Wie man Energie im Muskel bereitstellt Entdecke die Geheimnisse der effizienten Energiebereitstellung

Sport lässt sich nicht ganz leicht definieren, da sich hinter diesem Begriff mannigfaltige Schichten verbergen. Der deutsche olympische Sportbund charakterisiert Sport wie folgt:

Unter dem Begriff Sport werden verschiedene Bewegungs-, Spiel- und Wettkampfformen, die meist im Zusammenhang mit körperlichen Aktivitäten des Menschen stehen, zusammengefasst. Das Wort wurde im 19. Jahrhundert aus dem englischen sport [Spaß, Vergnügen, Erholung - Anm. d. Verf.] entlehnt, das [...] auf das lateinische disportare (sich zerstreuen) zurückgeht.

Energiegewinnung

Sport lässt sich in verschiedene Ebenen einteilen. Je nachdem, in welchem Umfang er betrieben wird und welches Ziel dabei zugrunde liegt. Die Abbildung zeigt eine mögliche Einteilung, die auf Digel und Burk zurückzuführen ist.

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Vielfalt und Angebot der Sportarten sind riesig und sie entwickeln sind ständig weiter. Um die Übersicht zu bewahren kann es helfen, die einzelnen Sportarten in Gruppen einzuordnen. Entscheidende Kriterien für eine Einteilung können z. B. die Anforderungen - also ob eher Kraft oder Ausdauer gefragt ist - und die Zielsetzung der jeweiligen Sportart sein (siehe Tabelle).

Erst durch die Arbeit der Muskeln werden Bewegungen möglich. Gerade sportliche (Höchst-)Leistungen wären ohne entsprechend trainierte Muskeln undenkbar. Mit seinen ca. 400 Muskeln, die etwa 40 % des Körpergewichts ausmachen, verfügt der Mensch in dieser Hinsicht über ein großes Potential.

Mit dem Muskel verhält es sich ein bisschen wie mit einer Zwiebel: Unter jeder Schicht verbirgt sich wieder eine weitere Lage. Allerdings ist der hoch strukturierte Muskel noch viel komplexer aufgebaut. Ein Muskel ist von straffendem Bindegewebe, der sogenannten Faszie, umgeben. Diese umschließt eine ganze Reihe aneinanderliegender Muskelfasern (= Muskelfaserbündel).

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Eine Muskelfaser besteht wiederum aus einer großen Anzahl fadenförmiger Myofibrillen (= Muskelzelle). Auch die lassen sich in Unterabschnitte einteilen, die Sarkomere. Jedes Sarkomer enthält die kontraktilen Proteinstrukturen Actin und Myosin, die letztendlich für die Muskelkontraktion sorgen (siehe Abbildung). Bei der Muskelkontraktion schieben sich die beiden Muskelfilamente Actin und Myosin teleskopartig ineinander, wodurch sich der Muskel verkürzt (Gleittheorie der Filamente).

Damit die Muskelkontraktion reibungslos verlaufen kann, ist neben den Mineralstoffen Calcium und Magnesium vor allem Energie notwendig. Die Energie für die Muskelarbeit wird im Körper hauptsächlich durch zwei energiereiche Phosphatverbindungen bereit gestellt: Kreatinphosphat (KP) und Adenosin-Tri-Phosphat (ATP). Der Mineralstoff Calcium ist wichtig bei der Kontraktion des Muskels, Magnesium hingegen fördert die Muskelentspannung im Anschluss an die Kontraktion. Krämpfe sind daher oft auf einen Magnesiummangel zurückzuführen (Gekle et al., 2010).

Die Anforderungen an einen Muskel sind unterschiedlich, je nachdem, ob von ihm eher Geschwindigkeit oder Ausdauer gefordert wird. Den verschiedenen Ansprüchen wird der Muskel durch unterschiedliche Fasertypen gerecht. So muss die Rückenmuskulatur z. B. lang andauernde Haltearbeit leisten und ist deshalb reich an den ermüdungsresistenten roten Muskelfasern. Im Vergleich dazu muss die Augenmuskulatur viele schnelle, kurze Bewegungen vollführen, was ihr ihre vorwiegend weißen Muskelfasern ermöglichen.

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Der überwiegend vorliegende Muskelfasertyp bestimmt die Art der Energiegewinnung im Muskel: Rote Muskelfasern sind vor allem für lang anhaltende Ausdauerbelastungen geeignet (aerob, mit Sauerstoff). Dazu nutzen sie hauptsächlich Kohlenhydrate und Fette als Brennstoff. Weiße Muskelfasern hingegen, die besonders für kurze, kräftige Bewegungen verantwortlich sind, haben einen höheren Phosphatspeicher. Sie beziehen ihre Energie hauptsächlich aus KP, ATP und dem anaeroben Weg der Kohlenhydratverbrennung.

