Die muskuläre Energiebereitstellung im Sport
Gehen wir nun genauer auf die einzelnen Mechanismen der Energiebereitstellung ein.
1. Anaerob - alaktazide Energiebereitstellung:
Wie bereits festgestellt, kann die mittels der "energiereichen Phosphate" (ATP, Kreatinphosphat) direkt verfügbare chemische Energie am schnellsten umgesetzt werden und ermöglicht damit die höchstmögliche Leistung. Jedoch ist diese Energiequelle sehr klein und reicht nur für kurze Zeit, nämlich 6 bis 10 (max. 15) Sekunden. Sie ist entscheidend für Maximal- und Schnellkraft sowie Schnelligkeit (Beispiele: 100m-Sprint, Gewichtheben, Kugelstoßen, Hochsprung usw.)
Die dabei verbrauchten energiereichen Phosphate sind aber auch sehr rasch wiederhergestellt (je nach Trainingszustand nach einigen Sekunden bis wenigen Minuten).
Seit einigen Jahren ist in Kraft- und Sprintsportarten die hochdosierte Einnahme von Kreatin üblich, um dadurch den Kreatinphosphatspeicher der Muskulatur zu vergrößern und damit die Leistung zu steigern.
2. Anaerob-laktazide Energiebereitstellung (Anaerobe Glykolyse):
Dieser für Kraftausdauer und vor allem Schnelligkeitsausdauer entscheidende Mechanismus stellt die nötige Energie für eine sehr intensive, maximal mögliche Leistung zwischen 15 und 45 (max. 60) Sekunden zur Verfügung. Für eine rein alaktazide Energiegewinnung ist in diesem Fall die Belastungsdauer bereits zu lang, für eine Mitbeteiligung der aeroben Glukoseverbrennung zu kurz und die Belastungsintensität zu hoch.
Dabei wird die aus dem Muskelglykogen stammende Glukose unvollständig verbrannt, wobei Laktat ("Milchsäure", genauer: das Anion der Milchsäure) entsteht, das sich infolge der Protonenbildung (H+) in der beanspruchten Muskulatur anhäuft. Es kommt zu einer metabolischen Azidose ("Übersäuerung"), die nicht nur schmerzhaft, sondern letztendlich leistungslimitierend ist, da im sauren Milieu (die Grenze liegt bei einem pH von 7) durch eine Enzymhemmung die Muskelkontraktion gehemmt wird - man ist "blau", wie es im Fachjargon heißt.
Bei der anaeroben Glykolyse werden aus dem Abbau von 1 mol Glukose zu 2 mol Laktat nur 2 mol ATP gewonnen. Bei vollständiger Oxidation von 1 mol Glukose (siehe unten bei Punkt 3) werden 38 mol ATP gewonnen.
Für die, die es genauer wissen wollen:
Für die Übersäuerung ist die Bildung von Protonen (so nennt man die positiv geladenen Wasserstoffionen = H+) verantwortlich. Die weitverbreitete Auffassung, dass es die Bildung von Laktat sei, die für die metabolische Azidose verantwortlich ist, stimmt nicht. Richtiger ist es, von einer Azidose durch Milchsäurebildung zu sprechen, wenngleich auch das biochemisch nicht ganz korrekt ist, weil im anaeroben Energiestoffwechsel die Milchsäure nicht als solche, sondern in ihrer dissoziierten Form gebildet wird (Milchsäure = Laktat - + H + ). Laktat und Protonen entstehen also zu gleichen Teilen. Laktat ist somit nicht für die muskuläre Übersäuerung verantwortlich, vielmehr kann es als Anion der Milchsäure der Azidose sogar entgegenwirken, weil die Umwandlung von Pyruvat zu Laktat durch die Laktatdehydogenase (LDH) einen Teil der Protonen aufnimmt, die bei der Umwandlung von Glukose zu Pyruvat freigesetzt werden. Laktat wirkt in diesem Fall sogar als Puffer. Eine weitere Freisetzung von Protonen tritt bei der Hydrolyse von ATP auf. Mit zunehmender Belastungsintensität und damit Energieflussrate kommt es durch die Glykolyse zu einer gesteigerten ATP-Hydrolyse und einer zunehmenden Protonenfreisetzung im Zytosol der Muskelzelle. Wenn deren Pufferkapazität erschöpft ist, kommt es zur Azidose. Die zunehmende Laktatproduktion ist somit eine Folge und nicht die Ursache der metabolischen Azidose. Laktat ist somit ein guter indirekter Marker für den veränderten Zellstoffwechsel, der zu einer Azidose führt, aber es ist nicht für diese verantwortlich!
