29.03.17

Was hat denn der "Mann mit dem Hammer" mit den Mitochondrien zu tun?!

Natürlicherweise beschäftigen sich Läufer mit Trainingsplänen! Erst recht, wenn man auf einen Marathon "zusteuert". Fragen der Ernährung haben ebenfalls eine besondere Bedeutung. Daneben gibt es die Angst an seine Grenzen zu gelangen und das Ziel nicht erreichen zu können. Viele Dinge hängen enger zusammen als man denkt und ein wenig Wissen über die biochemischen Hintergründe der Energiebereitstellung in unserem Körper erleichtern das Verständnis für gewisse Trainingskonzepte. Diese Post richtet sich ausdrücklich an alle ambitionierten Ausdauersportler mit Biochemie-Phobie. Ich habe versucht, die wichtigsten Punkte in verständlichen Worten zusammenzufassen und mit vielen Bildern zu erläutern. Der Post verbindet die Themen Training / Wettkampf / Ennergiebereitstellung / Ernährung.

Bildquelle: Internet


Riesiges Energiepotential durch Training nutzbar machen!
Unser Körper nutzt während sportlicher Aktivitäten zwei wesentliche Quellen zur Energiebereitstellung: Fette & Kohlenhydrate! Fette sind eine unbegrenzte Ressource zur Energiebereitstellung mit dem entscheidenden Nachteil, dass die Energie nur sehr langsam bereitgestellt wird. Je schneller und/oder länger man läuft, umso stärker wird diese Energiequelle verbraucht! Und da kommt nun das zweite Problem hinzu. Unser Körper kann Kohlenhydrate nicht unbegrenzt speichern:-( Wenn man am Tag vor dem Rennen genügend Kohlenhydrate aufgenommen hat um die (durch das Training erweiterten) Depots randvoll zu füllen, hat man ausreichend viel Energie um ca. 90min. Muskelleistung im Halbmarathontempo bzw. 2 Stunden im Marathontempo auf die Strecke zu bringen. Danach werden die Speicher immer leerer! 

Energiespeicher Glykogen 
Der Glykogenspeicher des menschlichen Körpers bezeichnet die in Form von Glykogen gespeicherten Kohlenhydrate bzw. Glukosemoleküle aus der Nahrung. Die Kohlenhydrate, als  die primären und schnellsten Energielieferanten eines Ausdauersportlers werden als Energiereserven im Körper in Form des Glykogen, in der Leber und in den Muskeln gespeichert werden. Das gespeicherte Glykogen befindet sich, je nach Muskelmasse, zu 1/3 in der Leber und zu 2/3 in der Muskulatur. Die verschiedenen Speicherstätten im Körper übernehmen dabei unterschiedliche Versorgungsaufgaben:


  • Leberglykogen - Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels, Versorgung des Gehirns, der roten Blutkörperchen und Nervenzellen 

  • Muskelglykogen - Resynthese des „Zelltreibstoffs“ ATP, Muskelkontraktion.

Energiespeicher Fettdepots
Die Fettdepots des Körpers sind zwar wessentlich umfassender, jedoch schwerer als verfügbare Energie bereitzustellen. Für die Bildung des ATP wird wesentlich mehr Sauerstoff benbötigt! Beim Ausdauersport ist man also gezwungen, neben den Glykogendepots auch die gespeicherten Fette zur Energiegewinnung heranzuziehen, um den begrenzten Glykogen-Speicher zu schonen. Bei gut trainierten Sportlern nimmt der Energieanteil der Fett, zu Beginn des Rennens, ca. 25% an! Ein wichtiges Ziel von Ausdauertraining richtet sich also auch an die Verbesserung des Fettstoffwechsels.

Trainingseffekte - Ausbau der Glykogenspeichern 
Ein normaler, untrainierter Mensch verfügt über einen Glykogenspeicher von ungefähr 300 bis 400g Glykogen. Durch Training sind Ausdauersportler in der Lage ein weit größeres Glykogendepot von bis zu 600g aufzubauen. (Quelle: Chemie.de)
 Die Vorbereitung auf die Ausnahmebelastung geschieht zum Beispiel durch "Nüchternläufe" (vor dem Frühstück), welche den Fettstoffwechsel trainieren und lange langsamen Trainingsläufe die den Körper vorsichtig an die Belastung heranführen und ebenfalls den Fettstoffwechsel trainieren. 

Vier verschiedene Wege der Energiegewinnung aus Glykogen (1-2), Fett (3) & Eiweiß (4)

Die Energie, welche uns durch die Nahrung (Kohlenhydrate, Fette) zugeführt wird, können wir nicht sofort als Quelle für körperliche Leistungen verwenden. Vielmehr wird  aus der  Energie unserer Nahrung für unseren "Muskelmotor"  eine energiereiche Struktur synthetisiert - das Adenosintriphosphat (ATP). Der ATP-Vorrat im Muskel ist sehr gering. Schätzungsweise lassen sich damit etwa 3-4 maximale Muskelkontraktionen durchführen, was einer Arbeitsdauer von 1-2 s bei starker körperlicher Belastung entspricht. Deshalb muss ATP ständig resynthetisiert werden, damit die intramuskuläre ATP-Konzentration auch bei körperlicher Leistung relativ konstant bleibt.

