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PHYSIOLOGIE Physio 1 WS (2st.) Physio 2 SS (1st.).

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Präsentation zum Thema: "PHYSIOLOGIE Physio 1 WS (2st.) Physio 2 SS (1st.)."—  Präsentation transkript:

1 PHYSIOLOGIE Physio 1 WS (2st.) Physio 2 SS (1st.)

2 Inhalte VO Physiologie 1 Grundlagen der Physiologie der Muskelkontraktion Grundlagen der elektrischen Erregung (RP, AP) Erregungsübertragung von Zelle zu Zelle Molekulare Mechanismen der Kontraktion Mechanismen der Kraftregulation, Physiologe des Kraftrainings Grundlagen der Endokrinologie Aufbau und Funktion der Hormone Sport und hormonelle Steuerung

3 Inhalte VO Physiologie 1 Energiebereitstellung Aerober/Anaerober Stoffwechsel Fettstoffwechsel Body Composition Übergewicht/Adipositas Sport und Körperfettabbau Regulationsaspekte des Körpergewichts (Anorexia Athletica)

4 Empfehlenswerte Literatur Levick, JR. Physiologie des Herz-Kreislauf-Systems Schmidt, Thews: Physiologie des Menschen Thews, Mutschler, Vaupel: Anatomie, Physiologie, Pathophysiologie des Menschen De Marées, Horst: Sportphysiologie Kandel, ER., Schwartz, JH., Jessell, TM.(eds) Neurowissenschaften. Bray, GA., Bouchard C., James, WPT.: Handbook of Obesity Roche, Heymsfield, Lohman: Human Body Composition Davies, Cole: Body Composition Techniques in Health and Disease Logue, AW. Die Psychologie des Essens und Trinkens American Journal of Physiology [h American Journal of Physiology [http://ajpcon.physiology.org/] American Journal of Clinical Nutrition [ American Journal of Clinical Nutrition [http://www.ajcn.org/] Society for Endocrinology-Electronic Journals [http://journals.endocrinology.org/index.htm] Medicine and Science in Sports and Exercise [http://www.ms-se.com/]

5 Prüfungsmodalitäten Schriftlich (mündlich nur in besonderen Fällen nach Vereinbarung) 1.Termin am Ende des Semesters 2.Termin 4-6 Wochen später 3.Termin Mitte des folgenden Semesters !!! (hoffentlich) POSITIVE NOTE !!!

6 Physiologie des Erregungsaufbaus und - überleitung Nervenzellen und Muskelzellen besitzen ein negatives Ruhemembranpotential (~ - 55 bis -100mV) Ruhepotential: weitgehend ein K + Diffusionspotential Extrazellulärraum Intrazellulärraum Ionen Na + K+K+K+K+

7 Physiologie des Erregungsaufbaus und - überleitung Stoffaustausch der Zelle die verschiedenen Räume der Zelle (und die Zelle) stehen mit ihrer Umgebung in ständigem Stoffaustausch DIFFUSION Der einfachste Stoffaustausch ist die DIFFUSION (Ausgleich von Konzentrationsunterschieden) Verschiedene Stoffe (u.a. H 2 O, gelöste Gase, lipidlösliche Stoffe, Ethanol, Harnstoff) können frei durch die Zellmembran diffundieren - für geladene Moleküle (Ionen) ist die Membran de facto impermeabel ; Ionen passieren die Membran durch Kanäle in Proteinmolekülen

8 Physiologie des Erregungsaufbaus und - überleitung Poren bzw. Kanäle gebildet von in den Membranen eingelagerten Transportproteinen; derartige Membranproteine werden durch einen kleinen Kanal durchzogen - die diffundierenden Substanzen bewegen sich durch den Kanal entsprechend der Konzentrationsgradienten und unter dem Einfluss des Membranpotentials Membrankanäle sind relativ selektiv hinsichtlich der durchfließenden Moleküle zB. Kalium-, Natrium-, Kalziumkanäle

9 Physiologie des Erregungsaufbaus und - überleitung Aktiver Transport aufgrund der Diffusion würden sich die IZ-[Na + ] und [K + ] den EZ- Konzentrationen angleichen; Membranproteine transportieren Ionen über die Membran dem Konzentrations- bzw. elektr. Gradienten entgegen, wobei Stoffwechselenergie verbraucht wird Der wichtigste aktive Transportprozeß ist die Na-K-Pumpe, die Na + aus der Zelle, und K + in die Zelle bringt damit wird die niedrige IZ-[Na + ] und hohe [K + ] sichergestellt ~ 1/3 des Energieverbrauchs der Zelle wird für die Na-K-Pumpe verbraucht (bis 70%)

