Energiebereitstellung

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 13. November 2016
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Muskeln brauchen für die Erfüllung ihrer Funktionen Energie. Die Energiebereitstellung kann über verschiedene Wege durch den Abbau und die Umwandlung von Nährstoffen gewährleistet werden.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Energiebereitstellung?

Die Energiebereitstellung für Aktivitäten des Muskels ist auf 4 verschiedenen Wegen möglich. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der Geschwindigkeit und der Menge mit der sie Energie liefern können. Die Intensität der Muskelaktivität entscheidet darüber, welcher dieser Vorgänge zur Energiebereitstellung benutzt wird.

Häufig laufen die verschiedenen Prozesse nebeneinander ab. Beim anaerob (ohne Sauerstoffbeteiligung) alaktaziden (ohne Laktatanfall) Prozess stellen der ATP-Speicher (Adenosintriphosphat) und der Kreatinphosphatspeicher kurzzeitig Energie zur Verfügung. Diese reicht jedoch nur für 6-10 Sekunden, bei gut trainierten Sportlern für bis zu 15 Sekunden und wird bei maximalen Leistungen im Bereich der Maximal-, der Schnellkraft und der Schnelligkeit abgerufen. Alle anderen Vorgänge setzen das Vorhandensein von Glucose oder Fettsäuren voraus. Sie liefern durch einen vollständigen oder unvollständigen Abbau ATP (Adenosintriphosphat) in verschiedenen Mengen.

Bei der anaeroben laktaziden Energiebereitstellung wird Glykogen, die Speicherform der Glucose, unvollständig gespalten. Daher wird dieser Prozess auch anaerobe Glykolyse genannt. Es entsteht Laktat und wenig Energie, die für 15 – 45 sekündige, bei Spitzensportlern für 60 sekündige intensive Leistungen ausreicht. Für langanhaltende sportliche Betätigungen mit niedriger Intensität wird die Energie aus der vollständigen Verbrennung von Glucose oder Fettsäuren in aeroben (unter Sauerstoffverbrauch) Energiegewinnungsprozessen bezogen, die in den Mitochondrien der Muskelzellen stattfinden.

Funktion & Aufgabe

Muskeln brauchen Energie, um ihre Funktionen zu erfüllen. Sie setzen diese in mechanische Arbeit um, um Gelenke zu bewegen oder Körperbereiche zu stabilisieren. Der mechanische Wirkungsgrad ist jedoch sehr gering, da nur etwa ein Drittel der bereitgestellten Energie für die kinetischen Bedarfe genutzt werden. Der Rest wird in Form von Wärme verbrannt, die entweder nach außen abgegeben wird oder für den Erhalt der Körpertemperatur genutzt wird.

Sportler, für die schnelle oder mit hohen Kraftanstrengungen verbundene Bewegungsabläufe über kurze Zeit wichtig sind, beziehen ihre Energie aus den Energiespeichern, die sich im Plasma der Muskelzellen befinden. Typische Disziplinen, die diesen Anforderungen entsprechen, sind zum Beispiel der 100 Meter Sprint, Gewichtheben oder Hochsprung.

Muskeln brauchen für die Erfüllung ihrer Funktionen Energie. Die Energiebereitstellung kann über verschiedene Wege gewährleistet werden.

Typische sportliche Aktivitäten, die eine Dauer von 40 – 60 Sekunden unter maximaler möglicher Leistung vorweisen, sind der 400 Meter Lauf, 500 Meter Eisschnelllauf oder 1000 Meter Bahnradfahren, aber auch ein langgezogener Endspurt am Ende eines Ausdauerrennens. Die Energie für diese Aktivitäten beziehen die Muskeln aus dem anaerob laktaziden Energiestoffwechsel. Neben Laktat fallen dabei vermehrt Wasserstoffionen an, die den Muskel allmählich übersäuern und damit den limitierenden Faktor für diese Art der sportlichen Betätigung darstellen.

