Metabolismus
Metabolismus ist die Summe der Vorgänge, die im menschlichen Körper ablaufen, um Energie und andere für seine Aktivitäten notwendige Stoffe zu erzeugen. In unserem Organismus gibt es katabole und anabole Prozesse.
Katabolismus ist ein Prozess, bei dem organische Materie abgebaut und gleichzeitig Energie freigesetzt wird. Er ist gekennzeichnet durch das Fehlen von Glykogenreserven und die Mobilisierung von nicht-saccharidischen Energiequellen – Fette und Proteine. Der Katabolismus findet bei erhöhter Bewegungsaktivität statt und ist für die Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen notwendig.
Der Anabolismus hingegen ist ein energieverzehrender Prozess, bei dem Stoffe gebildet werden. Das Substratangebot übersteigt den unmittelbaren Bedarf. Der Organismus legt Energiereserven an, Gewebe wird aufgebaut und erneuert. Anabole Prozesse sind in Situationen mit reduzierter körperlicher Aktivität vorherrschend.
Die Grundnährstoffe (Kohlenhydrate, Lipide, Proteine) sind in der Nahrung enthalten. Diese werden durch das Verdauungssystem umgewandelt und absorbiert. Kohlenhydrate werden in einzelne Kohlenhydrate (Monosaccharide) zerlegt, wobei die Glukose zu den wichtigsten gehört. Lipide werden in freie Fettsäuren und Glycerin zerlegt. Proteine zerfallen in Aminosäuren. Diese einfachen Stoffe können dann an komplizierteren Prozessen beteiligt sein.
Kohlenhydrate werden sowohl bei anaeroben als auch bei aeroben Aktivitäten verwendet. ATP wird aus Glykogen (Muskelglykogen, Leberglykogen) resynthetisiert, das sich in Glukose umwandelt. Der Vorrat an Glykogen im menschlichen Körper ist begrenzt. Lipide werden bei ausdauernden Bewegungsaktivitäten mit geringer Intensität verwendet. Während die Verwendung von Proteinen bei der ATP-Resynthese sehr begrenzt ist, werden freie Fettsäuren in großem Umfang verwendet. Glukose wird durch Glukoneogenese erzeugt.
Muskelstoffwechsel
Muskeln benötigen Energie, um Kontraktionen zu erzeugen (Abb. 6). Die Energie wird aus Adenosintriphosphat (ATP) gewonnen, das in den Muskeln vorhanden ist. Muskeln enthalten in der Regel nur begrenzte Mengen an ATP. Wenn sie erschöpft sind, muss ATP aus anderen Quellen, nämlich Kreatinphosphat (CP) und Muskelglykogen, resynthetisiert werden. Weitere Glykogenvorräte sind in der Leber gespeichert, und der menschliche Körper ist auch in der Lage, ATP aus Lipiden, d. h. freien Fettsäuren, zu resynthetisieren. Je nach Intensität und Dauer der Belastung des Organismus werden unterschiedliche Formen der Energiebereitstellung genutzt.
Abbildung 6 Energie für die Muskeln
Das ATP-CP-System
Das oben erwähnte ATP und CP sind die Energiequellen der Muskelkontraktion (Abb. 7, 8, 9). Die Energiegewinnung für die Muskelkontraktion erfolgt auf anaerobem Weg (ohne Sauerstoff).
Abbildung 7 ATP-Molekül
Abbildung 8 ATPase (ATP-Abbau und Energiegewinnung für die Muskelkontraktion)
Abbildung 9 ATP-Resynthese aus CP
Anaerobe Glykolyse
Es ist ein chemischer Prozess, bei dem ATP aus Glykogen, d. h. Glukose, in einem anaeroben Prozess erneuert wird.d.h. Glukose, auf anaerobe Weise (ohne Zugang zu Sauerstoff) erneuert wird. Bei diesen Prozessen entsteht in den Muskeln Laktat, d. h. ein Salz der Milchsäure. Bei diesem Energiesystem werden 2 Moleküle ATP erzeugt. Glykolyse – Umwandlung von Glukose in 2 Moleküle Pyruvat, wobei der Nettoertrag aus ATP-Molekülen und 2 NADH-Molekülen besteht (anaerober Abbau von Glukose in Pyruvat und Laktat) – siehe. Abb. 10.
