Energiebereitstellung im Muskel

Die Energiebereitstellung im Muskel ist für viele Studenten oder Auszubildende oft gar nicht so einfach zu verstehen, insbesondere wenn man bisher eher wenig mit Biologie zu tun hatte. In dem Beitrag versuche ich dir die Energiebereitstellung einfach erklärt darzustellen. Falls du noch nicht wissen solltest, wie ein Muskel ganz grundsätzlich aufgebaut ist und was passieren muss, dass sich Muskeln zusammenziehen, dann schau dir doch das Video von Planet Schule “So funktioniert ein Muskel” an bevor du diesen Beitrag weiterliest. Ich beziehe mich an der ein oder anderen Stelle auf dinge, die im Muskel passieren und denke das dir das Video ganz gut beim weiteren Verständnis der Energiebereitstellung im Muskel helfen kann.

Allgemeines zur Energiebereitstellung im Muskel

Jede Zelle im Körper benötigt Sauerstoff (O2), so auch die Muskeln. Denn Sauerstoff ist die Voraussetzung für die Lebensfähigkeit unseres Organismus. Bewegung oder generell Leben erfordert Energie. In dem Video von Planet Schule wurde gezeigt, dass sich Proteine zusammenziehen, um dadurch dann Muskelkontraktionen hervorzurufen. Würde das nicht passieren, könnten wir nicht leben. Damit sich aber die Proteine ineinander verhaken können usw. benötigt der Körper Energie. Die Energie kommt hauptsächlich aus Nahrungsmitteln, wie beispielsweise Nudeln, Öl, Fleisch oder energiereichen Getränken…falls du gerade Lust hast etwas zu essen, dann schau dir doch die leckeren Gerichten in den kostenlosen Errnährungsplänen hier auf Fitness Einfach Erklärt an 😅… Okay, jetzt weiter zur Energiebereitstellung. Also, die Energie kommt zum größten Teil also aus Nahrungsmitteln. In Lebensmitteln stecken u. a. die Makronährstoffe Kohlenhydrate, Fette und Proteine. Die Lebensmittel liefern uns also die Energie die wir brauchen. Allerdings können die Muskeln, Kohlenhydrate usw. nicht direkt als Energiequelle nutzen. Der Körper muss diese Nährstoffe zunächst umwandeln. Bei der Umwandlung entsteht dann ATP als universeller Energieträger im menschlichen Körper. Die ständige ATP-Produktion mit Sauerstoff ist für die Zellen essenziell, denn sie nutzen hauptsächlich die im ATP gespeicherte Energie für die Aufrechterhaltung ihrer Strukturen und ihre spezifischen Funktionen (Faller & Schünke, 2016, Hollmann & Strüder, 2009).

Merke:

  • Die hauptsächliche Energiequelle für das Zusammenziehen der Muskulatur ist ATP
  • Nährstoffe (insb. Kohlenhydrate, Fette, aber auch Proteine) werden in ATP umgewandelt
Energiebereitstellung im Muskel Energiebereitstellugn einfach erklärt
Energiebereitstellung im Muskel durch indirekte Energie aus der Nahrung. Image by stevepb from Pixabay

 

Energiebereitstellung im Muskel – Adenosintriphosphat

Der universelle Energieträger heißt Adenosintriphosphat oder abgekürzt ATP. ATP besteht aus drei chemischen Substanzen. Dabei handelt es sich um das stickstoffhaltige Adenin, den Zucker Ribose sowie drei Molekülen Phosphat. Die Phosphate sind durch energiereiche Verbindungen verknüpft. Aus der Zusammensetzung ergibt sich dann offensichtlich auch der Name Adenosintriphosphat (Faller & Schünke, 2016, Hollmann & Strüder, 2009). 🙂

Merke:

  • Adenosintriphosphat = Adenin + Ribose + 3 Phosphate
  • Adenosin = Adenin + Ribose

Jede Zelle muss das ATP also, als hauptsächlich direkt biologisch verwertbare Energieform, ständig produzieren. Dadurch werden dann u. a. erst die folgenden energiefordernden Prozesse ermöglicht (Faller & Schünke, 2016, Hollmann & Strüder, 2009):

  • Mechanische Arbeit, also die Bewegung (Kontraktion) von Muskeln
  • Transport von Stoffen durch die Zellmembran
  • Synthese von Eiweiß und anderen Zellbestandteilen
  • Phosphorylierung von Glukose und Fruktose-6-Phosphat
  • Aktivierung von freien Fettsäuren

Im weiteren Verlauf des Beitrags konzentrieren wir uns aber ausschließlich auf ATP und die Muskelkontraktion.

