"Vereinfachtes" Schema der Energiegewinnung

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Reise durch das "Kraftwerk Mensch"

Beginnen wir unsere Reise auf dem Schema ganz rechts:

Wir wollen etwas leisten, zum Beispiel eine Treppe hinaufgehen. Dazu müssen sich Muskeln zusammen ziehen, dies braucht Energie! Woher kommt nun diese Energie?

Wir kennen zwei Arten von Energiegewinnung: die aerobe und die anaerobe Form.
Aerob heisst "mit Sauerstoff", anaerob bedeutet "ohne Sauerstoff".

Das Benzin für die aerobe Gewinnung sind Fette und Zucker (auch Kohlenhydrate genannt). Bei der anaeroben Energiegewinnung kann Zucker zu Laktat umgewandelt werden oder die im Muskel vorhandenen Energiespender Kreatinphosphat oder ATP werden gebraucht.
 

Kreatinphosphat und ATP als Lückenbüsser!

Wenn Sie die Treppe hochrennen, weil das Telefon läutet, sind Ihre normalen Stoffwechselwege mit Nutzung des Sauerstoffs nicht so schnell bereit, dass Sie Ihnen Energie für diesen 3-Sekunden-Sprint bieten könnte. Deshalb haben wir noch ein anderes Energiesystem zur Verfügung, das jederzeit einspringen kann:

Kreatinphosphat und Adenosintriphosphat

Diese beiden Phosphate liefern Energie ohne Sauerstoff und ohne Bildung von Milchsäure. Diese Energieformen sind hochexplosiv, sie sind schnell verfügbar und qualitativ sehr gut. Leider haben wir aber nur kleine Speicher. Immerhin stehen die beiden Stoffe jederzeit zur Verfügung.

Das Adenosintriphospat, auch ATP genannt, reicht nur für 2-3 Sekunden, wenn es nicht nachgeliefert wird. Von den drei Phosphaten (Triphospat) wird ein Phosphat abgespalten, dies gibt folglich ein Phosphat, Adenosindiphosphat und Energie, die zur Muskelzuckung gebraucht werden kann. Das ATP ist wie ein Schlüssel für die Energielieferung: Alle anderen Energieformen müssen ATP produzieren, um ihren Beitrag zum Energiestoffwechsel leisten zu können.

Das Kreatinphosphat reicht etwa für einen 100m-Lauf. Das Phosphat des Kreatinphosphats wird dem Abfallprodukt des ATP, dem Adenosin -di - phosphat übergeben, somit steht wieder erneuertes ATP zur Verfügung. Das Kreatin kann sich später dann ebenfalls wieder zu Kreatinphosphat zurückwandeln.

Bei beiden Energieformen entsteht Energie, es bildet sich kein Laktat und es wird kein Sauerstoff benötigt. Deshalb heisst diese Energieform:

                        anaerob alaktazide Energiegewinnung

Kurzsprinter, Hoch- und Weitspringer, Wurfdisziplinen, Wasserspringer und Fechter brauchen ein gutes anaerobes alaktazides Energiesystem.
Im Alltag brauchen wir es zum Treppensteigen und zum Beispiel für einen Sprint an die Bushaltestelle.
 

Aerobe Prozesse machen bald mit!

Ist die Belastung länger als einige Sekunden, hängt die Form der Energiegewinnung vorallem von der Intensität der Belastung ab.
Gehen wir zum Beispiel zu Fuss am Morgen 15 Minuten zum Bahnhof, dann können wir dies weitgehend mit Sauerstoff abdecken, wir leisten also aerob. Die "Gretchenfrage" ist nun, ob wir dabei Zucker oder Fette verbrennen. Dies hängt wiederum von unserem Gehtempo, von der eigenen Fitness und vom Gewicht ab.

Grundsätzlich leben wir im Alltag vorwiegend in der Fettverbrennung, da sie am sparsamsten ist und wir immer ausreichend Fette zur Verfügung haben. Wenn wir zwischendurch unserer "Lebenstempo" erhöhen müssen, kann es vorkommen, dass auch vermehrt Zucker (Kohlenhydrate) eingesetzt werden, da die Verbrennung von Zucker mit Sauerstoff etwas "bessere" Energie liefert, da sie qualitativ besser und schneller ist. Im Gegensatz zu den Fetten sind unsere Zuckerspeicher in Muskeln und Leber nicht so gross. Ein übermässiger Zuckerverbrauch wird für den Körper bald kritisch, da das Gehirn nur Zucker für den Stoffwechsel brauchen kann. Der Zuckerspiegel im Blut wird deshalb sehr konstant gehalten: bei einem Abfall des Zuckerspiegels kann die Hirnfunktion beeinträchtigt werden.
 

Eine gesunde Lunge ist Vorraussetzung für die aerobe Energiegewinnung - hier ein Blick in die Lungenbläschen!

Zucker ist lebenswichtig!

Wir haben eine gewisse Zuckerreserve im Körper: im Blut, in der Leber und in der Muskulatur. Wir können mit Zucker alleine etwa eine Stunde leisten, bis die Speicher erschöpft sind. Dehalb müssen wir für einen Ausdauerwettkampf die Zuckerspeicher möglichst füllen (Spaghetti-Party!) und auch die Fettverbrennung optimieren, da wir z.B. bei einem Marathon nicht ohne Fette auskommen können.

