Stabilität auswirken.
Die dauerhafte Energiebereitstellung läuft über den aeroben Zweig, braucht länger bis sie anläuft, stellt aber wesentlich mehr ATP zur Verfügung. Proteinabbau (Proteinkatabolismus) findet zu einem kleinen Teil auch bei umfangreichen Ausdauerbelastungen statt. Dieser ist im Ergebnis aber nur von marginaler Natur und wird am besten durch Aufnahme von Mischkost nach der Belastung (siehe Eiweißbedarf) wieder ausgeglichen. Außerdem steht durch Zufuhr von qualitativ hochwertiger Mischkost (von Kohlenhydraten, Eiweiß, Fetten, in Vollkorn, Milch), genügend Eiweiß zum Muskelaufbau (Proteinsynthese) bereit. Ein ausgepräger Eiweißabbau (Proteinkatabolismus) findet v.a. im Hungerstoffwechsel statt (siehe Hungerstoffwechsel). Die reine anaerobe Energiebereitstellung über Phosphate und anaerobe Glykolyse (Kreatinphosphat -> ADP+Phosphat --> ATP ), reicht nur bis zu 10 Sekunden (Sprint). Die Ausbeute von 2 ATP pro mol Glukose bei der anaeroben Glykolyse ist gering. Nach längerer Belastung setzt die aerobe Glykolyse ein, die eine wesentlich höhere Ausbeute von 38 ATP pro mol Glukose hat. Die Glukosereaktion ist: C6H12O6 + 6 O2 --> 6 CO2 + 6 H2O (+ 36 ATP).
Bei der Glykolyse zur ATP-Gewinnung wird zuerst die Blutglukose von etwa 90 mg pro 100 ml Blut verwertet, dann die Glykogenspeicher von Leber und Muskulatur (~ 400-500g Gesamtglykogen; d.h. ~ 2000kcal) entleert und in Glukose umgewandelt (Glykogenolyse), die dann verstoffwechselt wird (Glykolyse) und für eine Belastung von ca. 90 Minuten reicht. Parallel dazu läuft immer die Gluconeogenese, die für einen konstanten Blutzuckerspiegel sorgt und die benötigte Glukose für den Körper bereitstellt (siehe Glukosebereitstellung; Gluconeogenese). Die Fettverbrennung (Abbau von Fett u. Betaoxidation der Fettsäuren) setzt erst ca. 90 Minuten nach Belastung ein, wenn die Glykogenspeicher in Leber und Muskulatur voll aufgefüllt waren. Ansonsten beginnt die Betaoxidation der Fettsäuren früher, nach dem Enleeren der Glykogenspeicher. Die Ausbeute an ATP, ist hier von 130 bis 148 ATP pro mol Fettsäure plus dem angefallenen Glycerin, am höchsten. Beispiel Palmitinsäure (C15H31COOH + 23 O2 --> 16 CO2 + 16 H2O (+ 130 ATP) und ~18 ATP aus Glycerin).
Hier ist eine Dauerbelastung auf einer niedrigeren Intensitätstufe möglich, da der Prozess der Fettsäurenoxidaton langsam abläuft. Vergleiche hierzu einen Marathonlauf mit einem 100m-Lauf. Eine signifikante Verwertung von Muskelprotein zur ATP-Gewinnung findet nur im Hungerzustand statt. Nach dem Training versucht der Körper die Glykogenspeicher schnellst möglich aufzufüllen. Dazu ist Glukose erforderlich, die über Glukose-6-Phosphat und dann über Glukose-1-Phosphat zu Glykogen umgewandelt wird (Glykogensynthese). Nach dem Training, sei die Zufuhr von Mischkost (z.B. Müsli, Haferflocken, Bananen.... und Milch) zur schnellstmöglichen Glykogenspeicherauffüllung in Leber und Muskulatur, am besten. Außerdem enthalte Mischkost genügend Eiweiß um einen evtl. Verlust auszugleichen und darüber hinaus auch noch genug Eiweiß und damit Aminosäuren, für den Muskelaufbau (Proteinsynthese und Muskelaufbau; siehe Eiweißbedarf).
