Von Mitochondrien, Glykogen & Adenosintrisphospat

Dieser Post ist (hoffentlich) ein kurzweiliger Ausflug in die Biochemie, Physiologie & Zellbiologie. Ich versuche einige wichtige Punkte, die für ein Langlauftraining die wissenschaftliche Grundlage bilden, möglichst einfach zusammenzufassen. Dabei geht es anfangs um die unterschiedlichen Muskelfasertypen. Danach geht es um die Energieüberträger sowie die Energiedepots im Körper und die "Kraftwerke der Zellen".

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Langlauf ist eine körperliche Ausdauerleistung die Energie braucht ! Weiterhin braucht man einen Körper, der in der Lage ist genügend Energie zu produzieren, zu speichern und sparsam einzusetzen.

  "Zum Sprinter geboren, zum Marathonläufer trainiert?"

Die Grundlage für ausdauernde Leistungen bildet unsere Muskulatur. Menschen bringen jedoch unterchiedliche Voraussetzungen mit. Die Skelettmuskulatur besteht aus einer Komposition von drei verschiedenen Muskelfasertypen (rote Muskelfaser (ST ), weisse Muskelfaser (FT) & den Intermediärtyp (FTO )), deren Verteilung in erster Linie durch die Genetik bestimmt wird. Es gibt viele Hinweise, dass der Anteil der verschiedenen Muskelfasertypen erblich vorgegeben ist. Selbst durch ein gezieltes Training ist die Zusammensetzung der Muskelfasern  in  nur sehr geringem Maße veränderbar. Die Eignung für Schnellkraft- oder Ausdauersportarten wurde uns somit bereits mit in die Wiege gelegt.

• Der dunkle (rote)  Muskelfasertyp (slow twitch oder ST Faser)

1. hoher Myoglobingehalt  (Blutfarbstoff der Muskulatur,  rötliche Färbung)
2. hoher Sauerstoffgehalt
3. viele Mitochondrien
4. langsame Kontraktionsfähigkeit, ermüdet sehr viel langsamer.
5. hohe Kraftausdauerleistung
6. hoher Gykogengehalt

• Der helle (weiße)  Muskelfasertyp (fast twitch oder FT Faser/FTG-Faser) 

1. schnelle Erregungsleitung
2. hoher Kreatinphosphat- und Glykogengehalt
3. schnelle kräftige Kontraktionsfähigkeit, ermüdet aber schnell
4. hohe Schnell- und Maximalkraftleistung  
5. weniger Myoglobin (hellere Farbe) 
6. hoher Glykogen,- und Kreatinphosphatgehalt

• Der dritte Muskelfasertyp ist der Intermediärtyp (FTO)
  1. Eigenschaften zwischen heller und dunkler Muskulatur
  2. Es scheint so, dass sich gerade dieser Typ durch Training tendenziell in die eine oder andere Richtung beeinflussen lässt. Allerdings liegen hierzu noch zu wenige wissenschaftliche Untersuchungen vor.(Quelle: sportunterricht.de)

Abbildung: Muskelfasertypen im Vergleich (Gehrke, T.: Sportanatomie. 2009, S. 41).

Die Energie, welche uns durch die Nahrung 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 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 die (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)

Es gibt  verschiedene aufeinander abgestimmte Wege, ATP-Energie, den Zelltreibstoff, zu synthetisieren. Diese sind in der Abbildung vereinfacht zusammengestellt. Alle Wege dienen dazu, ATP aufzubauen , das direkt als Auslöser in die Muskelkontraktion eingreift.

Quelle: Biodummies.de

Vier verschiedene Wege der Energiegewinnung aus Glykogen, Fett & Eiweiß

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)

Wo wird die Energie im Körper gespeichert?
Grundstoffe zur Energiegewinnung sind Kohlehydrate (in Form des Glykogens), Fett und in Ausnahmefällen Eiweiß. Der Glykogenspeicher des menschlichen Körpers bezeichnet die in Form von Glykogen gespeicherten Kohlenhydrate bzw. Glukosemoleküle aus der Nahrung.

Quelle: Biodummies.de

Glykogenspeicher:

Im Ausdauersport, ist der Glykogenspeicher von besonderer Bedeutung. Energie in Form von ATP, die für die Bewegung nötig ist, kann entweder durch den Abbau von Kohlenhydraten (Glycolyse)  oder durch den Abbau von Fetten (Lipolyse) synthetisiert werden. Dabei sind Kohlenhydrate die primären und schnellsten Energielieferanten eines Ausdauersportlers und können als Energiereserven im Körper in Form von Glykogen in der Leber und in den Muskeln gespeichert werden.

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

Muskelglykogen - Resynthese des „Zelltreibstoffs“ ATP, Muskelkontraktion.

Das gespeicherte Glykogen befindet sich, je nach Muskelmasse, zu 1/3 in der Leber und zu 2/3 in der Muskulatur.  Die Fettdepots des Körpers sind zwar wessentlich umfassender, jedoch schwerer als verfügbare Energie bereitzustellen. Ein Ausdauersportler könnte, würde er allein das gespeicherte Glykogen verbrauchen, nur etwa 90 Minuten bei hoher Belastung durchhalten. Somit ist man bei Ausdauersport gezwungen, neben den Glykogendepots auch die gespeicherten Fette zur Energiegewinnung heranzuziehen, um den  Glykogen-Speicher zu schonen.

In der Regel (z.b. bei leichten bis mittelschweren sportlichen Aktivitäten) herrscht die aerobe Energiegewinnung vor. Die Energiegewinnung aus Eiweiß  tritt nur in Ausnahmefällen auf, dann nämlich, wenn die Glykogen- und Fettreserven vollständig ausgeschöpft sind.

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)

Energie zum "Nachtanken" - Bildquelle: theguardian.com

Fazit:

Im Rahmen des Marathontrainings versucht man primär die Glykogenspeicher zu erweitern und die Ausdauerfähigkeit auszubauen! Durch ein gezieltes Fettstoffwechseltraining 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.
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