Energiebereitstellung

NO CARBS, NO GLORY! ist nicht nur unser Firmenname, sondern unsere Kernbotschaft für alle Menschen, die sich sportlich betätigen und an der Verbesserung ihres Leistungsvermögens interessiert sind. Ohne adäquate Energiebereitstellung gelingt keine Muskelarbeit bzw. keine entsprechende Leistung. 

Sportliche Betätigung bedeutet also Muskelarbeit, die einen Treibstoff benötigt. Dieser heißt ATP (Adenosintriphosphat) und ist ein sog. “energiereiches Phosphat“, welches durch seine Spaltung die Muskelkontraktion ermöglicht. Da in der Muskelzelle nur eine sehr geringe Menge an ATP gespeichert ist, muss diese chemische Energie ständig im Muskelstoffwechsel erzeugt werden, damit sie in mechanische Energie umgewandelt werden kann. 

Welche Energiequellen stehen zur ATP-Bildung zur Verfügung? 

1. Wie schon erwähnt, ist in der Muskulatur nur eine sehr kleine Menge ATP gespeichert (ca. 2 kcal). Daneben gibt es noch ein zweites “energiereiches Phosphat“, das Kreatinphosphat, welches durch seine Spaltung sofort ATP aus ADP regenerieren kann, aber auch nur in einem kleinen Ausmaß vorhanden ist (4 – 8 kcal). Die energiereichen Phosphate als direkt verfügbare chemische Energie ermöglichen zwar eine sofortige körperliche Höchstleistung, jedoch nur für einige Sekunden. Daraus folgt, dass es Energiequellen mit größerer Kapazität zur  ATP-Gewinnung geben muss.
2. Die eigentlichen Energieträger sind die Nährstoffe Kohlenhydrate und Fette. Kohlenhydrate sind als Glykogen (Speicherform von Glukose=Traubenzucker) in der Muskulatur und zu einem kleinen Teil auch in der Leber (max. 100 Gramm) gespeichert. In Abhängigkeit von Trainingszustand und Ernährung können bis zu 500 Gramm Glykogen in die Muskelzellen eingelagert werden (entsprechend ca. 2000 kcal). Diese Energiequelle ermöglicht intensive Ausdauerbelastungen bis zu etwa eineinhalb Stunden. Den weitaus größten Energiespeicher stellen die Fette dar, die nicht nur unter der Haut gespeichert sind (Unterhautfettgewebe), sondern auch im Bauchraum um die inneren Organe (viszerales oder abdominelles Fettgewebe). Bei schlanken Menschen beträgt die in den Fettdepots enthaltene Energie – sogar in der Muskulatur selbst ist etwas Fett gespeichert – das 30- bis 50-fache der in Form von Glykogen gespeicherten Energie (bei dicken Personen entsprechend mehr). Damit sind stundenlange, ja sogar tagelange Ausdauerleistungen (mit allerdings geringerer Intensität) möglich. Auch in Ruhe verbrennen wir in unseren Muskeln so gut wie ausschließlich Fett bzw. Fettsäuren.
3. Kann der Körper aus Kohlenhydraten und Fetten die Energie nicht ausreichend decken, kann er auch auf den Makronährstoff Protein als Energiequelle zurückgreifen. Diese Ausnahmesituation, die wir als Sportler unbedingt meiden wollen, wird als kataboler Proteinstoffwechsel bezeichnet.

Kohlenhydrate und Fette sind also unsere bevorzugten energieliefernden Nährstoffe. Wobei bei dieser Gelegenheit darauf hingewiesen wird, dass durch den Abbau von Kohlenhydraten eine schnellere Energieausbeute als bei der Verbrennung von Fettsäuren erreicht wird. Kohlenhydrate sind also DER entscheidende Energielieferant. 

Ob Kohlenhydrate oder Fette als Energiequellen und somit ATP-Produzenten genützt werden, hängt von der Intensität und Dauer der körperlichen Belastung ab. Bei geringer Intensität greift der Körper zunächst auf Fette und weniger auf Kohlenhydrate zurück. Schließlich will der Körper seine Kohlenhydratspeicher in der Muskulatur schonen. Ein Teil der Kohlenhydrate wird jedoch immer verbraucht, da Fette immer im Feuer der Kohlenhydrate verbrannt werden. 