[siehe „Belastungsbedingte metabolische Azidose: Woher kommen die Protonen?“
von R.A.Robergs und M.Amann, Österr. Journal für Sportmedizin 03/2003,
http://www.sportmedizin.or.at/download/journal/200303/200303Robergs.pdf]
Klassisches Beispiel hiefür ist der 400m-Lauf (wo die Athleten auf den letzten Metern durch die extreme Übersäuerung auffallend langsamer werden), weiters der 500m-Eisschnellauf, das 1000m-Bahnzeitfahren, aber auch ein langgezogener Endspurt im Langstreckenlauf.
400m-Sprinter erreichen aufgrund ihrer großen anaeroben Kapazität und Säuretoleranz die höchsten Laktatwerte überhaupt (bis 30 mmol/l). Da die Protonen aus dem „sauren“ Muskel in den Kreislauf gelangen, kommt es zu einer kurzzeitigen extremen Übersäuerung des Organismus, die normalerweise nicht mit dem Leben vereinbar wäre (metabolische Azidose mit pH-Werten bis herunter zu 7, im beanspruchten Muskel beträgt der lokale pH-Wert kurzfristig sogar unter 7). Nach Abbruch der anaeroben Ausbelastung spürt man aber durch die Abpufferung und respiratorische Kompensation der Azidose ein rasches Nachlassen des „Muskelbrennens“. Gleichzeitig wird das angehäufte Laktat nach Belastungsende parallel zu den Protonen (Laktat/H+ - Kotransport) innerhalb von Minuten wieder beseitigt, indem der in der Muskulatur verbleibende Anteil via Umwandlung zu Pyruvat aerob verstoffwechselt (vollständig verbrannt) wird. Das in den Blutkreislauf ausgeschwemmte Laktat wird in der Leber und Muskulatur über Glukose zu Glykogen aufgebaut, aber auch von der Herzmuskulatur zur Energiegewinnung herangezogen (Übrigens: Laktat hat nichts mit dem „Muskelkater“ zu tun, wie manche immer noch meinen).
Laktat ist somit kein „Abfallprodukt“, sondern dient sowohl der Energiespeicherung als auch als Energielieferant.
Deshalb ist es wichtig, nach einer intensiven anaeroben Belastung diese für mehrere Minuten langsam ausklingen zu lassen (Auslaufen, Ausradeln...), da damit der Laktatabbau und damit die muskuläre Erholung wesentlich rascher bewerkstelligt wird als im Falle körperlicher Ruhe. Man nennt dies aktive Erholung.
3.Aerobe Energiebereitstellung (Glukose- und Fettsäureoxidation):
Dieser Mechanismus der ATP-Gewinnung kommt bei den Ausdauersportarten zum Tragen, bei denen die maximale Sauerstoffaufnahme (VO2max) entscheidend ist.
Dauert die körperliche Belastung einer größeren Muskelgruppe länger als 90 Sekunden, beginnt die aerobe (=oxidative) Energiegewinnung die entscheidende Rolle zu spielen (Wie schon oben erwähnt, beginnt die Fettverbrennung nicht erst nach einer halben Stunde!).
Es werden immer die beiden Nährstoffe Kohlenhydrate und Fette als Energielieferanten herangezogen ("Die Fette verbrennen im Feuer der Kohlenhydrate": damit die gemeinsame Bildung von Acetyl-CoenzymA gemeint, welches in den Citratzyklus eingeschleust wird), wobei je nach Belastungsintensität ein fließender Übergang in der anteilsmäßigen Energiebereitstellung besteht, der vor allem vom Trainingszustand abhängt.
Bei sehr intensiven aeroben Anforderungen (z.B. 5000m-Lauf) werden so gut wie ausschließlich Kohlenhydrate (in Form von Glykogen bzw. Glukose), bei extensiveren, längerdauernden Belastungen (z.B. im Straßenradrennsport) umso mehr Fettsäuren verbrannt.
Bei intensiven Ausdauerbelastungen wird die Glukose zum Teil unvollständig verbrannt, ist also auch die anaerobe Glykolyse zu einem gewissen Prozentsatz an der ansonst aeroben Energiebereitstellung mitbeteiligt. In diesem Fall müssen sich aber Laktatbildung (anaerob) und Laktatabbau (aerob) die Waage halten, um eine Übersäuerung zu vermeiden. Dies entspricht dann der individuell maximal möglichen Intensität, die über einen längeren Zeitraum aufrecht erhalten werden kann, der sog. "Schwellenleistung" an der sog. anaeroben Schwelle (genauer: aerob-anaerobe Schwelle bzw. Dauerleistungsgrenze), dem entscheidenden Kriterium im Ausdauersport. Die anaerobe Schwelle wird oft mit 4 mmol/l Laktat angegeben, dies ist jedoch nur ein Durchschnittswert, weshalb sie im Leistungssport individuell ermittelt werden sollte (Bei z.B. MarathonläuferInnen liegt die Dauerleistungsgrenze deutlich unter 4 mmol/l, bei Untrainierten meist darüber).