10 Physiologie des Erregungsaufbaus und - überleitung Na-K-Pumpe ist eine ATPase, spaltet an der Innenseite der Membran ATP in ADP und Phosphat auf - dabei werden 3 Na + aus der Zelle und gleichzeitig 2 K + in die Zelle gepumpt Na-K-Pumpe ist elektrogen (sie treibt einen elektrischen Strom über die Membran aus der Zelle) Die Na-K-Pumpe ist a.)stark temperatur- und energieabhängig b.) und die Pumprate erreicht einen Sättigungswert Ca-Pumpe [diese pumpt Ca 2+ Ionen aus der Zelle und ist somit an der niedrigen IZ [Ca 2+ ] beteiligt]

11 Entstehung und Fortleitung von Aktionspotentialen Funktion von Nervenzellen: Informationsaufnahme, Informationsweiterleitung, und Informationsintegration damit werden die Funktionen anderer Zellen gesteuert Soma, Perikaryon Kern Axon Dendriten Axonhügel

12 Entstehung und Fortleitung von Aktionspotentialen Soma: Stoffwechselzentrum Dendrit: verzweigen sich, und dienen der Informations (Signal) aufnahme von anderen Zellen Axon: röhrenförmiger Fortsatz, wichtigste Leitungseinheit des Neurons (leitet Signale bis zu 2m) Aktionspotentiale (schnelle, kurzlebige Alles- od-Nichts Nervenimpulse; Amplitude ~ 100mV, Dauer ~ 1ms, v ~ 1-100m/s) Jene Signale, die über das Axon geleitet werden sind Aktionspotentiale (schnelle, kurzlebige Alles- od-Nichts Nervenimpulse; Amplitude ~ 100mV, Dauer ~ 1ms, v ~ 1-100m/s) die am Axonhügel entstehen

13 Entstehung und Fortleitung von Aktionspotentialen Um die rasche Fortleitung der AP-Signale zu gewährleisten, besitzen die großen Axone eine lipidhaltige Isolierung (Myelin). Eine derartige Myelinscheide ist von nichtisolierten Stellen unterbrochen (Ranvier- Schnürringen) - an diesen Stellen wird das AP regeneriert Das AP entsteht aus einem verstärkten Fluß von Ionen durch die Membran

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15 K+K+ Na + K+K+ IZF EZF Diffusionspotential + - K+K+K+K+ [K +,Na +,..] EZF ~ [K +, Na +,...] IZF

16 Gleichgewichtskonz. Gleichgewichtspot. Gleichgewichtspot. Ruhemembranpotential Ruhemembranpotential ~ mV (je nach Zelltyp) EZF IZF Ungleiche Ionen- verteilung

17 K+K+ Na + K+K+ IZF EZF [K + ] Aktiver Transport [Na + ]

18 K+ K+ K+ K+ Na + K+K+K+K+ IZF EZF Reiz AP (-) Ruhemembranpot (-) Ruhemembranpot. 0 mV Depolarisation (Schwellenpot.) Depolarisationsphase des AP; + mV Overshoot

19 + /- 0 Ruhepot Ruhepot. Schwelle Depolarisation Repolarisation Zeit Potential Abs. Refraktärperiode Rel. Refraktärperiode

20 Entstehung und Fortleitung von Aktionspotentialen 1.Eine Depolarisation der Membran verursacht ein plötzliches Öffnen der Na + Kanäle (Ansteigen der Na-Leitfähigkeit) und führt zu einem Na + Einwärtsstrom. Fazit 2.Dieser Strom bewirkt eine stärkere Depolarisation und öffnet noch mehr Na + Kanäle Verstärkung des Na + Einwärtsstrom; durch diese positive Rückkoppelung entsteht ein AP

21 Entstehung und Fortleitung von Aktionspotentialen 3. Die dadurch hervorgerufene Depolarisation begrenzt die Dauer des AP: a.) nach und nach werden die Na + Kanäle inaktiviert (damit sinkt die Na- Leitfähigkeit) b.) die K + Kanäle werden geöffnet (dadurch steigt die K-Leitfähigkeit) dem Na + Einstrom folgt ein K + Ausstrom, der die Membran wieder repolarisiert 4.Dem AP folgt eine Phase der verringerten Erregbarkeit (Abs. RZ: Zelle kann nicht erregt werden; Rel. RZ: AP kann erneut ausgelöst werden, wenn die Reize stärker sind als normal notwendig)

