ENERGIEGEWINNUNG DER MUSKELN - DIE FRAGE NACH INTENSITÄT UND DAUER

Im Ruhezustand wird der Energiebedarf der Muskulatur hauptsächlich durch Kohlenhydrate und Fette abgedeckt. Proteine dienen den Muskeln in erster Linie als Baustoffe. Sie spielen als Energiequelle nur eine untergeordnete Rolle. Beim Sport kommt es jedoch je nach Belastung zu einer Verschiebung in der Energiebereitstellung und der Muskel greift anders auf die verfügbaren Energiequellen zu. Warum das so ist und was das für deine Sporternährung bedeutet, erfährst du hier.

Makronährstoffe: Unterschiedlich viel Energie

Mit den Muskeln verrichten wir Arbeit – wir laufen, springen und heben schwere Dinge hoch. Unser Körper kann für den Muskel Energie aus den drei energiereichen Makronährstoffen (Kohlenhydrate, Fette und Proteine) zur Verfügung stellen. Dabei zeigt der Brennwert eines Nährstoffs an, wie viel Energie der Körper aus ihm gewinnen kann. Der Brennwert wird in Kilokalorien bzw. wissenschaftlich korrekter in Kilojoule angegeben [1,5,11]. Da wir umgangssprachlich von „Kalorien“ sprechen, bleiben wir erstmal bei der Einheit kcal.

Kohlenhydrate: Kohlenhydrate liefern Energie in Form von Glukose und haben einen Brennwert von 4 kcal/g. Gespeichert werden Kohlenhydrate als Muskelglykogen (ca. 300 bis 500 g) und als Leberglykogen (ca. 100 g). Je nach Körpergewicht, Trainingszustand und Ernährungsweise variiert der körpereigene Speichervorrat [5].

Fette: Fette stellen Energie in Form von Fettsäuren bereit. Fette (Triglyceride) liefern mit 9 kcal/g die meiste Energie aller Makronährstoffe. Sie sind gleichzeitig auch der größte Energiespeicher im Organismus und werden im Fettgewebe (ca. 15.000 g) und im Muskel (ca. 300 g) gelagert. Der genaue Fettanteil  der Gesamtkörpermasse eines Menschen hängt allerdings von Alter, Geschlecht, Körperbau und Lifestyle ab [5].

Proteine: Proteine liefern Energie in Form von Aminosäuren und haben (wie die Kohlenhydrate) einen Brennwert von 4 kcal/g. Proteine sind allerdings vorwiegend Baustoffe und spielen beim normalen Energiestoffwechsel kaum eine Rolle. Notwendig sind sie unter anderem für den Aufbau und den Erhalt von Zellen, Enzymen und Immunstoffen [8,11].

Adenosintriphosphat (ATP): Die Energiewährung des Muskels 

Energie wird durch Umwandlungsprozesse (Verbrennung) aus den Nährstoffen für den Körper bereitgestellt. Hierzu wird sie chemisch in einen Energieträger überführt, um von den Zellen genutzt zu werden. Der wichtigste Energieträger ist das Adenosintriphosphat (ATP). ATP ist die Energiewährung für die meisten energieverbrauchenden Prozesse des Menschen sowie die direkte Energiequelle der Muskelfaser. ATP besteht aus dem Adenosin, einer Verbindung aus Adenin und Ribose, und aus drei Phosphatgruppen. Der ATP-Vorrat in der Muskelfaser ist sehr begrenzt. Der Körper muss also kontinuierlich neues ATP bilden, um alle Prozesse mit Energie versorgen zu können [8,10,11].

Energiebereitstellung: Intensität und Dauer

Damit aus Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen das ATP entsteht, bedient sich der Körper unterschiedlicher Wege. Dabei entscheiden in erster Linie die Intensität und Dauer der sportlichen Aktivität, welche Energiereserven der Körper zur Verbrennung verwendet.

Hochintensive Belastungen: Energie für zehn Sekunden Höchstleistung

Bei direkter Belastung, wie einem Sprint bis ca. 10 Sekunden, steht das gespeicherte ATP sowie indirekt das energiereiche Kreatinphosphat (KrP) als Energieträger für die Energiebereitstellung zur Verfügung. Da bei diesen sehr kurzen, aber hochintensiven Belastungen der Muskel nicht ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden kann, muss die Energie ohne Sauerstoff (anaerob) bereitgestellt werden. Dabei wird das ATP im Muskel gespalten und ist für ca. zwei Sekunden direkt für die Muskulatur verfügbar.

Das KrP dient dabei dazu, das verbrauchte ATP sofort zu regenerieren, da es sonst bereits schon nach zwei Sekunden verbraucht wäre. Doch auch das KrP selbst ist nach ca. acht Sekunden aufgebraucht. Der Körper muss somit bei Belastungen die länger als zehn Sekunden anhalten auf die Umwandlung der energiereichen Nährstoffe (Kohlenhydrate, Fette und Proteine) zurückgreifen, um neues ATP zu bilden [5,8].