Bei langandauernden sportlichen Aktivitäten mit niedriger Intensität muss die Energie ständig nachgeliefert werden ohne dass Substanzen anfallen, die zu einem Abbruch führen. Dies geschieht durch die vollständige Verbrennung von Glucose und Fettsäuren, die aus Kohlenhydraten und Fetten gewonnen werden. Im Endeffekt landen beide Energieträger nach verschiedenen Abbaustufen als Acetyl-Coenzym A im Zitrat-Zyklus, wo sie unter Sauerstoffverbrauch abgebaut werden und deutlich mehr Energie liefern als die anaerobe Glykolyse.

Bedeutsam ist, dass die Fettreserven des Körpers deutlich länger Energie liefern können als die Kohlenhydratspeicher, allerdings mit niedriger Intensität. Wenn Ausdauersportler zwischendurch ihre Kohlenhydratvorräte nicht ergänzen kann es deshalb zu einem deutlichen Leistungsabfall kommen.

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Krankheiten & Beschwerden

Alle Erkrankungen, die den Abbau, den Transport und die Aufnahme von Fettsäuren und Glucose beeinträchtigen, haben negative Konsequenzen für die Energiebereitstellung. Beim Diabetes ist primär die Aufnahme von Glucose aus dem Blut in die Zellen beeinträchtigt, wofür Insulin benötigt wird. Je nach Schweregrad kann es dadurch zu einer Minderversorgung in den Muskelzellen kommen, die die Leistungsfähigkeit reduziert. Die Folge dieser Aufnahmestörung ist der Anstieg des Blutzuckerspiegels, ein Signal für die Bauchspeicheldrüse noch mehr Insulin zu produzieren, um diesen Überschuss abzubauen. Neben der langfristigen Organschädigung durch die Veränderung der Blutzusammensetzung wirkt sich dieser Prozess unmittelbar auf die Möglichkeiten der Mobilisation von Fett- und Glucosereserven in der Leber aus. Das vermehrt vorhandene Insulin fördert dort die Überführung der Glucose in ihre Speicherform Glykogen und die Bildung von Speicherfett, wodurch die Mobilisation dieser Substanzen für die Energielieferung gehemmt wird.

Lebererkrankungen wie die Fettleber, die Hepatitis, die Leberfibrose oder die Leberzirrhose haben ähnliche Wirkungen auf die Fettmobilisierung, wenn auch die Wirkmechanismen andere sind. Das Gleichgewicht zwischen Fettaufnahme und Lagerung einerseits und Abbau und Transport andererseits ist bei diesen Erkrankungen aufgrund enzymatischer Defekte gestört, mit Auswirkungen auf die gesamte Leistungsfähigkeit.

Es gibt einige seltene Erkrankungen, die sich direkt in den Muskelzellen abspielen und zum Teil erhebliche Folgen für die betroffenen Menschen haben. Diese genetisch bedingten Krankheiten werden unter dem Begriff metabolische Myopathien zusammengefasst. Es werden 3 Grundformen mit verschiedenen Varianten unterschieden: Bei den mitochondralen Erkrankungen verursachen die Gendefekte Störungen in der Atmungskette, die für den aeroben Abbau der Glucose wichtig ist. Dadurch wird entweder keine oder nur im geringen Maße ATP gebildet und als Energieträger zur Verfügung gestellt. Neben den muskulären Symptomen stehen neuronale Degenerationen im Vordergrund. Bei der Glykogenspeichererkrankung (bekannteste Form ist der Morbus Pompe) ist durch die Gendefekte die Umwandlung von Glykogen in Glucose gestört. Je früher diese Erkrankung auftritt, desto schlechter ist die Prognose. Die Lipidspeicherkrankheit verhält sich ähnlich, allerdings bestehen hier Probleme beim Fettumbau.

Bei allen Erkrankungen treten vielfältige Symptome auf. Muskulär treten zum Teil erhebliche Leistungsminderungen, die schnelle Ermüdung, das Auftreten von Muskelkrämpfen, die Muskelhypotonie und bei längerem Fortschreiten der Muskelschwund auf.

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