22 Entstehung und Fortleitung von Aktionspotentialen 5. Das AP zeigt ein charakteristisches Alles- oder-Nichts-Verhalten [unterschwellige Reize lösen kein AP aus] Schwellenwert: jener Punkt, an dem sich der ionengetragene Nettostrom (der sich aus dem einwärtsgerichteten Na-Einstrom, und den beiden auswärtsgerichteten Strömen, dem K- Strom + dem sog. Leckstrom zusammensetzt) gerade von einem auswärtsgerichteten zu einem einwärts gerichteten umkehrt

23 Signalübertragung zwischen den Zellen Synapse Der Ort der Übertragung zwischen kommunizierenden Zellen wird als Synapse bezeichnet Synapse: besteht aus 3 Elementen; präsynaptischen Endigung postsynaptischen Zelle Kontaktzone (je nach Organisation der Kontaktzone werden Synapsen in elektrische und chemische Synapsen unterteilt) präsynaptische Endigung postsynaptische Zelle Kontaktzone; synaptischer Spalt

24 Elektrische Synapsen: ermöglichen eine verzögerungsfreie Signalübertragung, treten gewöhnlich zwischen einer großen präsynaptischen Nervenfaser und einem kleinen postsynaptischen Neuron auf, haben einen schmalen synaptischen Spalt, der Strom der durch ein AP im präsynaptischen Neuron erzeugt wird, fließt durch Verbindungskanäle [Gap Junctions] direkt in die postsynaptische Zelle; elektrische Synapsen leiten in beide Richtungen (bidirektional) Signalübertragung zwischen den Zellen

25 Chemische Synapsen: haben einen breiten synaptischen Spalt, eine Änderung des Membranpotentials der präsynaptischen Zelle führt zu einer Freisetzung von chemischen Botenstoffen ((Neuro-)Transmitter) aus der präsynaptischen Endigung. Der chemische Transmitter diffundiert durch den synaptischen Spalt, bindet an Rezeptormoleküle der postsynaptischen Zelle und öffnet dadurch Ionenkanäle, durch die Strom fließt (synaptische Verzögerung) Diese Form der chemischen Übertragung kann Signale verstärken

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27 Signalübertragung zwischen den Zellen 2 große Gruppen von Transmitterrezeptoren 1.Rezeptor ist Teil des Ionenkanals (kontrolliert den Kanal direkt) 2.wirkt indirekt auf den Ionenkanal, und aktiviert second messenger und andere molekulare Reaktionen innerhalb der postsynaptischen Zelle Beide Rezeptorgruppen können eine Erregung (exzitatorisch) oder Hemmung (inhibitorisch) vermitteln; dies hängt von der Struktur des Rezeptors ab, nicht vom Transmitter

28 Signalübertragung zwischen den Zellen Wesentliche Merkmale von Transmitter-Rezeptoren 1. Membrandurchspannende Proteine, wobei die Region, die dem Außenmedium der Zelle zugekehrt ist, den aus der präsynaptischen Zelle freigesetzten Transmitter erkennt 2.Sie fungieren innerhalb der Zelle als Effektoren, indem sie das Öffnen und Schließen der Ionenkanäle steuern

29 Signalübertragung zwischen den Zellen Neuromuskuläre Synapse Synapse zwischen Motoneuron und Skelettmuskelfaser Funktioneller Aufbau: Normalerweise wird eine einzelne Skelettmuskelfaser nur von einem einzigen motorischen Axon innerviert. Der von den Endigungen freigesetzte Neurotransmitter ist Acetylcholin (ACh), der Rezeptor auf der Muskelseite ist der nikotinische ACh-Rezeptor [ 2 Typen: nicotinische, muscarinische ]

30 Neuromuskuläre Synapse Funktioneller Aufbau: Das Axon des Motoneurons innerviert die motorische Endplatte [= spezialisierte Region der Muskelmembran] In der Nähe der Endplatte verliert das Axon seine Myelinscheide und zweigt sich in mehrere dünne Äste auf ( deren Endigungen sind die synapt. Endknöpfchen ); aus den Endigungen wird der Transmitter freigesetzt Das exzitatorische postsynaptische Potential (hervorgerufen von einem einwärtsgerichteten Strom) im Muskel wird als Endplattenpotential bezeichnet [hohe Amplitude!]