Hier ist eine Dauerbelastung auf einer niedrigeren Intensitätstufe möglich, da der Prozess der Fettsäurenoxidaton langsam abläuft. Vergleiche hierzu einen Marathonlauf mit einem 100m-Lauf. Eine signifikante Verwertung von Muskelprotein zur ATP-Gewinnung findet nur im Hungerzustand statt. Nach dem Training versucht der Körper die Glykogenspeicher schnellst möglich aufzufüllen. Dazu ist Glukose erforderlich, die über Glukose-6-Phosphat und dann über Glukose-1-Phosphat zu Glykogen umgewandelt wird (Glykogensynthese). Nach dem Training, sei die Zufuhr von Mischkost (z.B. Müsli, Haferflocken, Bananen.... und Milch) zur schnellstmöglichen Glykogenspeicherauffüllung in Leber und Muskulatur, am besten. Außerdem enthalte Mischkost genügend Eiweiß um einen evtl. Verlust auszugleichen und darüber hinaus auch noch genug Eiweiß und damit Aminosäuren, für den Muskelaufbau (Proteinsynthese und Muskelaufbau; siehe Eiweißbedarf).
Gegenüberstellung von aerober und anaerober Glykolyse (= mit O2 und ohne O2)
In Anwesenheit von Sauerstoff (O2) läuft die aerobe Glykolyse im inneren der Zelle ab. Unter Anwesenheit von Sauerstoff (O2) erfolgt zunächst die Glykolyse im Zellinneren (aber außerhalb der Mitochondrien) und dann die weitere ATP-Gewinnung über den Citratzyklus und die folgende Atmungskette, in den Mitochondrien (Zellkraftwerke).
In Abwesenheit (anaerobe Glykolyse) von Sauerstoff (O2) liefert die Atmungskette kein NAD+ und der Citratzyklus wird blockiert und kann so wiederum kein Substrat für die Atmungskette bereitstellen. Im Ergebnis fehlt die Gewinnung von 36 ATP pro mol Glukose. Die Zellkraftwerke (Mitochondrien) ruhen also, in Abwesenheit von Sauerstoff (O2). Somit wird unter anaeroben Bedingungen aus Pyruvat --> Laktat und H+ (Wasserstoff-Ionen). H+-Ionen können den pH-Wert ins Negative verschieben. Außerdem seien die H+-Ionen für das Brennen der Muskulatur bei Übersäuerung verantwortlich, in dem sich H+-Ionen an Nerven anlagerten. Als Ausgleich des pH-Wertes, dient Bicarbonat (HCO3-) und die Atmung, um den pH-Wert immer konstant zu halten (CO2+H2O<-->H2CO3<-->HCO3- + H+).
Als äußere Atmung versteht man den Gasaustausch über die Lunge des Organismus und der Umgebung. Die innere Atmung oder Zellatmung, meint den Ablauf der Atmungskette in Anwesenheit von Sauerstoff, zur ATP-Gewinnung.
Dreh- und Angelpunkt im (aeroben) Stoffwechsel ist der Citratzyklus (Krebszyklus, n. Hans Adolf Krebs)
Ziel ist die ATP-Gewinnung (siehe ATP-Bedarf) und die Verstoffwechselung und Bereitstellung der verschiedenen Substrate je nach Bedarf. Bei der Glykolyse und fehlender Sauerstoffzufuhr (O2-Mangel) wird die Atmungskette (innere Atmung o. Zellatmung) nicht durchlaufen, kein NAD+ bereitgestellt und der Citratzyklus blockiert. Es findet nur eine anaerober Stoffwechsel statt. Hierbei ist die ATP-Ausbeute deutlich geringer (2 ATP), im Gegensatz zum aeroben Stoffwechsel, wenn Atmungskette und Citratzyklus durchlaufen werden (38 ATP).
Ein Beispiel für die Hemmung der Atmungskette (inneren Atmung) sind Cyanide. Cyanide (Salze der Blausäure, als Cyclon B o. Zyankali bekannt) hemmen die Cytochrom-c-Oxidase der Atmungskette in den Mitochondrien. Dadurch kann der Sauerstoff (O2) nicht verwertet werden und es kommt in Folge zum inneren Ersticken, mit Ende der ATP-Gewinnung (Energiegewinnung) und Tod des Organismus.