Üblicherweise besteht die Skelettmuskulatur aus einer Mischung verschiedener Muskelfasern. Das Verhältnis kann sich aber zwischen den Muskeln unterscheiden und ist zudem von Mensch zu Mensch individuell unterschiedlich. Auch die Art des sportlichen Trainings beeinflusst den Muskelaufbau. Beispielsweise haben ausdauernde Langstreckenläufer sinnigerweise eine hohe Anzahl an langsam kontrahierenden Muskelfasern, wohingegen 100 m-Sprinter, passend zu der von ihnen geforderten, kurzzeitigen Höchstleistung, mehr schnell kontrahierende Muskelfasern besitzen.

Durch die Verbrennung der Hauptnährstoffe (Kohlenhydrate, Fette, Proteine) gewinnt der Körper Energie in Form von Adenosin-Tri-Phosphat. Nicht alle Energie wird sofort benötigt und so wird ein Teil als Kreatinphosphat, Glykogen oder Fett zwischengelagert, um daraus später - im Bedarfsfall - wieder ATP zu gewinnen.

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Wann und wie die Energieträger ATP, KP, Glykogen und Fett eingesetzt werden, hängt von der Art und der Dauer der sportlichen Belastung ab (siehe Abbildung).

Die Energie wird aus den Energieträgern auf drei unterschiedliche Arten gewonnen. Welcher Weg genutzt wird, bestimmen u.a. die Belastungsdauer und -intensität sowie das Sauerstoffangebot (siehe Tabelle).

Sportarten

Aus der Tabelle wird deutlich, dass die schnell verfügbaren Energiereserven nur begrenzt zur Verfügung stehen. So erfolgt die Energiebereitstellung durch ATP und KP zwar unmittelbar, die vorhandene Menge dieser Energielieferanten reicht aber nur für wenige Sekunden aus. Bei länger andauernder Muskelarbeit wird der Muskel durch den Abbau von Glucose bzw. der Fettsäuren mit Energie versorgt. Dabei liegt der größte und nahezu unerschöpfliche Speicher mit rund 50.000 kcal im Fettgewebe. Weil aber viel Sauerstoff zur Energiefreisetzung aus Fett benötigt wird, wird dieser Nährstoff erst bei mäßigen und lang andauernden Belastungen ab 120 min in größerem Umfang genutzt.

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Glucose, das wesentliche Abbauprodukt der Kohlenhydrate, wird im menschlichen Körper in Form von Glykogen in Leber und Muskeln gespeichert. Beim durchschnittlich aktiven Menschen umfasst der Speicher etwa 250-300 g Glykogen im Muskel und 100-150 g in der Leber. Durch Sport, v. a. Ausdauerleistungen, kann die Kapazität des Muskels auf bis zu 600 g erhöht werden. Weil Glykogen bei längerfristiger sportlicher Leistung wichtig ist, versuchen Läufer im Rahmen einer Wettkampfdiät ihre Speicher möglichst komplett aufzufüllen, um von diesem Energieträger während des Rennens bestmöglich zu profitieren (siehe Ernährung bei Wettkämpfen).

Muskelglykogen ist deshalb so wichtig, weil es für die Energiebereitstellung genutzt werden kann. Hierfür wird es in die stoffwechselaktive Form von Glucose, dem Glucose-6-Phosphat, umgewandelt und über mehrere Stoffwechselschritte (Glycolyse) zu Brenztraubensäure (Pyruvat) abgebaut. In Abhängigkeit vom Sauerstoffangebot, der Belastungsintensität und -dauer können anschließend zwei verschiedene Wege eingeschlagen werden.

Kurzzeitig (20-90 Sekunden bis max. zwei Minuten) erfolgt die ATP-Gewinnung hauptsächlich aus der anaeroben Glycolyse. Dabei wird aus der Glucose gewonnenes Pyruvat zu Milchsäure (Lactat) abgebaut. Bei dieser Reaktion entstehen 2 Mol ATP - eine eher niedrigere Energieausbeute. Der bescheidene Beitrag wird jedoch durch die hohe Geschwindigkeit wieder wett gemacht. Im Vergleich zur wirksameren aeroben Glycolyse läuft die anaerobe Variante doppelt so schnell ab. Allerdings steigt bei diesem Stoffwechselweg auf längere Sicht die Milchsäurekonzentration im Blut an (Lactatazidose). Somit sinkt der pH-Wert im Muskel ab, was wiederum wichtige Enzyme der Muskelkontraktion hemmt. In der Folge kommt es zu einem Muskelbrennen und einer schnellen Ermüdung. Wegen diesen Konsequenzen können sehr intensive sportliche Leistungen, wie beispielsweise Sprints, nicht über einen längeren Zeitraum ausgeführt werden.