31 Neuromuskuläre Synapse Funktioneller Aufbau: Die Anzahl der ACh-aktivierten Kanäle hängt von der ausgeschütteten ACh-Menge ab (durch Depolarisation der postsynaptischen Zelle aktivieren die transmittergesteuerten Kanäle spannungsgesteuerte Na + Kanäle in der Endplattenregion) Mit zunehmender Depolarisation der postsynaptischen Zelle werden immer mehr Na + Kanäle aktiviert – der resultierende Na + Einstrom führt dann zur Auslösung eines APs

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33 kontraktile Proteine….. 1g Skelettmuskel enthält ~ 100mg kontraktile Proteine [70% MYOSIN, 30% AKTIN ] Myosin: ATP-spaltendes Enzym (ATPase) ( MG ~ D ), besteht aus 2 umeinander verdrillten schweren Peptidketten ( heavy chains ) und 4 leichten Peptidketten ( light chains ) Die beiden schweren Ketten bilden am einen Ende 2 globuläre Köpfchen (Subfragment-1) Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion

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35 Myosin: Jedes Köpfchen besitzt eine Bindungsstelle für Aktin, für ATP und für jeweils 2 leichte Ketten Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Aktin: Globuläres Protein ( MG ~ D ) wobei die Aktinmonomere (G-Aktin) zu fibrillären Aktinfäden (F- Aktin) polymerisieren MYOFIBRILLEN Aktin und Myosin bilden die dicken und dünnen Filamente der Myofibrillen ( innerhalb der Muskelzelle achsenparallel angeordnete kontraktile Organelle ) Myofibrillen sind kontraktile Schläuche (~1µm dick )

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37 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion MYOFIBRILLEN Myofibrillen sind durch Trennwände (Z- Scheiben) in zahlreiche Fächer (~ 2.5µm lang) unterteilt ( Sarkomere ) SARKOMERE erscheinen im Lichtmikroskop (LM) als hell/dunkel gefärbte Bänderung (quergestreifte Muskulatur); diese entsteht aufgrund einer regel- mäßigen Anordnung der Aktin- und Myosinfilamente. Die Bündel der regelmäßigen ausgerichteten Myosinfilamente (~ 1.6µm lang) erscheinen im LM als dunkle, im polarisierten Licht doppelbrechende (anisotrope) A-Banden

38 Schematischer Ausschnitt aus einer Skelettmuskelfaser

39 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Verkürzung der Sarkomere Ein Muskel verkürzt sich durch Übereinandergleiten der Aktin- und Myosinfilamente (Gleitfilamentheorie) Die Verkürzung des Muskels resultiert aus der Verkürzung vieler Sarkomere, die in den Myofibrillen in Serie hintereinandergeschaltet sind. Bei der Verkürzung gleiten die dünnen Aktinfilamente über die dicken Myosinfilamente und schieben sich in Richtung zur Sarkomermitte; bei der Verkürzung werden die Filamente in ihrer Länge NICHT verändert

40 A.2 hintereinander geschaltete Sarkomere unter Ruhebedingung (erschlaffter Form) B.In verkürzter (kontrahierter) Form

41 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Funktionsweise der Querbrücken Die Querfortsätze eines Myosinfilaments werden aus den Köpfen von ~ 150 Myosinmolekülen gebildet. Ein jeder Myosinkopf (oder Querfortsatz) kann als Querbrücke ein Myosinfilament mit einem benachbarten Aktinfilament verbinden. Durch eine Kippbewegung der Köpfe werden die Aktinfilamente in Richtung Sarkomermitte gezogen. Aufgrund eines Tauziehprinzips werden in unzähligen in Serie geschalteten Sarkomere die molekularen Bewegungen der Querbrücken in makroskopische Bewegungen umgesetzt

42 Modellvorstellung zur Entstehung der Bewegung; A: Myosinfilament mit Querbrücken an benach- barten Aktinfilamenten vor dem Brückenschlag B: Nach dem Ruderschlag der Brücken Modell für Kraftentstehung in einer Querbrücke vor bzw. nach dem Ruderschlag einer Brücke A B

43 Molekulare Mechanismen der MuskelkontraktionMuskelerschlaffung Die Myosinköpfchen lösen sich vom Aktinfaden _ > Aktin- u. Myosinfilamente sind dann leicht gegeneinander verschiebbar Als Energiequelle für die Rudertätigkeit der Myosinköpfe wird ATP verwendet; dieses wird durch im Muskel in ADP und Phosphat gespalten (mittels einer Myosin-ATPase) Andere energieliefernde Reaktionen (aerober und anaerober Abbau von KH, Zerfall von KrP) sichern vorwiegend die Neubildung von ATP

