Stoffwechsel

Unser Körper benötigt für jede Form von Aktivität Energie. Woher sie kommt und wie sie bereitgestellt wir, erfährst du im Beitrag...

Metabolismus (Stoffwechsel) ist die Gesamtheit der lebensnotwendigen biochemischen Vorgänge zum Auf-, Um- und Abbau des Organismus. 

Aufgaben

• Aufbau/Erhaltung der Körpersubstanz
• Energiegewinnung
• Aufrechterhaltung der Körperfunktionen

Unser Körper benötigt für jede Form von Aktivität Energie. Diese entsteht im Energiestoffwechsel durch die Spaltung des körpereigenen universellen Energiespeichers ATP (Adenosintriphosphat). 

In der Muskelzelle ist ATP und ein weiteres energiereiches Phosphat, Kreatinphosphat (CrP), in sehr geringen Mengen bereits vorhanden und sichert dort die Grundversorgung. 

Bei Belastung ist diese Energiequelle allerdings schnell erschöpft (innerhalb weniger Sekunden). Der Körper muss deshalb aus anderen Stoffen Energie gewinnen. Dazu werden energiereiche Substrate in der Muskelzelle verbrannt, um für muskuläre Belastungen benötigte Energie bereitzustellen (Katabolismus: Spaltung und Verbrennung von Nahrungsbestandteilen; unter Freisetzung von Energie entstehen Wasser, CO2, Harnstoff, Energie). 

Die wichtigsten Energielieferanten des Körpers sind Phosphate (v.a. Kreatinphosphat), Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße. Eiweiße spielen während (ausdauernder) muskulärer Belastung unter physiologischen Bedingungen nur eine untergeordnete Rolle. Sie sind stattdessen eher für den „Baustoffwechsel“ des Körpers entscheidend (Anabolismus: Aufbau neuer Zell- und Organstrukturen; die aufgenommene gespaltene Nahrung wird unter Energieverbrauch in körpereigene Substanz umgewandelt).

Alle energiereichen Substrate sind bereits in unterschiedlichen Mengen im Körper gespeichert. Dabei können Fette nahezu überall im Körper abgelagert werden. Sie besitzen einen hohen energetischen Gegenwert (Nahrungsfett: 9,1 kcal/g, Körperfett: 7,5-8 kcal/g). Kohlenhydrate können in ihrer Speicherform Glykogen ausschließlich in der Muskulatur oder der Leber gespeichert werden oder zirkulieren gelöst als Glukose im Blut. Sie verfügen zudem über ein geringeres kalorisches Äquivalent von 4,1 kcal/g. Daraus ergeben sich je nach Körpergewicht und Körperzusammensetzung sehr unterschiedliche Speichergrößen für die Hauptenergieträger.

Beispiel: Energiespeicher eines Mannes (1,80 m groß, 80 kg, 15% Körperfett)

Zum Vergleich: Energieverbrauch für einen Marathon ca. 3000 bis 4000 kcal

Wege der Energiebereitstellung

Diese Speicher werden unter Belastung entsprechend der benötigten Menge und Geschwindigkeit des Energieflusses geleert. Über die Nahrung können die Speicher, mit Ausnahme der Phosphatvorräte, wieder gefüllt werden.

Für die Verstoffwechselung dieser Energieträger zu ATP (ATP-Resynthese) stehen dem Körper drei Wege zur Verfügung:

• Die anaerob-alaktazide Energiebereitstellung aus energiereichen Phosphaten (ATP und CrP)
• Die anaerob-laktazide Energiebereitstellung aus Kohlenhydraten (Glukose oder Speicherform Glykogen)
• Die aerobe Energiebereitstellung aus Kohlenhydraten und Fetten (Glukose bzw. Glykogen und freie Fettsäuren oder aus der Speicherform Triglyzeride)

Die anaerob-alaktazide Weg findet ohne Sauerstoff (anaerob) im Zytoplasma des Muskelzelle statt. Diese Energie ist sofort verfügbar und dient der ersten Initiierung einer Bewegung. Sie erfüllt somit eine vergleichbare Funktion wie eine Startbatterie beim Auto. Aufgrund des geringen Speichers für die nutzbaren Phosphate (ATP und CrP) ist diese Form der Energiebereitstellung zeitlich eng begrenzt. Sie wird vor allem bei kurzzeitigen, intensiven Belastungen beansprucht.

Die anaerob-laktazide ATP-Resynthese findet ebenfalls im Zytoplasma ohne Zusatz von Sauerstoff (anaerob) und unter Bildung von Laktat (laktazid) statt. In einer Reihe von nacheinander geschalteten Reaktionen entsteht im ersten Schritt (Glykolyse) aus den Ausgangssubstanzen Glykogen bzw. Glukose und Pyruvat. Diesem Stoffwechselzwischenprodukt stehen je nach Energiebedarf und Sauerstoffangebot zwei mögliche Stoffwechselwege zur Verfügung: Herrscht in der Zelle Sauerstoffmangel bzw. wird in kürzester Zeit viel Energie benötigt, wird das Pyruvat schnell und ohne Sauerstoff zur Energiegewinnung in ein weiteres Stoffwechselprodukt, das Laktat (Salz der Milchsäure), umgewandelt. 