Die "Energiewährung der Zelle
ATP kann als universeller direkt "anzapfbarer Energiespeicher" bezeichnet werden, der in allen lebenden Zellen, besonders in der Muskelzelle, vorhanden ist.

"Kraftwerke der Zellen" - Mitochondien
In unseren Zellen (besonders Muskelzellen) gibt es Organellen (membranumschloßene Bereiche mit spezieller Funktion) die verschiedene Aufgaben übernehmen. Die Mitochondrien werden oft als "Kraftwerke der Zellen" bezeichnet, weil hier der größte Teil der  Energie aufgebaut und den Körperfunktionen zur Verfügung gestellt wird.Die Energie wird im ATP gespeichert zum Muskel transportiert und durch Abspaltung der dritten Phoshatstelle (aus ATP wird ADP, Adenosindiphosphat) bei der Muskelaktivität verbraucht.




 Das ADP, als energieärmeres Molekül wird wieder zu den Mitochondien transportiert und steht nach erneuter Synthese von ATP für den Energietransport zur Verfügung.



Energietransport
Das ATP ist vergleichbar mit einem Tanklastwagen der (Brennstoff,-) Energie von der Raffinerie (Mitochondrium ) zum Auto (Muskel) transportiert. Der leere Tankwagen kehrt zur Raffinerie zurück um kontinuierlich neue Energie aufzunehmen und abzuliefern!


Resynthese ATP / Mikroskopische Aufnahme Mitochondrium
In der Regel dient bei der Muskelarbeit Glycogen als Ausgangssubstanz zur Bildung von ATP im Rahmen von physiologisch biochemischen Prozesse  (Glycolyse, Citrat-Zyklus & Atmungskette). Diese sind in der Abbildung vereinfacht zusammengestellt. Alle Wege dienen dazu, ATP aufzubauen , das direkt als Auslöser in die Muskelkontraktion eingreift.



Was hat denn nun der Mann mit dem Hammer mit den  Mitochondrien zu tun?

Dazu müssen wir uns die Frage stellen - Wo wird ATP gebildet?

ATP wird in drei verschiedenen  biochemischen Prozessen synthetisiert:

Bei der Glykolyse  (im Cytoplasma jeder Zelle)

Im Zitratzyklus (in der Matrix der Mitochondrien)
In der Atmungskette (inneren Membran der Mitochondrien

Um im Bild des Kraftwerks (der Zelle) zu bleiben, besteht das zelleigene Kraftwerk  "Mitochondrium" aus zwei Kraftwerksblöcken: Block I: in der Matrix /Zitratzyklus /wenig ATP-Energie) Block II: innere Membran / Atmungskette / viel ATP-Energie

Die nächste Grafik fasst die Abläufe von der  Nahrungsaufnahme am Beispiel von Kohlenhydraten bis zur Energiegewinnung (ATP-Bildung) zusammen:

Der Zucker  wird bei der Verdauung in kleinere Moleküle zerlegt, welche aus dem Verdauungstrakt in die Blutbahn gelangen. Aus dem Blut werden die Glukose-Moleküle von Zellen (z.b. Muskelzellen) unseres Körpers aufgenommen. Im Cytoplasma der Zelle beginnt durch einen biochemischen Prozeß der erste Vorgang der Energiebereitstellung. Durch die sogenannte Glykolyse entsteht bereits ein wenig ATP. Der Abbau der Glukose im Rahmen der Glykolyse führt aber auch zu einem Molekül namens Pyruvat. Dieses  wird von den Mitochondien  (Zellorganellen) aufgenommen. In der Matrix (innerer Raum der Mitochondrien) entsteht in einem weiteren biochemischen Prozeß (Zitrat-Zyklus) weiteres ATP ("Block I"). Weitaus mehr ATP entsteht jedoch an der inneren Membran der Mitochrondrien. Hier produziert unser zelleigenes Kraftwerk "Block II sehr hocheffizient jede Menge ATP!



Quelle: Biodummies.de
Im nächsten Bild sind die drei Wege der Energiebereitstellung schematisch dargestellt. Während die Glykolyse im Zellraum (Zytoplasma) stattfindet, findet der Zitratzyklus (in der Matrix) und die hocheffiziente Atmungskette (an der innere Membran) in den Mitochondrien statt!

