Energiegewinnung

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Wie gewinnen wir Energie?

Grundsätzlich ist der einzige Kraftstoff, den Muskeln für die Kontraktion verwenden können, das ATP (Adenosintriphosphat).
Diese zentrale Verbindung, die uns durch Abspalten eines der Phosphate Energie liefert, ist allerdings nur in geringem Ausmaß im Muskel vorrätig (für 1-2 Sekunden Arbeit) und muss daher ständig wieder aufgebaut und für die Energiegewinnung nachgeliefert werden.

Diese Energiebereitstellung passiert entweder aerob (durch „Verbrennung“, also oxidativ) in den Mitochondrien, wobei ATP unter Verbrauch von Sauerstoff gebildet wird. Die vollständige Verbrennung von Glucose oder Fett ist dabei die Grundlage. Wir wissen, Glucose wird direkt, oder über den Glycogenaubbau (Glycolyse) oder in geringem Maß durch Eiweißumbau (Gluconeogenese) zur Verfügung gestellt, Fette – also die Fettsäuren – durch Lipolyse. Durch die vollständige Oxidation entstehen Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O).

Die zweite Möglichkeit ist die anaerobe Energiebereitstellung, die im Zytosol (Zellplasma) stattfindet – anaerob heißt ohne (oder mit zu wenig) Sauerstoff. Ohne Sauerstoff (anaerob) und ohne die Bildung von Lactat (Milchsäure – daher alaktazid) werden einfach die energiereichen Verbindungen ATP und CP (Kreatinphosphat) gespalten. Die so gewonnene Energie reicht allerdings nur bis maximal 10 Sekunden.
Es kann aber auch Glucose anaerob – allerdings unter Bildung von Lactat (anaerob-laktazid) – abgebaut werden. Das wird dann anaerobe Glycolyse genannt.

Was uns hier interessiert ist einerseits die Energieflussrate – also wie viel ATP wird pro Zeiteinheit gebildet – und andererseits der Energiegehalt – wie lange kann ich eine Belastung aufrecht erhalten.

Die Energieflussrate ist beim anaerob-alaktaziden Mechanismus am größten und nimmt dann über anaerobe Glycolyse, aerobe Glucoseverbrennung und Fettverbrennung um jeweils ca. die Hälfte ab. Die Effizient funktioniert genau in die andere Richtung – am längsten können wir eine Belastung mittels Fettverbrennung aufrecht erhalten.
Was wie verwendet wird bestimmt die Belastungsintensität – und es gibt immer ein Nebeneinander, kein Nacheinander.

Energie

Quelle: Eigendarstellung

Energiereiche Phosphate sind er allererste Schritt, doch noch bevor die Vorräte verbraucht sind, greift der Organismus auf die nächste Stufe, die anaerob-laktazide Energiebereitstellung zurück, die durch den Abbau von Glucose bzw. Glycogen passiert. Die Energie steht dabei schnell zur Verfügung, die Ausbeute ist allerdings gering, weil die Glucose nicht vollständig verbrannt wird. (1 Glucosemolekül gibt 2 ATPs)
Bei diesem Vorgang fällt Laktat an, das aber nicht End- oder Abfallprodukt des Stoffwechsels ist, sondern dem auch eine wichtige Rolle bei der aeroben Energiegewinnung zukommt. Neuere Untersuchungen zeigen, dass es auch als Brennstoff in den Mitochondrien der arbeitenden Muskulatur verwertet wird – außer in der Leber und im Herz. Für den Transport durch die Zellwände verwendet das Laktatmolekül ein Protein – MCT (Monocarboxylat Transporter) – das durch intensives Ausdauertraining (und auch Krafttraining) erhöht werden kann. Der Punkt ist hier nicht den Laktataufbau zu minimieren, sondern den Laktattransport in die Mitochondrien durch MCT zu optimieren. Dies würde eine höhere Effektivität unserer Energiegewinnung bewirken und würde vor allem bei langen Ausdauerwettkämpfen die Energiebilanz verbessern.
Die „Übersäuerung“ – wenn der anaerobe Stoffwechselweg länger in Anspruch genommen werden muss – kommt übrigens von den Wasserstoff-Ionen, die beim Abbau von Glucose (2 Wasserstoff-Ionen) oder Glycogen (1 Wasserstoff-Ion) entstehen. Das Laktat ist hier der Puffer für die Ionen.