Eiweiß wird in verschiedene Aminosäuren aufgetrennt. Essentielle Aminosäuren müssen mit der Nahrung zugeführt werden. Aminosäuren können im Citratzyklus in andere Substrate umgewandelt (Oxalacetat, Pyruvat...) werden, die dann zur ATP-Gewinnung oder zu Gewinnung gerade benötigter Substrate (Pyruvat, Acetyl-CoA...) dienen. Aus aufgetrennten Kohlenhydraten zu Glukose können über Pyruvat in der Glykolyse, je nach Bedarf, nichtessentielle Aminosäuren (über Oxalacetat...) oder/und Fettsäuren (über Acetyl-CoA...) synthetisiert werden. Genauso kann aus vorhandenen Aminosäuren über Oxalacetat und Pyruvat, Glukose oder/und Fettsäuren (über Acetyl-CoA...) synthetisiert werden. Schließlich kann aus Fettsäuren je nach Stoffwechsellage und Bedarf über verschiedene Substratumwege (Acetyl-CoA, Oxalacetat, Pyruvat...) Glukose und/oder nichtessentielle Aminosäuren synthetisiert werden. Viele Prozesse laufen in verschiedene Richtungen ab, je nachdem welches Substrat im Körper gerade benötigt wird.
Beim Diabetiker, der zu wenig Insulin produziert und somit in den Zellen nicht genügend Glukose zur weiteren Energiegewinnung (Glykolyse...Citratcyclus...Atmungskette) bereitsteht, wird Acetyl-CoA aus der Beta-Oxidation der Fettsäuren, außer zur weiteren Verstoffwechselung, zur Synthese von Ketonkörpern dienen. Hier kann es auch zu Störungen im Stoffwechselprozess der Fettsäuren kommen und die Werte für die Fette (Triglyceride, Cholesterin) im Blut, können verändert sein. Ketonkörper können vom Gehirn, anstatt Glukose verstoffwechselt werden. Beim Diabetiker kann es, je nach Dauer des Insulinmangels, zu einer Ketoazidose mit folgendem ketoazidotischem Koma kommen. Oxalacetat und Pyruvat dienen im Citratzyklus als Vorstufen, für viele Substrate. Alkohol liefert beim Abbau Acetyl-CoA, das im Citratzyklus u.a. für die Synthese von Fetten (Triglyceride und Cholesterin) verwendet wird. Aus diesem Grund steigen bei übermäßigem Alkoholkkonsum, die Blutfettwerte an. Weiterhin liefert Alkohol beim Abbau NADH, das wiederum in der Atmungskette ATP liefert. Zuviel NADH hemmt die Beta-Oxidation (Abbau) der Fettsäuren, wodurch der Triglyceridspiegel im Blut ansteigt (siehe Zellstoffwechselhemmung d. Alkohol).
Eiweiß wird in verschiedene Aminosäuren aufgetrennt. Essentielle Aminosäuren müssen mit der Nahrung zugeführt werden. Aminosäuren können im Citratzyklus in andere Substrate umgewandelt (Oxalacetat, Pyruvat...) werden, die dann zur ATP-Gewinnung oder zu Gewinnung gerade benötigter Substrate (Pyruvat, Acetyl-CoA...) dienen. Aus aufgetrennten Kohlenhydraten zu Glukose können über Pyruvat in der Glykolyse, je nach Bedarf, nichtessentielle Aminosäuren (über Oxalacetat...) oder/und Fettsäuren (über Acetyl-CoA...) synthetisiert werden. Genauso kann aus vorhandenen Aminosäuren über Oxalacetat und Pyruvat, Glukose oder/und Fettsäuren (über Acetyl-CoA...) synthetisiert werden. Schließlich kann aus Fettsäuren je nach Stoffwechsellage und Bedarf über verschiedene Substratumwege (Acetyl-CoA, Oxalacetat, Pyruvat...) Glukose und/oder nichtessentielle Aminosäuren synthetisiert werden. Viele Prozesse laufen in verschiedene Richtungen ab, je nachdem welches Substrat im Körper gerade benötigt wird.
Beim Diabetiker, der zu wenig Insulin produziert und somit in den Zellen nicht genügend Glukose zur weiteren Energiegewinnung (Glykolyse...Citratcyclus...Atmungskette) bereitsteht, wird Acetyl-CoA aus der Beta-Oxidation der Fettsäuren, außer zur weiteren Verstoffwechselung, zur Synthese von Ketonkörpern dienen. Hier kann es auch zu Störungen im Stoffwechselprozess der Fettsäuren kommen und die Werte für die Fette (Triglyceride, Cholesterin) im Blut, können verändert sein. Ketonkörper können vom Gehirn, anstatt Glukose verstoffwechselt werden. Beim Diabetiker kann es, je nach Dauer des Insulinmangels, zu einer Ketoazidose mit folgendem ketoazidotischem Koma kommen. Oxalacetat und Pyruvat dienen im Citratzyklus als Vorstufen, für viele Substrate. Alkohol liefert beim Abbau Acetyl-CoA, das im Citratzyklus u.a. für die Synthese von Fetten (Triglyceride und Cholesterin) verwendet wird. Aus diesem Grund steigen bei übermäßigem Alkoholkkonsum, die Blutfettwerte an. Weiterhin liefert Alkohol beim Abbau NADH, das wiederum in der Atmungskette ATP liefert. Zuviel NADH hemmt die Beta-Oxidation (Abbau) der Fettsäuren, wodurch der Triglyceridspiegel im Blut ansteigt (siehe Zellstoffwechselhemmung d. Alkohol).
