«Sporttheoretische Grundlagen FS14» | 02: Aspekte der Sportbiologie

Der Stoffwechsel liefert die Energie. Wenn sich Muskelfasern kontrahieren, wird chemische Energie in mechanische Energie umgewandelt.

Bei der Steuerung führt das Nervensystem Regie. Es besteht aus dem zentralen Nervensystem ZNS (Gehirn und Rückenmark) und einem peripheren Teil, den afferenten (d.h. zum ZNS hinführenden) und den efferenten (vom ZNS wegführenden) Nervenfasern. Es steuert und kontrolliert alle Bewegungen. Die Muskeln mit ihren Sehnen und die Gelenke mit ihren Bändern sind mit Sensoren ausgerüstet. Diese informieren das Zentrale Nervensystem ständig über die Länge der Muskeln, den Zustand der Sehnen und die Stellung der Knochenverbindungen. Die Nerven, die Muskeln und die Bewegungssensoren bilden eine Funktionsgemeinschaft, das neuromuskuläre System.

Jeder menschliche Skelettmuskel wird von einer Bindegewebshülle begrenzt. Sie schützt den Muskel und gibt ihm seine Form. Der Muskel besteht aus zahlreichen Muskelfaserbündeln, diese enthalten die Muskelfaserzellen.

Die Kontraktionsarbeit wird innerhalb dieser Muskelfaserzellen von den Myofibrillen erbracht. Diese verlaufen parallel zur Längsachse der Muskelfaser. Sie bestehen aus einer Kette von winzigen Sarkomeren.

Die Sarkomere sind die kontraktilen (fähig, sich zusammen zu ziehen) Einheiten der Myofibrillen. Sie werden von den Z-Scheiben (Z) begrenzt. Zwischen zwei Z-Scheiben kann man die kontraktilen Proteine, die Myofilamente, erkennen. Es sind die Aktin- und Myosinfilamente. Die Kraftwirkung kommt durch die molekulare Wechselwirkung zwischen diesen Filamenten zustande. In einer aktiven Muskulatur schieben sich diese zwischeneinander, so dass sich die Sarkomere verkürzen.

Die dünnen Myofilamente sind die Aktinfilamente. Sie sind in den Z-Scheiben verankert. Ein Aktinfilament besteht aus Molekülen, welche wie Perlen einer verdrehten Perlenkette angeordnet sind. In der Mitte der Sarkomere, zwischen den Aktinfilamenten, liegen die dicken Myosinfilamente. Jedes Myosinfilament besteht aus einem Bündel von Proteinfäden und trägt etwa 500 Myosinköpfe.

Die Aktin- und Myosinfilamente sind parallel angeordnet. Sechs Aktinfilamente umgeben ein Myosinfilament von der einen Seite und sechs andere von der anderen Seite. Die Aktin- und Myosinfilamente überlappen sich im Ruhezustand, sodass die Myosinköpfe mit den Aktinfilamenten interagieren können. Bei der Muskelkontraktion wird das Myosinfilament biochemisch angeregt, hakt sich bei der Perlenkette der Aktinfilamente ein und zieht diese heran. Dadurch verkürzen sich die Sarkomere teleskopartig. Soll sich der Muskel wieder entspannen, erhalten die Myosinköpfchen das Signal, sich von den Aktinfilamenten zu lösen. Diese gleiten passiv zwischen den Myosinfilamenten in die Ruhelage zurück.

Die Myosinköpfe benötigen für ihre Arbeit chemische Energie in Form von ATP. Sie sind die Träger des ATP-spaltenden Enzyms, der Myosin-ATPase. Dieses Enzym wird durch die Berührung mit dem Aktinfilament aktiviert, sodass es vom ATP eine Phosphatgruppe abtrennen kann.

Je mehr Myosinköpfe aktiv sind, desto mehr ATP wird umgesetzt und desto grösser ist die Leistung, welche von der Myofibrille erbracht wird.