Das bedeutet, dass die Verbrennungsvorgänge der Kohlenhydrate und Fette in der aeroben Energiebereitstellung (mit Sauerstoff) gleichzeitig ablaufen. Je nach Intensität steht dann eine Verbrennungsart im Vordergrund. Bei der anaeroben Energiebereitstellung (ohne Sauerstoff) greift der Körper nur noch auf die Kohlenhydratverbrennung zurück.  

Das heißt:

• Bei sportlicher Aktivität geringer Intensität (Plaudertempo, entspanntes Atemverhalten) erfolgt die Energiebereitstellung verstärkt über die Fette. Wir empfehlen bei diesen lockeren Trainingseinheiten eine deutlich reduziertere Zufuhr von Kohlenhydraten.
• Während Trainingseinheiten mittlerer Intensität (schon schwerer Atemrythmus) greift der Organismus zunehmend auf Kohlenhydrate zurück, die Fettverbrennung tritt in den Hintergrund. Bei hohen Intensitäten erfolgt die Energiebereitstellung schließlich nur über Kohlenhydrate.
• Bei hohen Intensitäten erfolgt die Energiebereitstellung nur über Kohlenhydrate.

Energiebereitstellung

anaerob

1. alaktazid

ATP

Kreatinphosphat

2. laktazid

Glykolyse

aerob

3. Glykolyse

4. Beta-Oxidation (Fettverbrennung)

Abb.1: 4 Mechanismen der Energiebereitstellung

Wenn wir jetzt noch etwas mehr in die Tiefe der Thematik gehen, unterscheiden wir sogar zwischen 4 Mechanismen der Energiegewinnung (Abb.1):

