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Schwimm-Ratgeber

Energieübertragung im Muskel

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Die unmittelbare Energiequelle für die Muskelkontraktion  ist die Adenosintriphosphorsäure (ATP) ist, die sich dabei unter Abspaltung von einem Phosphatmolekül in Adenosindiphosphorsäure (ADP) umwandelt, und freie Energie liefert. Dabei ist prinzipiell festzustellen, daß die Aufnahme von Phosphaten an die entsprechenden Verbindungen (Adenosin und Creatin) Energie benötigt und spendiert und umgekehrt Abgabe von Phosphaten Energie freisetzt. So ist z.B. die ATP und die Creatinphosphorsäure (CrP) eine stark energiehaltige Phosphatverbindung. Nach Abspaltung von Phosphatresten ist der Energiegehalt geringer. Zum Aufbau der energiereichen Substan zen wird chemische Energie durch Verbrennung der Nährstoffe geliefert. Daraus geht hervor, dass die Phosphatverbindungen eine Schlüsselstellung in der Energieübertragung im intermediären Stoffwechsel, insbesondere auch der Muskelzelle darstellen und daß die ATP die alleinige und unmittelbar verwertbare Energiequelle zur Muskelkontraktion darstellt und die anaeroben (Glukose) und aeroben chemischen Vorgänge mit dem energieliefernden Abbau von Glukose, Fettsäuren, Glyzerol, Aminosäuren, Lactat, Pyruvat u. a. nur zur Aufladung der "Phosphatenergie" dienen. In Abb. 4 sind diese Vorgänge

 

Muskel

der Freisetzung der Energie und Überrtragung im Stoffwechsel noch einmal schematisch zusammengestellt. Daraus ist auch zu sehen, daß die vom Darm aufgenommenen Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße (entsprechend freie Fettsäuren, Glukose und Aminosäuren in den KREBS-zyklus über das Acetyl Coenzym A eingeschleust werden, wobei eine weitere wichtige Substanz, nämlich das Nikotinsäureadenindinucleotid (NAD), welches als Wasserstoffakzeptor (NAD H2) und Wasserstoffüberträger dient, und dabei bei außerordentlich zahlreichen Reaktionen im Stoffwechsel Energie weitergibt, das gilt sowohl für den anaeroben als vor allem aber für den aeroben Stoffwechsel.

Der normale Muskel enthält eine geringe Menge ATP (5 my/Mol/g Muskelfeuchtgewicht). Der ATP-Gehalt läßt sich zwar durch Training erhöhen, jedoch spielen diese Größenordnungen für die Energielieferung nur eine relativ untergeordnete Rolle, da die muskelgespeicherte ATP-Energie nur für einige wenige Muskelkontraktionen ausreicht. Es ist demnach für die Funktion von grundlegender Bedeutung, daß die ATP durch Resynthese möglichst rasch wieder aufgebaut wird. Da bei der Kontraktion von der ATP, die aus der Adeninribose und drei Phosphatresten besteht, die letzte Phosphatgruppe abgespalten wird, kann zur schnellen Regenerierung der dabei entstehenden ADP sofort durch Abspaltung von Phosphaten aus der Creatinphosphorsäure die ADP wieder zu ATP regeneriert werden. Bei hoher Belastung unter anaeroben Bedingungen kann auch aus 2 ADP unter Einwirkung von Myokinase ein ATP und ein AMP (Adenosinmonophosphat) gebildet werden, wobei dann vom Adenosintriphosphat noch ein zweiter Phosphatrest abgesparlen wird. Die einzelnen Vorgänge sind in Abb. 5 zusammengestellt.

Muskel
 

 

Am Anfang der Arbeit stehen also die energiereichen Phosphate ATP und CrP zur Verfügung, deren Energie im Höchstfalle für eine Arbeit von 15 Sekunden ausreicht. Dabei geht der Energiestoffwechsel in der Zelle nach folgendem Schema vor sich:

1. ATP ----- ADP = Phosphat + Energie

2. Creatinphosphat + ADP ------ Creatinin + ATP

Die unter 1 ablaufende Reaktion kann durch Zufuhr von Energie aus dem Stoffwechsel in Richtung von Bildung ATP gelenkt werden, dabei hängt die Energiebereitstellung vom Maß des mit dem Blut zugeführten Sauerstoffs ab.

Mit Beginn der Belastung wird über den anaeroben Weg der Glykolyse durch anaeroben Abbau der Glukose zu Lactat (Milchsäure) Energie bereitgestellt. Diese Energiebilanz bietet folgendes Bild.