Muskelkater ist eine Folge von Überbeanspruchung bei ungewohnter und intensiver Bremsarbeit. Wenn ein kontrahierter Muskel gedehnt wird, indem er ungewohnte exzentrische Arbeit (z.B. Bremsarbeit beim Bergabwärtsgehen oder bei Niedersprüngen) leistet, kann es zu einer Überbeanspruchung einzelner Muskelfaserzellen kommen. Diese Mikrotraumen sind kleinste, nur unter dem Mikroskop zu erkennende Schädigungen der Muskelzelle und des Muskelbindegewebes (Zerstörungen der Aktin- und Myosinfilamente). Diese Defekte verursachen eine Entzündung. Damit verbunden sind Symptome wie Schwellung, erhöhte Durchblutungsrate und Erwärmung, sowie Schmerzen und Verspannungen im betroffenen Gewebebezirk.

Vorbeugend ist nach gründlichem Aufwärmen eine abgestufte Belastungssteigerung mit Anpassung an die individuelle Leistungsfähigkeit des Sportlers zweckmässig.

Bei Muskelkater sind weitere intensive Belastungen oder Massagen zu vermeiden. Der «verkaterte» Sportler soll eine aktive Pause mit stark reduzierter, körperlicher Aktivität wie beispielsweise extensives Schwimmen oder einen Spaziergang durchführen. Wärmeanwendungen, zum Beispiel Umschläge oder Bäder in der akuten Phase, wirken schmerzlindernd und beschleunigen den Heilungsprozess. Durch Stretching nach der Belastung kann der Schaden an den Myofibrillen nicht rückgängig gemacht werden (vgl. Hegner, 2006, S.65).

Grundsätzlich gibt es zwei Muskelfasertypen die Typ-I- (b) und die Typ-II-Fasern (a). Diese unterscheiden sich in ihrer chemischen Zusammensetzung der Myosinköpfe und zeigen daher ein unterschiedliches Kontraktionsverhalten. Die Myosinköpfe dieser zwei Muskelfasertypen werden von Motoneuronen mit unterschiedlicher Aktivierungsgeschwindigkeit innerviert.

Schnelle Muskelfasern (Typ II / Fast-Twitch) sind schnelle Fasern, welche relativ rasch ermüden. Sie werden zu einem hohen Prozentsatz in Muskeln gefunden, welche einen phasischen Charakter haben, bzw. vorwiegend dynamische Aufgaben erfüllen.

Die schnellen motorischen Einheiten mit dem Fasertyp II werden bei schnellen Bewegungen und bei Bewegungen mit hohem Krafteinsatz aktiviert. Sie ermüden rasch.

Bei regelmässigem Ausdauertraining können sich Typ-II-Fasern (schnelle) in Typ-I-Fasern (langsame) umwandeln. Umgekehrt geht dies nicht. Zum Sprinter wird man also geboren, Marathonläufer kann man werden.

Langsame Muskelfasern (Typ I / Slow-Twitch) sind dünne, langsam kontrahierende ermüdungsresistente Fasern. Sie werden zu einem hohen Prozentsatz in Muskeln gefunden, welche einen tonischen Charakter haben, bzw. statische Haltefunktionen haben.

Typ I kommt vor allem bei den normalen Alltagsbewegungen (laufen, gehen, bücken, usw.) und geringem Krafteinsatz zum Einsatz. Muskelfasern dieses Typs arbeiten sehr ökonomisch und ermüden langsam.

Bei schnellen Bewegungen oder bei Belastungen von 90–100% der Maximalkraft werden in erster Linie die schnellen Muskelfasern (Typ II) trainiert. Es kommt zu einer Verbesserung, d.h. zu einer Abstimmung der Kräfte innerhalb eines Muskels.