Quelle: Biodummies.de


"Hammer-Mann-Leistungseinbruch"
Startet ein Läufer ungenügend vorbereitet und / oder mit zu hohem Anfangstempo einen Marathon,  ist der Anteil der Fettverbrennung am Anfang gering. Die Glykogen-Reserven schwinden schnell, weil der größte Teil der Energie durch Verbrennung von Kohlenhydraten gedeckt werden muss. Sind diese Vorräte auf einem sehr tiefen Niveau, muss das Tempo unweigerlich reduziert werden - der "Einbruch" ist da. Jetzt ist der Körper auf die Energie aus den Fettdepots angewiesen.

Grundsätzlich ist die Bereitstellung von ATP aus dem Fettdepot des Körpers schwieriger und benötigt mehr Sauerstoff. Sobald der Körper in diese Form  der Energiebereitstellung  "gezwungen" wird erscheint alle körperliche Leistung mühsamer. Beim Sport (Laufen) spricht man vom "Mann mit dem Hammer"

Auch bei der Energiebereitstellung aus Fetten spielen die kleinen Kraftwerke unserer Zelle (Mitochondrien) eine bedeutende Rolle. Fette werden abgebaut und mit Transportmolekülen über die Blutbahn in die Körperzellen transportiert. In der Zelle sorgt ein Transportermolekül (Carnitin-Acylcarnitin-Transporter), dass die Fette in die Mitochondrien gelangen. Anschließend werden die Fette aktiviert und im nächsten biochemischen Prozeß (ß-Oxidation) zu Acety-CoA zerlegt. Diese Substanz wird, wie vorher die Abbauprodukte der Kohlenhydrate, in den Zitratzyklus eingeschleust und bildet in der Matrix der Mitochondrien ein wenig ATP. Ähnlich wie bei den Kohlenhydraten wird der größere Teil des ATP in der nachfolgenden Atmungskette gebildet!

Energie zum "Nachtanken" - Bildquelle: theguardian.com


Riesiges Energiepotential durch Training nutzbar machen!
Im Rahmen des Marathontrainings versucht man primär die Glykogenspeicher zu erweitern und die Ausdauerfähigkeit auszubauen! Durch ein gezieltes Fettstoffwechseltraining (Nüchternläufe, Lange langsame Läufe) soll darüberhinaus die Fähigkeit aufgebaut werden, effektiv die Glykogenspeicher zu schonen. Durch das Ausdauertraining nimmt zusätzlich die Muskelmasse zu und somit auch die Anzahl der Mitochondrien, welche für die Energiebereitstellung von Bedeutung sind.

Tapering & Carboloading
Am Ende des Trainings beginnt das  sogenannte Tapering,  eine Phase mit geringerer Trainningsintensität und Kilometerumfang. Nun darf man schon mal die Beine hochlegen und sich für den Wettkampf ausruhen. Nach wochenlangem Training  sind die Glykogenspeicher  deutlich erweitert und werden in den letzten Tagen (Carboloading, Pastaparty)  vollständig befüllt. 

Saltin-Diät
Eine extreme Form des Carboloadings stellt die sogenannte Saltin-Diät dar, welche von verschiedenen Spitzensportlern angewandt wird. In der  letzten Woche vor dem Wettkampf wird an vier aufeinanderfolgenden "Fett-Eiweiß-Tagen" auf eine kohlenhydratarme Ernährung geachtet. Dadurch wird der Glykogenspeicher geleert. Am fünften Tag folgt eine abschließende intensive Trainingseinheit. Dadurch wird der Speicher übermässig entleert. In den beiden Tagen vor dem Wettkampf wird der Kohlenhydrat-Anteil drastisch erhöht und die Depots maximal befüllt. Eine Tortur wenn man am vierten Tag der Saltin Diät auf die intensive Trainingseinheit muss! Diese Vorgehensweise führt zu einer Schwächung und sollte nicht von jedermann(frau) durchgeführt werden. Bei der intensiven Einheit am vierten Tag können bei Amateuren gewisse Bedenken an der ausreichenden Ausdauerleistung entstehen. Zweifel, die man sich kurz vor dem Marathon nicht zumuten muss!  

Wettkampf
Während des Wettbewerbs ist es trotz guter Vorbereitung oftmals notwenig kohlenhydratreiche Gele, Riegel etc. aufzunehmen um die Verluste auszugleichen. Um  zu vermeiden, daß bei entleerten Glycogenspeichern die Leistungsfähigkeit rapide einbricht, sollte der Körper während der Belastung (nach Bedarf)  mit  Kohlenhydraten versorgt werden. Die empfohlene Kohlenhydrataufnahme ist abhängig von der Dauer und Intensität der Belastung im Wettkampf und kann bis zu ca.90g Kohlenhydrate pro Stunde betragen. 

Vor dem Wettbewerb sollte man die Produkte testen, ob sie vom Geschmack und/oder der Konsistenz passen und vertragen werden! 



Bis bald


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