1 Glucose + 2 Phosphat + 2 ADP = Lactat + 2 ATP

Aus einem Glucosemolekül wird also bei anaerobem Abbau zur Milchsäure Energie gebildet, die in der Lage ist, 2 ADP zu ATP aufzuladen. Durch anaerobe Glvkolyse ist der Organismus in der Lage soviel ATP zu regenerieren, daß für maximal 2 Minuten Arbeitsenergie zur Verfügung steht. Durch die dabei sich bildende Milchsäure wird der Reiz für eine stärkere Sauerstoffaufnahme und damit höhere Leistung gesetzt. Je höher die Konzentration an Pyruvat und Lactat (Milchsäure) ist, umso stärker der Reiz für die Sauerstoffaufnahme. Daraus geht hervor, daß also am Anfang einer jeden Belastung immer die anaeroben Prozesse die Initialzündung für die oxydativen Prozesse darstellen (s. Abb. 4).

 

Die jetzt einsetzenden oxydativen Prozesse liefern erheblich mehr Energie als die anaeroben. So ergeben z. B. 1 Mol Glucose bei der Oxydation soviel Energie, daß 38 Moleküle ADP zu ATP aufgebaut werden können (zum Vergleich: 1 Mol Glucose bei anaeroben Abbau zu Lactat 2 ATP).

1 Glucose + 38 P + 38 ADP + 6 02 = 44 H20 + 6 02 + 38 ATP

Auch am Beispiel der Fettsäuren (in unserem Falle Palmitinsäure) kann der hohe energieliefernde Wert der oxydativen Abbauvorgänge dargestellt werden. So liefert 1 Mol Palmitinsäure die Energie, die notwendig ist, um 130 ADP zu ATP aufzubauen.

1 Palmitinsäure + 130 P + 130 ADP + 23 02 = 146 H20 + 16 CO2 + 130 ATP

Aus dieser Zusammenstellung geht aber noch eine weitere, sehr wichtige Erkenntnis für die Ernährungsbedürfnisse hervor, daß nämlicb die Energieausbeute wegen des unterschiedlichen intramolekularen Sauerstoffgehaltes der Fettsäuren und der Glucose sehr verschieden ist.

 

So ergibt pro Mol Sauerstoff beim Abbau von Glucose 6,34 Mol ATP, bei einem Abbau von Glykogen 6,50 Mol ATP aber nur 5,7 Mol ATP wenn Fettsäure oxydiert wird. Dzs bedeutet, daß die Energ;e, die 1 Mol Sauerstoff bei der Verbrennung von Fettsäure um 13% niedriger liegt, als bei der Verbrennung von Glucose und sogar um 16 % niedriger gegenüber der Glykogenverbrennung. Daraus geht eindeutig hervor, daß bei Dauerleistungen, bei denen die Sauerstoffaufnahme der Faktor darstellt, die Verbrennung von Kohlenhydraten wesentlich günstiger ist, als die Verbrennung von Fetzsäuren.

 

KEUL und Mitarbeiter haben bei einer Belastung von 200 Watt den Anteil der einzelnen Substrate am oxydativen Stoffwechsel gemessen (siehe Abb. 6).

 
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Daraus geht hervor, daß die freie Fettsäure fast ein Drittel und die Kohlenhydrate (Glykogen und Glucose) ca. 2/3 des oxydativen Stoffwechsels decken. Der Anteil der Aminosäuren ist von sehr geringer Bedeutung (ca. 2-3%). Der Anteil der Kohlenhydrate und Fettsäuren kann natürlich je nach Angebot, Stärke und Dauer der Belastung erheblich wechseln. In Ruhe wird z. B. etwa 80% des oxydativen Stoffwechsels durch Glucose bzw. Glykogen gedeckt, bei sehr lang dauernden Leistungen mit Erschöpfung der Kohlenhydratreserven, steigt der Anteil der Fettsäuren an und kann in extremen Fällen nach KEUL bis zu 80% betragen.

ASTRAND hat die einzelnen Energiedepots zahlenmäßig zusammengestellt und die Tabelle 7 zeigt, daß die Depots an Phosphatenergie sehr begrenzt sind.

Als nächste anaerobe Energiequelle steht dann der Abbau der Glukose oder des Glykogens zu Milchsäure und Pyruvat zur Verfügung. Durch die Ansammlung dieser Stoffwechselprodukte wird der Mechanismus der erhöhten Sauerstoffzufuhr in Gang gesetzt, der dann die großen Energiemengen aus den Nährstoffen freisetzen kann.

Je kürzer die Übung umso größer der anaerobe Anteil an der Energiebereitstellung (02-Schuld, die nach der Belastung abgedeckt wird). Je länger die Belastung umso größer der Anteil der wesentlich ökonomischeren aeroben oxydativen Energiebereitstellung, die vom Sauerstoffaufnahmevermögen abhängig ist. Eine Maximalleistung von etwa 10 Sekunden, z. B. ein 100-m-Lauf, wird ausschließlich anaerob bestritten. Bei 2 Minuten Maximalarbeit wird die Energiemenge zu etwa gleichen Teilen aerob und anaerob bereitgestellt, ab 10 Minuten ist die anaerobe Kapazität fast ausschließlich für die Leistung verantwortlich.

Diese Vorgänge haben KEUL U. Mitarbeiter in Abb. 7 zusammengefaßt, aus der Einzelheiten zu entnehmen sind.

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