Energiebereitstellung Im Muskel

Bei länger anhaltenden Belastungen über 2 Minuten setzt zunehmend die aerobe Glycolyse ein. Zunächst erfolgt aber (zwischen 2-8 Minuten) eine Mischung aus der anaeroben und der aeroben Energiebereitstellung. Erst bei etwas längeren Bewegungsabläufen (über 8 Minuten) überwiegt schließlich die aerobe Glycolyse. Für die Verstoffwechselung der Glucose wird nun vermehrt Sauerstoff eingesetzt. Glucose wird auch bei aeroben Gylkolyse zunächst zu Pyruvat abgebaut. Anschließend folgt jedoch nicht eine Umwandlung zur Milchsäure, sondern der weitere Abbau zu Acetyl-CoA. Das Acetyl-CoA wird über mehrere Schritte (im Citratcyclus) vollständig zu Wasser und Kohlenstoffdioxid abgebaut, wobei Energie in Form von ATP frei wird. Aus einem Molekül Glucose können bei der aeroben Glycolyse 32 Mol ATP gewonnen werden, das sind 30 Mol mehr als bei dem anaeroben Weg! Energetisch gesehen ist dieser Stoffwechselweg somit sehr effektiv, wenn die hohe Wirksamkeit auch auf Kosten der Zeit geht.

Eine niedrige Belastungsintensität und eine lange Belastungsdauer (ab 120 Minuten) sind die wesentlichen Voraussetzungen dafür, dass der Körper Fett zur Energiegewinnung heranzieht. Dadurch werden die schneller mobilisierbaren Energiespeicher (Glykogen) geschont und stehen für kurzzeitige Einsätze, z. B. Sprints, zur Verfügung. Auch wenn die Glykogenspeicher erschöpft sind, steigt der Körper auf die Fettreserven um. Dabei wird das Fett (genauer: die Triglyceride) aus den Speichern freigesetzt und nach und nach durch Enzyme (Lipasen) zu Acetyl-CoA abgebaut. Acetyl-CoA kann in den Citratcyclus eingeschleust werden, da es einem Zwischenprodukt dieses Stoffwechselwegs entspricht. Der Abbau einer Fettsäure liefert dabei ungefähr 107 Mol ATP, eine große Menge an Energie. Somit bringt der Abbau von Fetten noch mehr Energie ein als der von Kohlenhydraten. Die Kehrseite ist, dass der Fettabbau zugleich mehr Zeit und mehr Sauerstoff braucht. Da die Sauerstoffaufnahme jedoch durch die Lunge begrenzt ist, ist der Fettabbau unter dem Strich weniger effektiv als der Abbau von Kohlenhydraten.

Vom Körper werden in Ruhe Kohlenhydrate und Fette zu etwa gleichen Teilen für die Energiegewinnung herangezogen. Zu diesem Zweck nutzt der Muskel vor allem Glucose aus dem Blut und Fettsäuren aus dem Fettgewebe. Bei intensiver Belastung verschiebt sich das Verhältnis der herangezogenen Nährstoffe in Richtung der Kohlenhydrate (Muskelglykogen). Bei niedriger und mittlerer Intensität ist der Anteil der Fettverbrennung erhöht. In Ausnahmefällen, wie beispielsweise in Hungersituationen (also bei absolutem Energiemangel) und bei einem Mangel an Kohlenhydraten können auch Muskelproteine zur Energiebereitstellung angezapft werden. Der Abbau von Muskelprotein ist natürlich nachteilig, steht er doch im krassem Gegensatz zu dem Wunsch des Sportlers, die Leistungsfähigkeit zu steigern. Er ist somit unerwünscht. Um gar nicht erst in diese Lage zu kommen, sollten Sportler auf eine ausreichende Energieversorgung mit einem hinreichenden Kohlenhydratanteil achten.

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Wann welche Energiequelle beim Sport zum Einsatz kommt, hängt letztendlich von den Umgebungsbedingungen (Belastungsdauer, Belastungsprofil, Sauerstoffverfügbarkeit, Belastungsintensität etc.), der körperlichen Konstitution und dem Stoffwechsel des Sportlers ab.

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