Der Stoffwechsel liefert die Energie

Alle Zellen benötigen für ihre Arbeit chemische Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat). ATP ist eine energiereiche Phosphatverbindung, welche gebraucht wird, wenn im Organismus Prozesse ablaufen, die Energie benötigen. Wenn ein ATP-Molekül einen Teil seiner Energie abgibt, zerfällt es zu ADP (Adenosindiphosphat) und einer freien Phosphatgruppe (P). Die Energie für die Herstellung von ATP (aus ADP+P) liefert der Energiestoffwechsel, indem Nährstoffe (Glukose und Fette) abgebaut werden. Bei jeder Muskelkontraktion wird ATP gespaltet. Jede Muskelfaser ist für die Wiederaufbereitung des ATP selber verantwortlich. Trainierte und leistungsfähige Muskelfasern sind für die ATP-Produktion besonders gut ausgerüstet.

ATP ist der universelle Energieträger

Das ATP Depot reicht für wenige Sekunden

Jede Muskelfaser verfügt über ein kleines ATP-Depot. Dieses ist mit einer Batterie vergleichbar. Für die Muskelfaser ist entscheidend, dass sich diese «ATP-Batterie» auf keinen Fall entleert.

Das Kreatinphosphat kann ein P auf ein ADP übertragen

Sobald die «ATP-Batterie» Energie für die Kontraktionsarbeit abgibt, wird das anfallenden ADP mit Hilfe des internen Kreatin-Phosphat-Depots (der «KrP-Batterie») zu ATP rezykliert. Die beiden «Phosphatbatterien» können theoretisch den Energiebedarf der Muskelfaser für eine kurze Zeit (ca. 15 Sekunden) decken. Das Kreatinphoshpat-System dient also zur extrem schnellen Wiederaufbereitung von ATP. Es ist hocheffizient, zuverlässig und jederzeit verfügbar. Der Kreatin-Phosphat Speicher wird bei moderater Belastung laufend wieder aufgefüllt.

Die Fettreserven decken den Energiegrundbedarf

In den Zellen wird ständig Glukose und Fett abgebaut, um Energie für die ATP Produktion zu gewinnen. Die Auswahl der benutzten Brennstoffe ist abhängig von der Intensität der Belastung.

Im Ruhezustand und bei geringer Beanspruchung der Muskulatur dient in erster Linie der Fettsäureabbau der ATP-Gewinnung. Diese ATP Produktion ist relativ langsam und beinahe unerschöpflich. Entsprechend trainierte Muskelfasern können ihren Energiebedarf bei Ausdauerbelastungen zu einem grossen Teil durch die Verbrennung der Fettvorräte decken. Die Glykogenvorräte werden auf diese Weise geschont.

Das Glykosesystem liefert die schnelle Energie

Eine hohe Muskelaktivität erfordert eine hohe ATP Bildungsrate. Bei intensiven Belastungen vermag der Fettabbau den Energiebedarf nicht zu decken. Hier setzt der Abbau von Glykose ein. Das Glykosesystem dient zur schnellen Wiederaufbereitung von ATP. Wir unterscheiden zwischen dem sauerstoffunabhängigen (anaeroben) Glukoseabbau und dem sauerstoffabhängigen (aeroben) Glukoseabbau.

Der anaerobe Abbau läuft sehr schnell ab und liefert etwa viermal mehr ATP als der Fettabbau. Dabei entsteht als Nebenprodukt Laktat.

Der anaerobe Glykoseabbau ist die Vorstufe des aeroben Abbaus. Dieser liefert pro Sekunde etwa doppelt so viel ATP wie der Fettabbau. Bei Belastungen von geringer und mittlerer Intensität und ausreichender Sauerstoffversorgung decken die Muskelfasern den Energiebedarf praktisch vollumfänglich mit dem aeroben Stoffwechsel ab.

Diese biochemischen Prozesse laufen nicht getrennt voneinander, sondern mehr oder weniger gleichzeitig ab. Sie sorgen dafür, dass der ATP-Speicher auch bei länger andauernden Leistungen niemals entleert wird.

Was geschieht, wenn wir «sauer» werden...?

Für die Energiegewinnung aus Glykose und aus freien Fettsäuren braucht es Sauerstoff. Die Skelettmuskelfasern sind jedoch unter bestimmten Voraussetzungen (wenn ihnen grosse Leistungen abverlangt werden) in der Lage «Engpässe» in der Energieversorgung zu überbrücken, indem sie eine sogenannte «Sauerstoffschuld» eingehen.