ATP ist im Körper bereits direkt vorhanden. Das ist schon mal cool! Aber täglich verbraucht der Mensch etwa so viel ATP, wie es seinem Körpergewicht entspricht. Der Vorrat der Muskelzelle an ATP ist jedoch sehr beschränkt und beträgt im ruhenden Muskel etwa 6 mmol/kg, was wahrscheinlich für eine bis drei Muskelkontraktionen bzw. 2 – 3 Sekunden Muskelarbeit ausreicht. Auch durch Training und Ernährung können wir diese grundsätzliche Menge an ATP anscheinend nicht verändern. Um dann die Muskeln letztendlich doch länger als nur 2 – 3 Sekunden nutzen zu können, werden z. B. die Makronährstoffe aufgespalten (Hüter-Becker & Dölken, 2011). Generell werden für die Herstellung von ATP verschiedene Ausgangsstoffe genutzt. Neben den Kohlenhydraten und Fetten gibt es noch andere Substanzen, z. B. Kreatinphosphat, aus denen der Körper ATP herstellen kann (Raschka & Nitsche, 2016). Der Proteinanteil bei der Energieproduktion liegt bei maximal 10 – 15 %. Proteine können also auch dazu genutzt werden Energie zu lieferen, aber ihr Anteil ist relativ gering (Hüter-Becker & Dölken, 2011).

Welche Energiereserven der Körper in welchem Umfang verbrennt, bestimmt primär die Belastungsintensität (Raschka & Nitsche, 2016). Weitere Faktoren, die Einfluss haben können, sind Belastungsdauer, Ernährungsweise, Trainingszustand (Raschka & Nitsche, 2016):

 

Energiebereitstellung im Muskel – Wie liefert ATP Energie?

Das ATP-Molekül besitzt ja die 3 Phosphatreste (P). Jedes Phosphat wurde durch einen aufwändigen Prozess an das Adenosin geklebt. Plakativ gesagt ist die Bindungsenergie der Kleber. Und würde man jetzt ein Phosphat vom Adenosin lösen, würde die Bindungsenergie freigesetzt werdem. Die freigesetzte Energie könnte dann für andere Zwecken verwendet werden…und genau das passiert auch in der Muskulatur. Die Grundlage der Energiegewinnung ist also die Abspaltung von Phosphat. Wird jetzt ein Phosphat abgespalten nennt man das übrige Molekül Adenosindiphosphat (ADP). Es sind halt nur noch 2 Phosphate am Adenosin, daher die Vorsilbe “di” für “zwei” (griech. „dis“ ≙ „zweimal”). Bei der Abspaltung eines Phosphats werden ca. 7 kcal pro Mol ATP frei, die für Zellleistungen eingesetzt werden können (“Mol” ist die internationale Einheit der Stoffmenge). Im Skelettmuskel wird ATP durch das Enzym Myosin-ATPase zu ADP abgebaut. In einer separaten chemischen Reaktion ist auch der Abbau von ATP bis zu Adenosinmonophosphat (AMP, nur ein Phosphat “klebt noch am Adenosin”) möglich. Neben dem ATP gibt es auch noch andere energetisch vergleichbare Verbindungen im menschlichen Körper. Das ist zum einen das Guanosintriphosphat und das Uridinitriphosphat. Allerdings wird, wie bereits erwähnt, hauptsächlich ATP benutzt (Hollmann & Strüder, 2009). Damit die Reaktion immer wieder ablaufen kann, muss ATP halt immer wieder nachgeliefert werden. Die Reaktion hat die Formel (Hollmann & Strüder, 2009):

ATP + H2O → ADP + P + Energie

Die unten stehende Abbildung soll lediglich plakativ verdeutlichen was passiert. Der rote Kreis steht für Adenosin, der blaue Stift meint Phosphat. Der Blitz steht für Energie und Wasser ist nicht in der Abbildung ersichtlich.😁 Anmerkung: Die realen Strukturen entsprechen natürlich nicht einfach einer Kreisform und einem Stift, sondern sind viel komplizierter. Vermutlich blitzt es auch nicht jedes Mal, wenn ein Phosphatrest abgespalten wird…😉

Energiebereitstellung im Muskel Energiebereitstellung einfach erklärt

 

Merke:

  • 1 Phosphat wird abgegeben
  • ADP entsteht
  • Energie wird frei

 

Energiebereitstellung im Muskel – Wo wird ATP gebildet?