Atmungskette
public domain
Art der Belastung (Dauer und Intensität) und die jeweiligen %-tualen Stoffwechselmechanismen zur muskulären Energiebereitstellung
Intensität und Dauer der körperlichen Belastung verhalten sich dem jeweiligen Prozess der Energiebereitstellung gegenläufig. Die maximal mögliche Leistung nimmt in der Reihenfolge anaerob-alaktazid (energiereiche Phosphate), anaerob-laktazid (anaerobe Glykolyse, unvollständige Glukoseverbrennung), aerobe Glykolyse (vollständige Glukoseverbrennung) und Fettverbrennung (Betaoxidation der Fettsäuren) ab, die mögliche Belastungsdauer in gleicher Reihenfolge zu. Durch Nahrungszufuhr bei langen Ausdauerbelastungen, verlaufen die Prozesse der Energiebereitstellung harmonischer und es kommt erst gar nicht zu einem abrupten Leistungstief bzw. Leistungsabriss.
Zur Bestimmung des Energieumsatzes des Körper´s, durch die indirekte Kalorimetrie, dient die Bestimmung der Atemgase von Sauerstoff und Kohlendioxid in der Atemluft, im Rahmen der Spirometrie (siehe Spiroergometrie u. Trainingssteuerung).
Muskelmasse genetisch vorgegeben
Zur Bestimmung des Energieumsatzes des Körper´s, durch die indirekte Kalorimetrie, dient die Bestimmung der Atemgase von Sauerstoff und Kohlendioxid in der Atemluft, im Rahmen der Spirometrie (siehe Spiroergometrie u. Trainingssteuerung).
Muskelmasse genetisch vorgegeben
Unser Körper hat ein genetisches Grundkonzept, das für jeden individuell festlegt, wieviel Muskelmasse er als ausgewachsener Mensch ohne gezieltes Muskeltraining haben wird. Werde nach individuellem Bedarf, ausreichend Eiweiß mit der Nahrung zugeführt, erreiche der Mensch seine genetisch programmierte und individuell festgelegte Muskelmasse. Unser Organismus ist so ausgelegt, dass er eine bestimmte Zusammensetzung von Eiweiß, Kohlenhydraten und Fetten in der Nahrung braucht. Die deutsche Gesellschaft für Ernährung (DGE) hat zur optimalen Verteilung der Nahrungsbestandteile klare Empfehlungen ausgesprochen (siehe Ernährungsplan).