1. Die aerobe Energiegewinnung von Kohlenhydraten (aerobe Glykolyse) in den Mitochondrien der Zelle – vollständige Verbrennung von Glukose (Traubenzucker)
2. und Fetten (Beta-Oxidation) in den Mitochondrien der Zelle – Verbrennung der Fettsäuren nach Fettspaltung: Dieser Mechanismus der ATP-Gewinnung kommt bei den Ausdauersportarten zum Tragen, bei denen die maximale Sauerstoffaufnahme (VO2max) entscheidend ist. Dauert die körperliche Belastung einer größeren Muskelgruppe länger als 90 Sekunden, beginnt die aerobe (=oxidative) Energiegewinnung die entscheidende Rolle zu spielen. Es werden immer die beiden Nährstoffe Kohlenhydrate und Fette als Energielieferanten herangezogen, wobei je nach Belastungsintensität ein fließender Übergang in der anteilsmäßigen Energiebereitstellung besteht, der vor allem vom Trainingszustand abhängt. Bei sehr intensiven aeroben Anforderungen (z.B. 5000m-Lauf) werden so gut wie ausschließlich Kohlenhydrate (in Form von Glykogen bzw. Glukose), bei extensiveren, längerdauernden Belastungen (z.B. im Straßenradrennsport) umso mehr Fettsäuren verbrannt. Bei intensiven Ausdauerbelastungen wird die Glukose zum Teil unvollständig verbrannt, ist also auch die anaerobe Glykolyse zu einem gewissen Prozentsatz an der sonst aeroben Energiebereitstellung mitbeteiligt. In diesem Fall müssen sich aber Laktatbildung (anaerob) und Laktatabbau (aerob) die Waage halten, um eine Übersäuerung zu vermeiden. Dies entspricht dann der individuell maximal möglichen Intensität, die über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden kann, der sog. “Schwellenleistung“ an der sog. anaeroben Schwelle (genauer: aerob-anaerobe Schwelle bzw. Dauerleistungsgrenze), dem entscheidenden Kriterium im Ausdauersport. Die anaerobe Schwelle wird oft mit 4 mmol/l Laktat angegeben, dies ist jedoch nur ein Durchschnittswert, weshalb sie im Leistungssport individuell ermittelt werden sollte (Bei z.B. Marathonläufern oder Radrennsportlern liegt die Dauerleistungsgrenze meist deutlich unter 4 mmol/l, bei Untrainierten meist darüber). Bei zu hoch gewählter Belastungsintensität (oberhalb der anaeroben Schwelle) würde die zunehmende muskuläre Übersäuerung mit entsprechender Anhäufung von Protonen und damit auch Laktat (Laktatbildung größer als Laktatelimination) zum vorzeitigen Abbruch der Belastung zwingen. Eine Laktatbestimmung hat bei der Leistungsdiagnostik und Trainingssteuerung im wettkampfmäßig betriebenen Ausdauersport eine Bedeutung, nicht aber im Breitensport. Die muskulären Glykogenreserven sind bei intensiver Dauerbelastung je nach Trainingszustand nach 60 bis 90 Minuten weitgehend erschöpft. Bei Fortsetzung der Ausdauerbelastung ist der Muskelstoffwechsel nun auf eine vermehrte Fettverbrennung angewiesen, wobei diese Energiebereitstellung mehr Sauerstoff benötigt und nur halb so schnell wie bei der oxidativen Glukoseverbrennung erfolgt. Das hat zur Folge, dass in der Regel eine Verminderung der Belastungsintensität (z.B. der Laufgeschwindigkeit) notwendig ist (Der berüchtigte “Mann mit dem Hammer“ z.B. bei einem Marathonlauf, den man sich nicht gut eingeteilt hat bzw. wenn man auf eine regelmäßige Kohlenhydratzufuhr “vergessen“ hat). Noch schlimmer ist es, wenn durch ungenügende oder “vergessene“ Kohlenhydratzufuhr auch der Glykogenspeicher der Leber zur Neige geht, weil es dann zu einem Abfall des Blutzuckerspiegels kommt. Dies kann zu einem “Hypo“ (=Hypoglykämie) führen, das in Radsportkreisen als “Hungerast“ bekannt und gleichermaßen gefürchtet ist, weil es einen “Schwächeanfall“ bewirkt.
3. Die anaerobe Energiegewinnung aus energiereichen Phosphaten Kreatinphosphat und ATP- anaerob-alaktazide Energiebereitstellung: Diese Energiequelle ist sehr klein und reicht nur für kurze Zeit, nämlich 6 bis 10 (max. 15) Sekunden. Sie ist entscheidend für Maximal- und Schnellkraft sowie Schnelligkeit (Beispiele: 100m-Sprint, Gewichtheben, Kugelstoßen, Hochsprung usw.) Die dabei verbrauchten energiereichen Phosphate sind aber auch sehr rasch wiederhergestellt (je nach Trainingszustand nach einigen Sekunden bis wenigen Minuten). Seit einigen Jahren ist in Kraft- und Sprintsportarten die hochdosierte Einnahme von Kreatin üblich, um dadurch den Kreatinphosphat-Speicher der Muskulatur zu vergrößern und damit die Leistung zu steigern. 
4. Die anaerobe Energiegewinnung aus dem unvollständigen Abbau der Glukose unter Bildung von Laktat (Milchsäure)-anaerob-laktazide Energiebereitstellung: Dieser für die Kraftausdauer und Schnelligkeitsausdauer entscheidende Mechanismus stellt die nötige Energie für eine sehr intensive, maximal mögliche Leistung zwischen 15 und 45 (max. 60) Sekunden zur Verfügung. Dabei wird die aus dem Muskelglykogen stammende Glukose unvollständig abgebaut, wobei Laktat (“Milchsäure“, genauer: das Anion der Milchsäure) entsteht, das in der beanspruchten Muskulatur anhäuft. Es kommt zu einer metabolischen Azidose (“Übersäuerung“), die nicht nur schmerzhaft, sondern letztendlich leistungslimitierend ist, da im sauren Milieu (die Grenze liegt bei einem pH von 7) durch eine Enzymhemmung die Muskelkontraktion gehemmt wird – man ist “blau“, wie es im Fachjargon heißt. Klassisches Beispiel hiefür ist der 400m-Lauf (wo die Athleten auf den letzten Metern durch die extreme Übersäuerung auffallend langsamer werden), weiters der 500m-Eisschnellauf, das 1000m-Bahnzeitfahren, aber auch ein langgezogener Endspurt im Langstreckenlauf. 400m-Sprinter erreichen aufgrund ihrer großen anaeroben Kapazität und Säuretoleranz die höchsten Laktatwerte überhaupt (bis zu 30 mmol/l).

Tabelle 1 Mechanismen der Energiebereitstellung nach Belastungsdauer und –intensität

Literatur:

Raschka, Christoph et al.: 2012 Sport und Ernährung DOI: 10.1055/b-0034-41797 

Jeukendrup, A. E. (2011). Ernährung im Ausdauersport: Marathon, Triathlon und Straßenradsport. Food, Nutrition and Sports Performance III, 29, 91-99.