ATP muss natürlich auch irgendwo hergestellt werden. Die Produktionsorte von ATP unterscheidet man je nachdem, ob bei der Bildung Sauerstoff gebraucht wird oder nicht. Ist Sauerstoff beteiligt wird ATP in den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zellen, hergestellt. Dabei spricht man auch von der “aeroben Energiebereitstellung” (Biesalski et al., 2017; Faller & Schünke, 2016) (griech. „aēr“ ≙ „Luft“). Wird kein Sauerstoff benutzt, dann wird ATP außerhalb der Mitochondrien im Sarkoplasma gebildet. Diesen Weg der Energiebereitstellung nennt man auch “anaerob” (Adeva-Andany et al., 2014; Lackner & Peetz, 2019) (griech. „aēr“ ≙ „Luft“, mit Alpha privativum α(ν)- a(n)- “ohne”).

Bei geringer Belastung werden diese Ausgangsstoffe größtenteils mit Hilfe von Sauerstoff abgebaut (aerob). Man kann sich das ganz plakativ so vorstellen, dass die Muskeln bei geringer Belastung auch entprechend Zeit haben ATP herzustellen. Demenstprechend können sie warten bis Sauerstoff von den Lungen geliefert wird. Der Körper nutzt unter Beteiligung von Sauerstoff Fette (langsam) oder auch Kohlenhydrate (nicht so langsam wie Fett). Erhöht sich jedoch die Belastungsintensität, so reicht die vergleichsweise langsame ATP-Herstellung mittels Sauerstoff nicht mehr aus, um den steigenden Bedarf an ATP zu decken. Daher werden bei höherer Belastungsintensität Energiebereitstellungswege benötigt, die schnell oder auch richtig schnell ATP liefern. Dazu gehört der sauerstoffunabhängige Abbau von Kohlenhydraten (schnell) oder von Kreatinphosphat (richtig schnell). Werden Kohlenhydrate ohne Beteiligung von Sauerstoff abgebaut entsteht u. a. auch Laktat (Salz der Milchsäure). Neben Wasserstoff-Ionen, die auch beim anaeroben Abbau von Kohlenhydraten entstehen, sammelt sich auch Laktat im Muskelgewebe an und sorgt für Ermüdung der Muskulatur. Die Muskulatur, weil das Milieu etwas saurer wird, wodurch die anaerobe Energiebereitstellung mittels Kohlenhydraten verlangsamt wird (Faller & Schünke, 2016). Stell dir einfach vor, du möchtest 400 m sprinten. Bei einem 400 m Sprint sind Kohlenhydrate der Hauptlieferant von ATP. Die ersten 100 m rennst du deine Bestzeit und versuchst das Tempo zu halten. Irgendwann auf dem Weg, nach vlt. 200 – 300 m spürst du deine Oberschenkel brennen. Jetzt gibst du aber nicht auf und sprintest weiter. Allerdings merkst du, dass, auch wenn du probierst deine Geschwindigkeit zu halten, immer langsamer wirst. Die Muskeln brennen immer mehr und mehr. Das liegt dann halt an dem Laktat und den Wasserstoff-Ionen. Das Milieu inerhalb der Muskulatur wird saurer. Das äußert sich dann in dem brennenden Gefühl und behindert die Energiebereitstellung über Kohlenhydrate.

Merke:

  • Je mehr Laktat , desto weniger gut funktioniert die anaerobe ATP-Herstellung.

 

Energiebereitstellung im Muskel – Wie wird ATP gebildet?

ATP muss also immer wieder hergestellt werden. Damit folgende Reaktion immer wieder ablaufen kann:

ATP + H2O ADP + P + Energie

Gerade habe ich schon erwähnt, dass es unterschiedliche Wege gibt, wie ATP hergestellt werden kann. Jetzt schauen wir uns die einzelnen Wege genauer an. Unterschieden werden (Hollmann & Strüder, 2009; Hüter-Becker & Dölken, 2011; Raschka & Nitsche, 2016):

  • Anaerob-alactacide Energiebereitstellung
  • Anaerob-lactacide Energiebereitstellung
  • Aerobe Energiebereitstellung

Anaerob-alactacide Energiebereitstellung

Benötigt der Körper richtig schnell Energie, weil die Belastungsintensität sehr hoch ist und ATP eigentlich unverzüglich nachgeliefert werden muss, wird die anaerob-alactacide Energiebereitstellung genutzt. Der anaerob-alactacide Weg dominiert die Energiebereitstellung wahrscheinlich bei maximalen Anstrengungen bis 20 Sekunden (Schnabel, 2014).