Muskelmasse und Energieverbrauch - Körpergewicht zunehmen oder abnehmen
Je höher die körperliche Aktiviät bzw. je intensiver das körperliche Training, desto höher ist der Grundumsatz zuzüglich des Arbeitsumsatzes in kcal, eines Menschen (siehe Kalorienbedarfberechnung). Durch die Muskelaktivität wird der Zellstoffwechsel angeregt wird und die Zellkraftwerke (Mitochondrien) verbrauchen mehr Energie, die als kcal zugeführt wurde, um ATP herzustellen. Weiterhin steigt durch Aktivität bzw. Training die Muskelmasse (Muskelzellen mit Mitochondrien) und damit steigt der Kaloriengrundumsatz, da dieser von der Muskulatur und vom Körpergewicht abhänig ist. Mehr Muskulatur mit mehr Muskelzellen und den darin enthaltenen Zellkraftwerken (Mitochondrien) verbraucht also mehr Energie, die als kcal zugeführt wurde. Werden allgemein weniger kcal zugeführt als der Körper benötigt, nimmt man an Körpergewicht ab. Werden aber mehr kcal zugeführt als der Körper benötigt, nimmt das Körpergewicht durch Vergrößerung des Fettdepots zu. Wird nun mehr Eiweiß zugeführt als der natürliche Bedarf es verlange, werden die überschüssigen kcal des Eiweißes genau so in Fettdepots gespeichert, wie zuviel kcal durch zuviel Kohlenhydrate oder durch zuviel Nahrungsfette. Wenn allgemein weniger kcal an Energie zugeführt werden, als der Körper an Energie benötigt, werden zunächst die Energiespeicher (Glykogenspeicher) in Leber und Muskel entleert und dann zur Deckung des Energiebedarfs, neben den Fettsdepots, natürlich auch die Muskelmasse abgebaut und zur Energiegewinnung herangezogen (siehe Hungerstoffwechsel). Wenn dem Körper auf Dauer weniger kcal an Energie zugeführt werden, verlangsamen sich natürlich auch die Stoffwechselprozesse der Körperzellen. Der Körper spart an aufwendigen Zellstoffwechselprozessen und der Kaloriengrundbedarf sinkt. Außerdem nimmt bei abnehmender Muskelmasse auch der Kaloriengrundbedarf weiter ab, da der Grundbedarf vom Körpergewicht abhängig ist und die Muskulatur einen Großteil ausmacht. Die Muskulatur ist nämlich der größte Energieverbraucher des Körpers. Natürlich nimmt bei abnehmender Muskelmasse auch der Arbeitsumsatz ab, da weniger Muskelzellen auch weniger Energie bei Aktivität bzw. Training verbrauchen.
Je höher die körperliche Aktiviät bzw. je intensiver das körperliche Training, desto höher ist der Grundumsatz zuzüglich des Arbeitsumsatzes in kcal, eines Menschen (siehe Kalorienbedarfberechnung). Durch die Muskelaktivität wird der Zellstoffwechsel angeregt wird und die Zellkraftwerke (Mitochondrien) verbrauchen mehr Energie, die als kcal zugeführt wurde, um ATP herzustellen. Weiterhin steigt durch Aktivität bzw. Training die Muskelmasse (Muskelzellen mit Mitochondrien) und damit steigt der Kaloriengrundumsatz, da dieser von der Muskulatur und vom Körpergewicht abhänig ist. Mehr Muskulatur mit mehr Muskelzellen und den darin enthaltenen Zellkraftwerken (Mitochondrien) verbraucht also mehr Energie, die als kcal zugeführt wurde. Werden allgemein weniger kcal zugeführt als der Körper benötigt, nimmt man an Körpergewicht ab. Werden aber mehr kcal zugeführt als der Körper benötigt, nimmt das Körpergewicht durch Vergrößerung des Fettdepots zu. Wird nun mehr Eiweiß zugeführt als der natürliche Bedarf es verlange, werden die überschüssigen kcal des Eiweißes genau so in Fettdepots gespeichert, wie zuviel kcal durch zuviel Kohlenhydrate oder durch zuviel Nahrungsfette. Wenn allgemein weniger kcal an Energie zugeführt werden, als der Körper an Energie benötigt, werden zunächst die Energiespeicher (Glykogenspeicher) in Leber und Muskel entleert und dann zur Deckung des Energiebedarfs, neben den Fettsdepots, natürlich auch die Muskelmasse abgebaut und zur Energiegewinnung herangezogen (siehe Hungerstoffwechsel). Wenn dem Körper auf Dauer weniger kcal an Energie zugeführt werden, verlangsamen sich natürlich auch die Stoffwechselprozesse der Körperzellen. Der Körper spart an aufwendigen Zellstoffwechselprozessen und der Kaloriengrundbedarf sinkt. Außerdem nimmt bei abnehmender Muskelmasse auch der Kaloriengrundbedarf weiter ab, da der Grundbedarf vom Körpergewicht abhängig ist und die Muskulatur einen Großteil ausmacht. Die Muskulatur ist nämlich der größte Energieverbraucher des Körpers. Natürlich nimmt bei abnehmender Muskelmasse auch der Arbeitsumsatz ab, da weniger Muskelzellen auch weniger Energie bei Aktivität bzw. Training verbrauchen.
Letzte Änderung am Donnerstag, 12 Dezember 2013 14:41
Weitere Informationen
- Textquelle: Biochemie T. Kreuzig/Physiologische Chemie, Löffler
- Textquelle 2: Taschenatlas d. Physiologie, S.Silbernagl/A.Despopoulos
- Textquelle 3: Mossburger, SPORTMAGAZIN Jan. 1995