Intensive Belastungen: Energie bis maximal zwei Minuten

Absolvieren wir einen langen Sprint über 400 m erfordert dies eine sehr schnelle Energiefreisetzung, die jedoch auch eine gewisse Zeit reichen muss. Der Speicher an ATP und KrP reicht dabei nicht mehr aus. Auch hier ist der Muskel gezwungen die Energie ohne Anwesenheit von Sauerstoff (anaerob) bereitzustellen. Die Energie stammt dabei fast ausschließlich aus der Bereitstellung von Glukose (anaeroben Glykolyse) [2,10].

Bei kurzen und intensiven Belastungen wird sehr schnell eine große Menge Energie benötigt. Über die anaerobe Glykolyse wird dem Muskel viel Energie in kurze Zeit zur Verfügung gestellt. Diese Form der Energiebereitstellung hat aber auch Nachteile. Denn aufgrund des Sauerstoffmangels ist die Verbrennung unvollständig und ineffizient. Bei unvollständiger Verbrennung liefert ein Glucosemolekül nur ein bis zwei Mol ATP. Das sind nur um die fünf Prozent der Energie, welche bei vollständiger Verbrennung mit Sauerstoff gewonnen wird [13]. Bei vollständiger Verbrennung eines Glukosemoleküls ist die freigesetzte Gesamtenergiemenge mit 27 Mol ATP hingegen sehr groß. Dieser Vorgang benötigt jedoch Sauerstoff und dauert wesentlich länger (aerobe Glykolyse).

Zudem führt die schnelle Energiefreisetzung aus der anaeroben Glykolyse zur Bildung von Milchsäure (Laktat). Laktat muss der Körper wieder abbauen, da es sonst zur Übersäuerung kommt. Außerdem wird Laktat nur mit ausreichend Sauerstoff verstoffwechselt. Ist die Belastung sehr intensiv und dauert noch an, ist zu wenig Sauerstoff für den Laktatabbau verfügbar.  Die Laktatbildung übersteigt den Laktatabbau und es kommt zur Übersäuerung der Muskulatur (Azidose bei einer Laktatkonzentration über 15 mmol/l). Eine Azidose im Muskel hemmt die Enzyme im Muskel, welche für das Zusammenziehen der Muskelfasern (Muskelkontraktion) verantwortlich sind. Es kommt unweigerlich zur Muskelermüdung und zum Leistungsabbruch [1,3,8].

Dauerbelastungen: Energie für langandauernde Leistung

Beim Laufen, Fahrrad fahren oder Skilanglauf von mittlerer oder geringerer Intensität ist die Energiegewinnung aus Kohlenhydraten und Fetten mit Hilfe von Sauerstoff (aerobe Energiebereitstellung) die Voraussetzung, um länger Leistung zu erbringen [8].

Aerobe Glykolyse: Die vollständige Verbrennung von Glucose

Mit Sauerstoff ist es dem Körper möglich, Kohlenhydrate in Form von Glukose vollständig zu verbrennen (aerobe Glykolyse). Bei der Verbrennung von Nährstoffen, bei der Sauerstoff benötigt wird, spricht man auch von Oxidation [4]. Die Glukose zur Energiegewinnung stammt dabei in erster Linie aus dem Glykogenspeicher der Muskulatur. Ist dieser Speicher leer, bedient sich der Körper vermehrt am Glykogen aus der Leber [8]. Je nach Ernährungsweise und Trainingszustand sind die Glykogenspeicher ohne Nährstoffzufuhr während der Belastung nach ca. zwei Stunden erschöpft, so dass bei Wettkämpfen frühzeitig für Nachschub gesorgt werden muss. Gut trainierte Ausdauersportler schonen ihre Glykogenspeicher dadurch, dass sie bereits früher einen größeren Teil ihrer Energie aus Fettsäuren beziehen [5,6,8]. Zudem führen sie kontinuierlich neue Kohlenhydrate zu (z.B. als Gel oder Riegel).

Lipolyse: Fette verbrennen im Feuer der Kohlenhydrate

Fette können vom Körper sehr gut gespeichert werden. Die Fettspeicher liefern im Ausdauersport fast unbegrenzt Energie. Die Verbrennung von Fettsäuren (Lipolyse) ist im Gegensatz zur Verbrennung von Glukose nur mit Sauerstoff (aerob) möglich. Fette liefern zwar mehr als doppelt so viel Energie wie Kohlenhydrate, sie werden allerding nur sehr schwer zur Energiegewinnung mobilisiert.