Wie es der Name bereits andeutet ist Sauerstoff bei diesem Weg nicht beteiligt. Auch Laktat wird bei der Produktion von ATP anscheinend nicht gebildet. Also fallen Fett (nur aerob) und Kohlenhydrate (Laktatbildung, wenn anaerob) als Energieträger heraus. Welcher Energieträger kann es denn sein?🤔 Das Depot für die anaerob-lactacide Energiebereitstellung stellt das Kreatinphosphat (PCr) dar. Dabei ist das Kreatinphosphat in etwa drei- bis viermal so großer Menge wie das ATP in der Muskelzelle vorrätig. Der Kreatinabbau wird von dem Enzym Kreatinphosphokinase (CK) gesteuert, welches sich in seiner Aktivität nach dem jeweiligen ATP-Verbrauch richtet. Bei dynamischer Arbeit steigt der Kreatinabbau etwa linear mit der muskulären Leistung an, unter statischer Belastung linear zur entwickelten Spannung (Hollmann & Strüder, 2009). Je nachdem, wie gut die aerobe Leistungsfähigkeit ausgebildet ist, können die KP-Speicher nach Entleerung schon nach ca. 3 min wieder nahezu vollständig aufgefüllt werden (Hüter-Becker & Dölken, 2011).

Merke:

  • Kreatinphosphat bietet die schnellste Wiederherstellung von ATP

Wir wissen ja bereits, dass 1 Phosphat vom ATP abgespalten wird, sodass nach Energiebereitstellung 1 ADP vorliegt. Jetzt passt es eigentlich ganz gut, dass es Kreatinphosphat gibt. Denn das Kreatinphosphat könnte auch 1 Phosphat liefern. Und das macht es auch. Dazu wird das Phosphat vom Kreatin zuvor mit Hilfe eines Enzyms abgespalten. Das frei verfügbare Phosphat kann nun unter Ausnutzung von Energie an das ADP geklebt werden. Und schon hat man wieder 1 ATP, das wieder gepalten werden kann, um Muskelaktionen zu unterstützen. Die chemische Reaktionsformel dazu lautet (Hollmann & Strüder, 2009):

ADP + PCr → ATP + Cr

 

Anaerob-lactacide Energiebereitstellung

Der Kreatinphosphatspeicher und somit der anaerob-alactazide Stoffwechsel deckt den Energiebedarf nur für wenige Sekunden einer hochintensiven Belastung komplett ab. Die Resynthese von ATP hat aber immer kontinuierlich weiterzugehen. Darum beginnt bereits nach 4 bis 6 Sekunden Belastung der Abbau von komplexeren Molekülen eine Rolle zu spielen. Bei der anaerob-lactaciden Energiebereitstellung geht es um die Nutzung von Kohlenhydraten zur Herstellung von ATP ohne die Beteiligung von Sauerstoff, aber unter Bildung von Laktat. Der anaerob-lactacide Weg ist zwar langsamer als der anaerob-alactacide Weg, allerdings wird bei der anaeroben Verwertung der Kohlenhydrate mehr ATP produziert als bei der Verstoffwechselung von Kreatinphosphat (Raschka & Nitsche, 2016). Dieser Stoffwechselweg dominiert die Energiebereitstellung wahrscheinlich in einem Bereich von 20 bis 80 Sekunden (Schnabel, 2014).

Merke:

  • Die anaerob-lactacide Energiebereitstellung erfolgt über Kohlenhydrate ohne Sauerstoff
  • Die Wiederherstellung ist langsamer als über PCr, aber trotzdem schnell
  • Liefert eine größere ATP-Menge als PCr

Entweder werden Kohlenhydrate durch Glucose oder durch Glykogen (Speicherform von Glucose in den Muskel- und Leberzellen) zur Energiebereitstellung genutzt. Man nennt den Abbauweg von Glucose auch Glykolyse und den von Glykogen Glykogenolyse (Raschka & Nitsche, 2016; Schnabel, 2014). Eine einfache chemische Reaktionsgleichung wird nachfolgend dargestellt (Hollmann & Strüder, 2009). Dabei ist zu beachten, dass die zugrunde liegenden Kaskaden viel komplexer sind. Aber die einfache Formel stimmt im Grundsatz natürlich auch, ist halt nur recht einfach gehalten. 😉

Glucose + P + ADP → Lactat + ATP

Mit intensiver Belastung kann auch, wie bereits bei dem 400 m Sprint Beispiel erwähnt, die Blutlaktatkonzentration als Ausdruck der anaeroben Energiebereitstellung ansteigen. Dieses tritt bei steigender Konzentration aus den Muskelzellen ins Blut über und wird im Verlauf vor allem in Herz, Niere und Leber wieder abgebaut (Raschka & Nitsche, 2016).