Herrscht in der Zelle dagegen ein ausreichendes Sauerstoffangebot und der Energiebedarf ist gering, wird das gebildete Pyruvat nicht direkt verstoffwechselt, sondern zur aeroben Energiegewinnung in das Mitochondrium (Zellorganell) eingeschleust. 

Unter normalen Bedingungen herrscht im Körper ein Gleichgewicht zwischen Laktataufbau und Laktatabbau, da das gebildete Laktat direkt in anderen Körperregionen (z. B. Herzmuskel) weiter verstoffwechselt wird. Ist eine direkte Verwertung nicht möglich, erfolgt eine sogenannte Laktatpufferung über spezielle Puffersysteme im Blut (z. B. Bikarbonat). Bleibt der Laktatspiegel in der Muskelzelle und im Blut durch diesen Mechanismus konstant, nennt man dies auch Laktat-Steady-State (LaSS). Benötigt aber der Körper innerhalb kurzer Zeit ein sehr hohes Maß an Energie (z. B. bei intensiver sportlicher Belastung), kommt es zu einer stärkeren Aktivierung der Glykolyse und damit auch zu einer verstärkten Bildung von Laktat und Pyruvat. Folge: Es wird mehr Laktat produziert als abgebaut bzw. gepuffert werden kann. Die fehlende Pufferung des Laktats im Blut führt zu einer Abspaltung von Wasserstoff-Ionen. 

Das gelöste Laktat sorgt so als Milchsäure durch die Abspaltung von Wasserstoff für ein Absinken des körpereigenen pH-Wertes. Diesen Zustand nennt man metabolische Übersäuerung (Azidose). In Folge kommt es zu einem Stopp der anaerob-laktaziden Energiebereitstellung und damit zu einer abrupten Verringerung des Energieflusses. Entweder wird dann die sportliche Belastung ganz abgebrochen oder es kommt zu einer Reduktion der Leistung (z. B. Geschwindigkeitsverlust). Gut zu beobachten ist das zum Beispiel bei 400 m Läufern, die auf der Zielgeraden an Tempo verlieren. Man spricht umgangssprachlich von „übersäuerten Beinen“.

Die anaerob-laktazide Energiebereitstellung liefert pro Zeiteinheit eine große Gesamtenergiemenge, ist aber aufgrund der Anhäufung von Laktat durch den körpereigenen Übersäuerungsschutz zeitlich limitiert. Sie spielt daher vor allem bei hochintensiven Belastungen von begrenzter Dauer eine entscheidende Rolle.

Die aerobe Energiebereitstellung wird auch als „innere Atmung“ bezeichnet und findet in den Mitochondrien der Muskelzelle statt. Darunter verstehen wir die vollständige Verbrennung von Glukose (vollständige Glykolyse) und freien Fettsäuren (Lipolyse). Diese Verbrennung kann nur aerob – also mithilfe von Sauerstoff – erfolgen. 

Fette können also nur bei ausreichendem Sauerstoffangebot in der Zelle zur Energiebereitstellung genutzt werden, Kohlenhydrate dagegen sowohl auf aerobem als auch auf anaerobem Weg.

Über den aeroben Stoffwechselweg stehen dem Körper dank der großen Speicher vergleichbar große Mengen an Energie zur Verfügung. Warum benutzen wir also nicht immer diesen riesigen Speicher? Die vollständige Verbrennung der Kohlenhydrate und Fette benötigt deutlich mehr Zeit als die anaeroben Wege zur Energiebereitstellung. Das liegt daran, dass die aufgespaltenen Kohlenhydrate und Fette zur vollständigen Verbrennung den sogenannten Zitronensäurezyklus und die Atmungskette durchlaufen müssen.

Fette benötigen aufgrund ihrer Molekülstruktur deutlich mehr Zeit zur Aufspaltung und Einschleusung in die Stoffwechselzyklen. Deshalb dauert die aerobe Fettverbrennung länger als die aerobe Kohlenhydratverbrennung – ergo ist der Fettstoffwechsel langsamer als der Kohlenhydratstoffwechsel. Die Vorräte an Glykogen sind jedoch begrenzt, während selbst sehr schlanke Menschen praktisch unerschöpfliche Fettreserven zur Verfügung haben.

Belastungen, die einen vergleichbar eher geringen Energiefluss pro Zeit benötigen, können dank der sehr hohen Fettreserven über einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden. Wird die Belastung erhöht, also pro Zeiteinheit mehr Energie benötigt, kann der Energiebedarf nur noch zu geringeren Anteilen durch die langsamere Fettverbrennung gedeckt werden. Es müssen verstärkt Glukosemoleküle zur Energiebereitstellung herangezogen werden, sodass es auf Dauer zu einer Leerung der Glykogenspeicher kommt. Folge: Reduktion des Energieflusses; hohe Belastungsintensitäten können nicht mehr aufrechterhalten werden. 