Da bei der Fettverbrennung ein Aktivierungsenzym aus dem Glukoseabbau notwendig ist, werden Fette immer parallel mit Glukose verbrannt. Daher der Leitspruch: Fette verbrennen im Feuer der Kohlenhydrate. 

 

Ein Grund warum bei Dauerbelastungen die Menge an gespeichertem Glykogen meist leistungsbegrenzend ist [2,6,7,8,9,12].

Sauerstoffverfügbarkeit: Sie entscheidet im Muskel 

Obwohl Fette bereits nach ca. 30 Minuten Belastungszeit mobilisiert werden, entscheidet primär die Belastungsintensität und damit die Verfügbarkeit von Sauerstoff im Muskel über die Anteile der Kohlenhydrat- und Fettverbrennung. Bei wenig intensiven Aktivitäten werden diese Makronährstoffe etwa zu gleichen Anteilen herangezogen. Wird eine Belastung intensiver, gelangt über die Atmung zu wenig Sauerstoff ins Blut und somit in den Muskel. Der Anteil der Fette an der Energiebereitstellung wird reduziert und der Anteil der Kohlenhydrate erhöht [8].

Glukoneogenese: Energie unter anhaltender Belastung

Ohne Energiezufuhr während der Belastung sind die Glykogenspeicher nach zwei Stunden komplett entleert. Dauert die Belastung länger, ist die Leber in der Lage aus (a) gespeicherten Aminosäuren (aus den Proteinen), (b) Laktat (aus der anaeroben Verbrennung) und (c) Glycerin (aus dem Fettsäureabbau) neue Glukose zu bilden. Diese Neubildung wird als Glukoneogenese bezeichnet (bzw. als ein Wort „Gluko-neo-genese). Diese Prozesse laufen allerdings sehr langsam ab und benötigen wiederum Sauerstoff [3,8].

Wer also lang und sehr intensiv Leistung bringen will, sollte somit bereits schon ab 90 Minuten Kohlenhydrate zuführen, um die Glykogenreserven zu schonen.

Du siehst, der Muskel bedient sich je nach Art, Intensität und Dauer deiner sportlichen Betätigung unterschiedlicher Energiequellen. Mit dem Wissen zum Energiestoffwechsel der Muskulatur kannst du deine Ernährung sowie dein Training steuern, um deinen Körper optimal mit Nährstoffen zu versorgen und deine sportlichen Ziele zu erreichen.


QUELLEN

[1] De Marées, H. Sportphysiologie. Sportverlag Strauß, Köln, 9. Auflage 2003.

[2] Fink, H.H., Mikesky, A.E. Sports Nutrition: Practical Applications. Jones and Bartlett Learning, Burlington, 4. Edition 2015.

[3] Jeukendrup,   A.,   Gleeson,   M.   Sport   Nutrition:   An   Introduction   to energy   production   and performance. Human Kinetics, Stanningley, 2. Edition 2010.

[4] Kirsch, K. Leistungsphysiologie. Lehrbuch der Physiologie. Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1994.

[5] Lamprecht, M., Holasek, S., Konrad, M., Seebauer, W., Hiller-Baumgartner, D. Lehrbuch der Sporternährung: Das wissenschaftlich fundierte Kompendium zur Ernährung im Sport. Clax Verlag, Graz, 1. Auflage 2017.

[6] Neumann, G., Pfützner, A., Berbalk, A. Optimiertes Ausdauertraining. Meyer & Meyer Verlag, Aachen, 6. Überarbeitete Auflage, 2011

[7] Newsholme, E.A., Blomstrand, E., McAndrew, N. Biochemische Ursachen für Ermüdung. In: Shepard, R.J., Astrand, P.O. Ausdauer im Sport: Eine Veröffentlichung des IOC in Zusammenarbeit mit der FIMS. Deutscher Ärzte Verlag, Köln, 1993.

[8] Raschka, C. und Ruf, S. Sport und Ernährung: Wissenschaftlich basierte Empfehlungen und Ernährungspläne für die Praxis. Thieme Verlag, Stuttgart, 1. Auflage 2012.

[9] Rost, R. Lehrbuch der Sportmedizin. Deutscher Ärzte Verlag, Köln, 2001.

[10] Schek, A. Kohlenhydrate in der Ernährung des Ausdauersportlers. Ernährungs-Umschau 44(12):434-440.

[11] Weineck, J. Optimales Training: Leistungsphysiologische Grundlagen unter besonderer Berücksichtigung des Kinder- und Jugendtrainings. Spitta Verlag, Balingen, 16. Auflage 2010.

[12] Widhalm, K. Ernährungsmedizin. Deutscher Ärzte-Verlag, Köln, 3. Überarbeitete Auflage, 2009.

[13] Williams, M.H. Ernährung, Fitness und Sport. Deutsche Ausgabe herausgegeben von Rost, R. Ullstein Mosby Verlag, Berlin, 1997.