Die anaerob-laktazide Energiebereitstellung ist entscheidend für alle Sportarten deren Charakteristikum Kraftausdauer und Schnelligkeitsausdauer ist. Sie ermöglicht eine sehr intensive, maximal mögliche Leistung zwischen 15 und 45, maximal 60 Sekunden. Wenn es länger dauert (Mittelstreckenlauf z.B.) kommt es zur Übersäuerung.

Wenn die Belastungsintensität am Beginn bald verringert wird, sodass der aerobe Stoffwechselweg eingeschlagen werden kann, folgt der aerobe Abbau von Glucose und Fettsäuren.
Dabei wird die Glucose vollständig abgebaut und die Energieausbeute ist viel größer – 30 Moleküle ATP werden nun aus 1 Glucosemolekül gewonnen. Zudem entsteht dabei CO2 und H2O. Aus Glykogen werden sogar 38 Moleküle ATP gewonnen.
Die aerobe Energiebereitstellung kommt bei Ausdauersportarten zum Tragen, bei denen die maximale Sauerstoffaufnahme entscheidend ist.
Bei intensiver Dauerbelastung sind die Glucosereserven nach 60 bis 90 Minuten weitgehend erschöpft, wobei das natürlich vom Trainingszustand abhängt.
Die Fettverbrennung – Fett „brennt im Feuer der Kohlenhydrate“, heißt, um Fette verbrennen zu können müssen auch Kohlenhydrate vorhanden sein – läuft parallel und bei geringer Belastung vorherrschend. Wenn die Glycogenspeicher leer sind, muss Eiweiß zu Aminosäuren abgebaut und dann Alanin zu Glucose umgebaut werden (Gluconeogenese), was allerdings mit nur 4g pro Stunde passieren kann (bei intensivem Sport braucht man bis zu 3g pro Minute), damit Fett weiter verbrannt werden kann. Normalerweise wird maximal 5% Eiweiß für den Energiegewinn verwendet – das kann bei langen Belastungen bis zu 15% steigen.

Mechanismen-Energiebereitstellung-Ausdauer

Quelle: Die Mechanismen der Energiebereitstellung im zeitlichen Verlauf (in Hohmann et al., 2007, S. 52; mod. nach Badtke, 1995)

Im Ruhezustand zieht der Körper etwa 60% der benötigten Energie aus Fetten, den Rest aus Kohlenhydraten. Freie Fettsäuren sind dabei die größte Quelle. Bei geringer Intensität (ca. 25% der aeroben Kapazität) liegt der Anteil von Fett für die Energiegewinnung bei 80%, Kohlenhydrate liefern 20%. Beim Fett dominieren auch hier die freien Fettsäuren, es kommt aber auch Fett aus in Muskelzellen gespeicherten Fetttröpfen dazu – die intermuskulären Triglyceride. In diesem niederschwelligen Bereich sind es noch wenige, das steigt aber mit steigender Belastung, bis bei 65% der aeroben Kapazität das Verhältnis von Fett zu Kohlenhydraten bei 50:50 liegt und der Verbrauch von intermuskulären Triglyceriden wieder abnimmt. Bei 80% der aeroben Kapazität steigt der Glucoseverbrauch auf 75%, während bei 100% Glucose den bevorzugten Brennstoff darstellt.

Wir sehen also, dass unsere bevorzugte Energiebereitstellung vom Sport abhängt, den wir ausüben. Im Kraft- und Schnellkraftbereich liegen wir auf Seite der energiereichen Phosphatverbindungen und der anaeroben Glycolyse. Je weiter wir in den Ausdauerbereich kommen, desto mehr überwiegt die aerobe Fettverbrennung. Immer sind wir aber von Glucose und vollen (geleerten und wieder gefüllten!) Gycogenspeichern abhängig. Ohne die geht weder anaerob noch aerob was.

Damit schauen wir uns jetzt die Nährstoffverteilung grundsätzlich an, später nehmen wir uns noch das „was/wann“ vor.

Und nun Teil zwei – wieviel wovon in Bezug auf Nährstoffe?

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