Da aus den geleerten Speichern nicht mehr in gleicher Menge Glukose ins Blut abgegeben werden kann, wie die Muskelzelle zur Energiebereitstellung eigentlich benötigt, führt eine solche Belastung auch zu einem Absinken des Blutzuckerspiegels. Wird der Blutzuckerspiegel nicht zeitnah über Nahrungszufuhr wieder angehoben, kann es neben einem Leistungseinbruch auch zu typischen Unterzuckerungssymptomen wie Heißhunger, Schwindel und/oder Kaltschweißigkeit kommen.

Bekannt ist dieses Phänomen des „Hungerasts“ besonders bei Radsportlern.

Der aerobe Kohlenhydratspeicher ist aufgrund der schnelleren Verfügbarkeit also vor allem bei mittelintensiven Belastungen mit begrenzter Dauer bedeutsam. Die aerobe Fettsäure-Oxidation spielt hingegen bei langen Belastungen mit geringen Intensitäten eine entscheidende Rolle. 

Fazit

Egal welche Form der Belastung: die benötigte Energie wird immer über alle drei Re-Synthese-Wege generiert – je nach Art, Dauer und Intensität der Belastung sowie Leistungsfähigkeit des Stoffwechsels (Trainingszustand) aber mit unterschiedlichen Anteilen. Rein aerobe oder rein anaerobe Belastungen existieren daher nicht. Für die sogenannte aerobe Ausdauerleistungsfähigkeit ist dabei eine effektive Nutzung des Fettstoffwechsels entscheidend.

Menschen mit einer guten aeroben Ausdauerleistungsfähigkeit können auch bei höheren Belastungsintensitäten einen großen Teil der benötigten Energie über die Verbrennung von Fetten bereitstellen. Einem vorzeitigen Belastungsabbruch aufgrund entleerter Kohlenhydratspeicher oder des körpereigenen Schutzmechanismus gegen eine Laktatazidose wird damit vorgebeugt. Das bedeutet, dass gegebene Belastungen (z. B. Laufgeschwindigkeiten) deutlich länger gehalten bzw. kürzere Belastungen mit höherer Intensität (z. B. kurze Strecken) schneller bewältigt werden. Da sich zudem bei häufiger Beanspruchung oder sogar völliger Entleerung der Glykogenspeicher die Erholungszeit nach Belastungsende (Regeneration) deutlich verlängert, ist eine aerobe Ausdauerleistungsfähigkeit auch gleichbedeutend mit einer schnelleren Regeneration. 

Exkurs Fettstoffwechseltraining

Ausdauertraining ist die einzige Möglichkeit, die Nutzung des Energiestoffwechsels gezielt zu verändern. Wie immer kommt es auf die individuellen Trainingsziele an: Beispielsweise ist die individuelle Übersäuerungs- oder Laktattoleranz bis zu einem gewissen Grad trainierbar. Durch hochintensives Laktattoleranztraining wird die Anzahl der körpereigenen Puffersysteme gesteigert und die Zeit bis zur „Übersäuerung“ und dem dadurch bedingten Belastungsabbruch bei hohen Intensitäten verlängert.

Diese Art des Trainings findet sich besonders im Leistungssport wieder. Im gesundheitsorientierten Training wird das „Fettstoffwechseltraining“ bevorzugt eingesetzt. Hierbei handelt es sich um ein niedrig intensives Ausdauertraining, das sowohl die Durchflussrate als auch die Geschwindigkeit des aeroben Fettstoffwechsels (erhöhte Mitochondriendichte, verbesserte Enzymaktivität) erhöht. Dadurch wird die Effizienz der aeroben Fettverbrennung gesteigert und die begrenzten Kohlenhydrate geschont. 

Bei den sogenannten „Fatburner“-Kursen in einigen Gyms handelt es sich eher um ein Pseudo-Stoffwechseltraining mit intensiven, nicht mehr ausschließlich aeroben Belastungen. Ziel dieser Kurse ist eine Reduktion des Körperfettanteils durch eine Erhöhung des Energieverbrauchs durch intensives, auch leicht anaerobes Ausdauertraining und gezielten Muskelaufbau, sowie eine verzögerte Energiezufuhr nach dem Training (Ausnutzen des „Nachbrenneffekts“). 

Echtes „HIIT“ (High Intensity Interval Training) Training bringt nur dann gewünschte Anpassungen (auf die Fettverbrennung), wenn die Reize intensiv genug sind. Die entscheidende Stellschraube ist dabei der Energiefluss der Kontraktion (= Trainingsintensität). Echtes HIIT wäre zum Beispiel 5 x 30 Sekunden maximale Leistung auf einem Fahrradergometer. Tendenziell ist die Belastung bei den sogenannten HIIT Trainings in Gyms eher im aerob-anaeroben Übergangsbereich anzusiedeln.