Im Muskel sind die Zucker in Form von Stärke (Glykogen) gespeichert. Man kann sie sogar im Elektronenmikroskop als Schollen erkennen. Bei körperlicher Aktivität können wir Zucker aus diesen Speichern, aber auch den Zucker aus dem Blut brauchen. Der Zuckerspiegel im Blut wird bei erhöhtem Verbrauch von der Leber konstant gehalten. Dort hat es auch Zuckerspeicher in Form von Glykogen.
 

Zuckernachschub aus dem Blut, dem Darm und der Leber für die Muskelzelle. Glykogenschollen liegen im Muskel für die körperliche Aktivität bereit.

Die Glykolyse ergibt bereits 2 ATP.

Wie entsteht Energie aus Zucker?

Der Zucker kann sowohl aerob wie auch anaerob gebraucht werden. Auch hier ist die anaerobe Energiegewinnung so quasi eine Reserve, wenn die aerobe überlastet oder noch nicht bereit ist.

Die erste Wegstrecke des aeroben und anaeroben Zuckerwechsels ist gleich. Man nennt sie Glykolyse, weil der Zucker aufgespalten wird. Dabei finden ca. 20 Stoffwechselreaktionen statt. Das Tolle dabei ist die Tatsache, dass bei diesem Prozess bereits wieder 2 Moleküle ATP gewonnen werden und so erneut Energie für die (Muskel-) Zellen bereit steht.

Zuckerstoffwechsel - aerob oder anaerob?

Die Stoffwechselreaktion kommt nach den 20 Schritten der Glykoloyse zum Pyruvat, der Brenztraubensäure. Dort gehen der aerobe und anaerobe Weg definitv auseinander. Doch was ist ausschlaggebend, ob nun aerob oder anaerob geleistet wird? 

Der anaerobe Weg vom Pyruvat zum Laktat wird beschritten, wenn der aerobe Weg noch nicht bereit ist (z.B. wenn der Körper noch nicht aufgewärmt ist), wenn die Reaktionszeit für das aerobe System zu kurz ist (Sprint zur Bushaltestelle) oder wenn das aerobe System schon ausgelastet ist und trotzdem eine noch höhere Leistung abverlangt wird. 

Der Schritt vom Pyruvat in den Zitronensäurezyklus ist das Eintrittstor für die Energiegewinnung mit Sauerstoff mit Zucker, aber auch grundlegend wichtig für die Fettverbrennung. Diese liefert uns viel Energie, wenn auch die Produktion etwas langsam vor sich geht.
 

Das Pyruvat als Schaltstelle zwischen aerober und anaerober Energiegewinnung!

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Sauerstoffverbrauch blau und CO2-Produktion (orange) bei zunehmender körperlicher Belastung bei einer Ergospirometrie auf dem Velo

Mitochondrien - Kraftwerke des Körpers

In den Mitochondrien werden die bis dahin entstandenen Stoffwechselprodukte in energiereiche Verbindungen umgewandelt und zusammen mit Sauerstoff entsteht ganz viel ATP. Als "Abfallprodukte" entstehen CO2 (Kohlendioxid), Wasser und Wärme. Das CO2 ist in zu grossen Menge giftig für den Körper und wird deshalb im Blut vom Hämoglobin gebunden, in die Lunge transportiert und mit der Luft in der Lunge ausgeatmet. Je intensiver wir leisten, um so mehr CO2 entsteht, umso mehr müssen wir atmen, um das CO2 "wegatmen" zu können.

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Bei der anaeroben Schwelle wird die Atemarbeit deutlich grösser, da bei der Übersäuerung nochmals mehr CO2 produziert wird. Das CO2 muss so schnell wie möglich weggeatmet werden.

Je mehr CO2 produziert wird, desto mehr müssen wir atmen!

Die zusätzliche Atemarbeit der Lunge, um das CO2 wegzuatmen, braucht natürlich auch wieder mehr Energie. Je intensiver wir leisten, um so schneller und tiefer atmen wir also. Irgendwann wird die Atmung gut hörbar und sichtbar, das Sprechen fällt schwerer. Deshalb ja auch die Regel: "Wenn wir nicht mehr sprechen können, dann trainieren wir in einem (zu) intensiven Bereich."
 

Mitochondrien sind die Kraftwerke der Zellen!

Respiratorischer Quotient: bei Testbeginn (grün) im Bereich von 0.8 (vorwiegend Fettverbrennung) bei 1 wird nur noch Zucker verbrannt, bei mehr als 1 wird vermehrt angesäuert.

Wie werden Fette verbrannt?

Die Fette werden mit Hilfe von L-Carnitin, das vom Körper selber ausreichend produziert werden kann, in die Mitochondrien transportiert und dort in energiereiche Verbindungen umgewandelt, die wiederum -gleich wie die Zucker - mit Sauerstoff in Energie umgewandelt werden kann.

Bei der Fettverbrennung mit Sauerstoff entsteht weniger Abfall - pro Einheit O2 entsteht 0.7 Einheiten CO2, bei der Zuckerverbrennung ist das Verhältnis 1:1. Dieses Verhältnis nennt man "respiratorischen Quotienten". Er kann bei einer Ergospirometrie gemessen, bzw. berechnet werden.

Somit kann indirekt auf die Dauer und Intensität der Fettverbrennung geschlossen werden.