Bei Belastungen von hoher Intensität reicht der aerobe Stoffwechsel nicht aus, um den Energiebedarf vollumfänglich zu decken. Die Muskeln sind aber in der Lage, unter verstärkter Aktivierung der anaeroben Glykolyse den Energiefluss (die ATP-Bildungsrate) zu steigern. Sie produzieren dabei allerdings Laktat, und sie gehen eine Sauerstoffschuld ein, die im Anschluss an die extreme Beanspruchung wieder abgebaut werden muss.

Das Laktat gelangt ins Blut und kann von bestimmten Skelettmuskelfasern, der Leber und dem Herzmuskel aufgenommen und für die Energiegewinnung genutzt werden. Dadurch wird es eliminiert. Wenn bei hohen Belastungen von den Muskelfasern mehr Laktat produziert wird, als die erwähnten Organe abbauen können, häuft sich das Laktat im Blut an. Wir werden gezwungen die Beanspruchung der Muskulatur zu reduzieren, die Leistung zu vermindern oder die Arbeit abzubrechen.

Möglichkeiten der Energiebereitstellung

Alle vier Wege zur Deckung des ATP-Bedarfs werden stets gleichzeitig genutzt. Welcher von ihnen im Vordergrund steht, hängt von der Intensität und der Dauer der Belastung ab.

Die Wahl der Substrate für die Wiederaufbereitung von ADP + P zu ATP hängt somit von der Intensität der Belastung ab. Je grösser die Intensität ist, desto schneller wird ATP verbraucht und desto höher muss die ATP-Bildungsrate sein. Die Energiegewinnungsprozesse, die eine sehr hohe ATP-Bildungsrate ermöglichen, können nur über eine kurze Dauer beansprucht werden Je länger eine Belastung dauert, desto mehr muss deshalb die Intensität (Leistung) reduziert werden.

Betrachten wir einen Sprinter und die Substratwahl für die Energiegewinnung in den ersten 12 Sekunden, so steht die Gewinnung von Energie aus den beiden Batterien ATP und KP am Anfang im Vordergrund. Nach einigen Sekunden beginnt der Körper die Energie aus dem laktaziden Glukoseabbau zu gewinnen. Die aerobe Energiegewinnung spielt für die Leistung erst in den letzten Sekunden eine geringfügige Rolle. Eine Halbmarathonläuferin wird nicht die ganzen 21 km mit einer maximalen Leistung von 100% sondern mit ca. 70% der maximalen Leistung laufen. Auch sie wird in den ersten Sekunden des Laufens auf ihre ATP- und KP-Reserve in den Muskeln zurückgreifen. Bereits nach 2 Minuten wird die benötigte Energie hauptsächlich durch die aerobe Glykolyse gewonnen und nach 60 Minuten spielt der Fettsäurestoffwechsel die entscheidende Rolle.

Ausdauersportlerinnen haben mehr und grössere Mitochondrien (Energiekraftwerke der Zelle) als Untrainierte. Sie können deshalb mehr Glukose und mehr freie Fettsäuren pro Zeiteinheit abbauen als diese. Sie können mehr Energie freisetzen, ohne dass es zu einer Sauerstoffschuld und einer Laktatanhäufung kommt. Eine ausdauertrainierte Person kann schneller laufen, ohne sauer zu werden, als eine Untrainierte, sie hat eine grössere aerobe Leistungsfähigkeit. Sprinterinnen (100m) und Langstreckensprinter (400m / 800m) haben eine grössere anaerobe Leistungsfähigkeit, weil sie den anaeroben Stoffwechsel optimal aktivieren können. Sie können sehr schnell laufen, weil sie die Konsequenzen der Laktatproduktion und der Sauerstoffschuld ertragen können.