Oxydatives System
Dies ist ein chemischer Prozess, bei dem die ATP-Resynthese auf aerobem Weg (mit Zugang zu Sauerstoff) stattfindet. Als Energiequellen dienen hier sowohl Glykogen oder Glukose als auch freie Fettsäuren.
Die aerobe Glykolyse findet im Zytoplasma der Zelle statt, wo 34 ATP-Moleküle aus dem Glykogen, d.h. Glukose bei Anwesenheit von Sauerstoff (Abb. 10).
Abbildung 10 Anaerobe und aerobe Glykolyse
Freie Fettsäuren, die in den Mitochondrien der Muskelfasern in Acetyl-CoA umgewandelt werden, werden für die ATP-Resynthese verwendet. Acetyl-CoA gelangt in den Krebs-Zyklus und so werden ATP-Moleküle erzeugt.
Je nach Intensität einer ausgeführten Bewegungsaktivität werden die einzelnen Energiesysteme beteiligt. Wird die Leistung auf maximalem Niveau ausgeführt, kommt es zu einer allmählichen Beteiligung aller Systeme (Abb. 11, 12).
Abbildung 11 Energiebereitstellung bei maximaler Arbeitsbelastung
Abbildung 12 Energiebereitstellung bei maximaler Arbeitsbelastung
Typen von Muskelfasern
Die menschlichen Muskelfasern haben unterschiedliche Eigenschaften. Obwohl heute fast 30 Muskelfasertypen im menschlichen Körper bekannt sind, arbeiten wir in der Regel nur mit den folgenden drei Typen:
Slow red muscle fibre I (SO – langsame oxidative Fasern)
Die langsame rote Muskelfaser zeichnet sich durch eine hohe aerobe Kapazität und Ermüdungsresistenz aus. Da ihre anaerobe Kapazität langsam ist, sind sie nicht in der Lage, große Muskelkraft zu zeigen. Die Muskelkontraktion ist eher langsam – 110 ms/Muskelkontraktion. Eine motorische Einheit enthält etwa 10-180 Muskelfasern.
Schnelle rote Muskelfaser IIa (FOG – schnelle oxidative glykolytische Fasern)
Die schnelle rote Muskelfaser teilt einige Eigenschaften mit der langsamen Faser oder der Faser vom Typ IIx. Diese Faser zeichnet sich durch eine mittlere aerobe Kapazität und Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdung aus. Sie weist auch eine hohe anaerobe Kapazität auf und ist in der Lage, eine große Muskelkraft zu entwickeln. Die Kontraktionsgeschwindigkeit beträgt 50 ms/Muskelkontraktion. Eine motorische Einheit enthält etwa 300-800 Fasern.
Schnelle weiße Faser IIx (FG – schnelle glykolytische Faser)
Im Gegensatz zu den zuvor genannten Typen ist die schnelle weiße Faser durch eine geringe aerobe Kapazität und eine Tendenz zur schnellen Ermüdung gekennzeichnet. Andererseits verfügt sie über die größte anaerobe Kapazität und ist in der Lage, eine beträchtliche Muskelkraft zu entwickeln. Die Kontraktionsgeschwindigkeit beträgt 50 ms/Muskelkontraktion. Eine motorische Einheit enthält etwa 300-800 Fasern.
Das Volumen dieser Art von Muskelfasern ist genetisch gegeben (bis zu 90 %) (Jančík et al., 2007) und variiert bei einzelnen Personen. In der Durchschnittsbevölkerung ist das Verhältnis von langsamen zu schnellen Fasern 1:1. Die folgende Abbildung (Abb. 13) zeigt das Verhältnis von langsamen zu schnellen Fasern bei Sportlern in verschiedenen Disziplinen.
Abbildung 13 Verhältnis von schnellen (Typ FG und FOG) zu langsamen (Typ SO) Fasern bei verschiedenen Sportlern
Bei der Muskelkontraktion werden die einzelnen Muskelfasertypen in Abhängigkeit von der Intensität der Muskelbewegung aktiviert. Bei geringer Trainingsintensität werden hauptsächlich langsame Fasern rekrutiert. Mit zunehmender Intensität der Bewegung werden jedoch schnelle Fasern aktiviert. Dabei ist zu beachten, dass das Faserverhältnis in den verschiedenen Muskeln des menschlichen Körpers unterschiedlich ist. Haltungsmuskeln enthalten zum Beispiel tendenziell mehr langsame Fasern.