Bei zu hoch gewählter Belastungsintensität (oberhalb der anaeroben Schwelle) würde die zunehmende muskuläre Übersäuerung mit entsprechender Anhäufung von Protonen und damit auch Laktat (Laktatbildung größer als Laktatelimination) zum vorzeitigen Abbruch der Belastung zwingen (siehe Punkt 2).
All das spielt bei der Leistungsdiagnostik und Trainingssteuerung im Ausdauersport eine wesentliche Rolle.
Die muskulären Glykogenreserven sind bei intensiver Dauerbelastung je nach Trainingszustand nach 60 bis 90 Minuten weitgehend erschöpft. Bei Fortsetzung der Ausdauerbelastung ist der Muskelstoffwechsel nun auf eine vermehrte Fettverbrennung angewiesen, wobei diese Energiebereitstellung mehr Sauerstoff benötigt und nur halb so schnell wie bei der oxidativen Glukoseverbrennung erfolgt (niedrigere Energieflussrate, siehe oben). Das hat zur Folge, dass in der Regel eine Verminderung der Belastungsintensität (z.B. der Laufgeschwindigkeit) notwendig ist (Der berüchtigte “Mann mit dem Hammer" z.Bsp bei einem Marathonlauf, den man sich nicht gut eingeteilt hat bzw. wenn man auf eine regelmäßige Kohlenhydratzufuhr “vergessen“ hat.
Noch schlimmer ist es, wenn durch ungenügende oder “vergessene“ Kohlenhydratzufuhr auch der Glykogenspeicher der Leber zur Neige geht, weil es dann zu einem Abfall des Blutzuckerspiegels kommt. Dies kann zu einem “Hypo“ (=Hypoglykämie, BZ unter 50mg/dl) führen, das in Radsportkreisen als “Hungerast“ bekannt und gleichermaßen gefürchtet ist, weil es einen “Schwächeanfall“ bewirkt [Erklärung: Der Blutzuckerspiegel wird durch den Glukosestoffwechsel der Leber aufrechterhalten (Glykogenolyse und Gluconeogenese). Das in den Muskelzellen gespeicherte Glykogen wird “vor Ort“ verbraucht und trägt nichts für den Blutglukosespiegel bei].
Die entleerten Glykogenspeicher der Muskulatur werden bei entsprechender Ernährung (kohlenhydratreich) und v.a. durch eine Kombination aus Kohlenhydraten mit hohem glykämischen Index und Proteinen innerhalb der ersten zwei Stunden nach Belastung (“open window“), je nach Trainingszustand innerhalb von ein bis drei Tagen wieder aufgefüllt.
Um die Kapazität der muskulären Glykogenreserven vor einem Ausdauerwettkampf zu erhöhen ("Kohlenhydrat-Laden", "Tapering"), gibt es verschiedene Methoden, die man allerdings vorher ausprobieren muss. Meist wird ca. 5 Tage vor dem Wettkampf durch eine intensive Trainingseinheit von ca. eineinhalb Stunden der muskuläre Glykogenspeicher geleert. Die nachfolgenden 3 Tage wird die Muskulatur durch weitgehend kohlenhydratfreie Kost sowie weiterem Training regelrecht "ausgehungert" und anschließend ein bis zwei Tage bis zum Wettkampf mit ausgiebiger Kohlenhydratnahrung "gefüttert".
Unsere praktisch unerschöpflichen Fettreserven ermöglichen ultralange Ausdauerleistungen, die natürlich mit entsprechend niedriger Intensität ausgeführt werden müssen. Beispiele: Der Triple - Iron Man - Triathlon oder - noch extremer - das Race Across America (RAAM). [www.meneweger.at]
Bei Ausdauerbelastungen, die länger als zwei Stunden dauern, ist ein gut trainierter Fettstoffwechsel entscheidend, damit er trotz der relativ langsamen Energiebereitstellung eine möglichst hohe Belastungsintensität bei gleichzeitiger Einsparung der wertvollen Glykogenreserven ermöglicht.