 

Aerobe Energiebereitstellung

Bei der aeroben Energiebereitstellung werden u. a. Kohlenhydrate oder Fette unter Ausnutzung von Sauerstoff für die Weiderherstellung von ATP herangezogen. Dabei ist der Weg über Kohlenhydrate schneller als der über Fette. Kohlenhydrate werden unter Beteiligung von Sauerstoff vollständig verbrannt und liefern, verglichen mit den anaeroben Verwertung, dementsprechend mehr ATP. Die ATP-Wiederherstellung über Fette nimmt zwar mehr Zeit in Anspruch als alle zuvor genannten Stoffwechselwege, allerdings wird hierdurch auch eine deutlich größere Menge an ATP geliefert (Hollmann & Strüder, 2009). Der aerobe Stoffwechsel dominiert die ATP-Resynthese wahrscheinlich ab einem Bereich von über 2 Minuten Belastung (Schnabel, 2014). Die sehr einfach Reaktionsformeln für die aerobe Verbrennung von Kohlenhydraten und die Verwertung von Fetten sehen prinzipiell ähnlich aus (Hollmann & Strüder, 2009).

Glucose + P + ADP + O2 → ATP + H2O + CO2

Fett + P + ADP + O2 → ATP + H2O + CO2

 

Anteil der Stoffwechselwege bei der Energiebereitstellung

Die unterschiedlichen Stoffwechselwege finden alle gleichzeitig statt. Lediglich der prozentuale Anteil der jeweiligen Energiebereitstellungswege ist je nach Belastungsintensität und Ernährungssituation unterschiedlich groß. Folgende Tabelle gibt dir einen Überblick über den Prozentanteil der aeroben und anaeroben Stoffwechsellage bei maximaler Belastung unterschiedlicher Dauer und gefüllten Kohlenhydratspeichern.

Prozentanteil des anaeroben und aeroben Stoffwechsels bei maximaler Belastung, unterschiedlicher Dauer und gefüllten Glykogenspeichern [Schnabel, 2014].
Stoffwechsellage10 Sekunden1 Minute2 Minuten10 Minuten30 Minuten
Anaerob85 %65 - 70 %50 %10 - 15 %5 %
Aerob15 %30 - 35 %50 %85 - 90 %95 %

 

Literatur

Adeva-Andany, M., López-Ojén, M., Funcasta-Calderón, R., Ameneiros-Rodríguez, E., Donapetry-García, C., Vila-Altesor, M., & Rodríguez-Seijas, J. (2014). Comprehensive review on lactate metabolism in human health. Mitochondrion, 17, 76-100.

Biesalski, H. K., Pirlich, M., Bischoff, S. C., & Weimann, A. (Eds.). (2017). Ernährungsmedizin: Nach dem Curriculum Ernährungsmedizin der Bundesärztekammer. Georg Thieme Verlag.

Faller, A. & Schünke, M. (2016). Der Körper des Menschen: Einführung in Bau und Funktion. Geoerg Thieme Verlag

Hollmann, W., & Strüder, H. K. (2009). Sportmedizin: Grundlagen für körperliche Aktivität, Training und Präventivmedizin; mit 91 Tabellen. Schattauer Verlag

Hüter-Becker, A., & Dölken, M. (2011). Biomechanik, Bewegungslehre, Leistungsphysiologie, Trainingslehre. Georg Thieme Verlag.

Raschka, C. & Nitsche, L. (2016). Praktische Sportmedizin . Thieme

Schnabel, G. (Ed.). (2014). Trainingslehre-Trainingswissenschaft: Leistung-Training-Wettkampf. Meyer & Meyer Verlag.

close

Newsletter

*erforderliches Feld

Mein Newsletter kommt einmal im Monat und zeigt dir eine Auswahl an Beiträgen, die kürzlich veröffentlicht wurden. Da ich nicht in einer bestimmten Regelmäßigkeit veröffentlichen kann, ist das doch eine super Sache, oder!? 😉

Informationen zum Anmeldeverfahren, Versanddienstleister, statistischer Auswertung und Widerruf findest du in meinen Datenschutzbestimmungen

Um meinen Newsletter für dich interessant zu gestalten, erfasse ich statistisch welche Links die Nutzer in dem Newsletter geklickt haben. Mit der Anmeldung erklärst du dich mit dieser statistischen Erfassung einverstanden.

Hinterlasse jetzt einen Kommentar

Kommentar hinterlassen

E-Mail Adresse wird nicht veröffentlicht.


*