Anpassungsfähigkeit des Körpers als Grundlage der Leistungsentwicklung

Der Organismus kann sich im Rahmen der genetisch festgelegten Grenzen mittel- und langfristig an die Anforderungen, die durch die Umwelt und das Training an ihn gestellt werden, anpassen. Wir unterscheiden zwischen strukturellen und funktionellen Anpassungen.

Die Trainingsreize müssen sorgfältig ausgewählt und dosiert werden. Zu schwache Reize nützen nichts, zu starke können schädlich sein.

Alle Anpassungen finden während der Erholungsphase statt. Wir müssen dem Organismus dafür genügend Zeit geben und die Adaptionsprozesse durch regenerative Massnahmen wie Gymnastik, Stretching, Massage, Sauna etc. unterstützen. Belastung und Erholung müssen aufeinander abgestimmt sein (Hegner, 2006, S. 92f).

Strukturelle Anpassungen bedeuten eine Zunahme an Grösse und Masse:

• Der Muskelfaserquerschnitt nimmt zu.
• Die Sehnen und Bänder werden massiver.
• Die Knochenmasse wird dichter.
• Das Herz arbeitet in Ruhe und bei Belastung ökonomischer. Das Herzvolumen wird grösser.
• Zusätzliche Kapillaren werden gebildet, was eine bessere Durchblutung der Muskulatur bewirkt.
• Das Blut verfügt über eine grössere Sauerstofftransport-Kapazität.

Funktionelle Anpassungen führen zu einer Optimierung bestimmter Funktionen:

• Bestimmte Organfunktionen werden den Bedürfnissen des Organismus in der Umstellung von Ruhe auf Aktivität oder umgekehrt besser angepasst.
• Die Erholung und die Regeneration erfolgen schneller und leichter.
• Gewisse Stoffwechselprozesse laufen reibungsloser ab.
• Die Nervensignale werden schneller transportiert und übertragen.
• Informationen werden effizienter verarbeitet, gespeichert und abgerufen.
• Die Muskelaktivität wird subtiler koordiniert, so dass Bewegungsabläufe fliessender, schneller und ausdrucksvoller realisiert werden können.

Aufwärmen: Umstellung des Körpers von Ruhe auf Aktivität

Zu jeder Sportlektion gehört ein Aufwärmen. Dies kann sportbiologisch unter folgenden Aspekten begründet werden.

Durch die Umstellung von Ruhe auf Aktivität werden im Körper optimale energetische und koordinative Bedingungen für sportliche Aktivitäten geschaffen (vgl. Hegner, 2006, S. 222).

Muskulatur

Eine aktivierte Muskulatur ist dehn- und belastbarer, wird besser mit Sauerstoff versorgt und arbeitet ökonomischer. Stoffwechselendprodukte wie z.B. Laktat werden schneller abgebaut. Gleichzeitig wird die Reflex-, Kontraktions- und Koordinationsleistung verbessert.

Herz-/Kreislauf

Ein angeregtes Herz-/Kreislaufsystem optimiert die Blutverteilung im Organismus und verbessert die Sauerstoffverteilung in der Arbeitsmuskulatur. Durch eine verbesserte Enzymaktivität wird die Energiebereitstellung optimiert. Gleichzeitig wird die Durchblutung der inneren Organe reduziert.

Nervensystem

Einsetzende körperliche Aktivität fördert die Aktionsbereitschaft des Nervensystems, steigert die Empfindsamkeit der Rezeptoren in den Muskeln und Sehnen und ermöglicht ein rascheres Aufnehmen, Verarbeiten und Umsetzen von Informationen. Beginnende sportliche Tätigkeit steigert die Leistungs- und Handlungsbereitschaft, wir werden wach und aufmerksam.

Gelenke und Sehnen

Bewegung regt die Produktion von Gelenkflüssigkeit an. Diese schmiert die Gelenke, reduziert die Reibung zwischen den Gelenkflächen, erhöht die Belastbarkeit des Knorpels und versorgt ihn mit Nährstoffen. Aufwärmen erhöht die Elastizität der Bindegewebsstrukturen und reduziert somit das Verletzungsrisiko.