44 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Wirkungsweise von ATP Nach jedem Ruderschlag wird ein Molekül ATP an das Myosinköpfchen gebunden und liefert damit die Energie für die Trennung von Aktin und Myosin Unmittelbar danach lösen sich die Myosinköpfchen vom Aktin und ATP _ > Unmittelbar danach lösen sich die Myosinköpfchen vom Aktin und ATP _ > ADP + P (Hydrolyse) Die Enzymprodukte bleiben nach der Spaltung noch gebunden-dies ist die Voraussetzung für das erneute Wiederanfassen der Querbrücke am Aktin und den Querbrückenschlag, bei dem P und dann auch ADP freigesetzt werden.

45 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Wirkungsweise von ATP Beim Ruderschlag verbiegt sich das Myosinköpfchen und das Aktinfilament wird in Richtung Sarkomermitte gerudert (~6nm) Nach der Abspaltung von ADP kehrt die Querbrücke in ihren Ausgangszustand zurück. Wenn erneut ein ATP-Molekül von der Querbrücke gebunden wird, beginnt mit der Ablösung der Brücke und der erneuten ATP-Hydrolyse ein neuer Quer- brückenzyklus

46 ATP getriebener Querbrückenzyklus

47 Molekulare Mechanismen der MuskelkontraktionQuerbrückenzyklus Dieser Zyklus wiederholt sich mal/sec. In jedem Arbeitszyklus einer Querbrücke wird einmal ATP gespalten ( vermutlich ein Molekül ATP/Querbrücke ) Je mehr Querbrücken aktiviert und tätig sind, umso größer ist die ATP-Spaltung pro Zeiteinheit (ATPase Aktivität) und damit die Muskelkraft ATP-Spaltungsrate bzw. Energieumsatzrate und Kraft eines Muskels sind gekoppelt

48 Karl-Franzens: Molekulare Mechanismen der MuskelkontraktionTotenstarre Sinkt der ATP-Spiegel der Muskelzelle auf 0, so können die Querbrücken nicht mehr gelöst werden; die Querbrücken verbleiben dann im angehefteten Zustand bis zur Autolyse. ATP verhindert od. löst die Starre ( Weichmacherwirkung des ATP ): Ist ausreichend ATP vorhanden, aber wird die ATP-Spaltung gehemmt (z.B. bei einem Entzug von Ca 2+ ) so können die Querbrücken nicht neu geschlagen werden: Muskelerschlaffung

49 Karl-Franzens: Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Wirkung von Ca 2+ Die Aktivität der Querbrücken wird von der IZ [Ca 2+ ] reguliert; liegt IZ [Ca2+ ] < mmol/l, so hemmen Regulatorproteine (Troponin, Tropomyosin) den Querbrückenschlag [ feste Anbindung der lose gebundenen Querbrücken an das Aktin wird verhindert (Muskel ist relaxiert und kraftlos )]; erhöht sich IZ [Ca 2+ ] auf 1-10µM, so werden die lose gebundenen Myosinquerbrücken fest an das Aktin angeheftet

50 Karl-Franzens: Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Wirkung von Ca2+ Die Aktinketten sind in regelmäßigen Abständen mit Troponinmolekülen besetzt, während in den Längsrinnen zwischen den Ketten Fäden aus Tropomyosin laufen. Erst die Bindung von Ca 2+ an Troponin ( Konformationsänderung des Troponin/Tropomyosinkomplexes ) begünstigt und beschleunigt die Bildung stark gebundener Querbrücken

51 Funktionsweisen der Querbrücken (Ca 2+ )

52 Karl-Franzens: Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Regulation der Muskelkontraktion Vorgänge bei der Auslösung einer Muskelkontraktion 1.Reizung bzw. Erregung der Muskelfaser 2.Aktionspotential (Membranerregung) 3.Elektromechanische Koppelung (Ca Wichtig) a.Erregungsleitung im T-System (Transversale Kanäle) b.Kalziumfreisetzung im L-System (Longitudinal) c.Kalziumwirkung auf die Myofibrillen bzw. Regulatorproteine 4.Kontraktion der Myofibrillen (Querbrückentätigkeit)

53 Karl-Franzens: Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Ca 2+ als Botenstoff Kalziumionen spielen eine Schlüsselrolle bei der Übermittlung des Kontraktionssignals von der erregten Zellmembran zu den Myofibrillen also für elekt.mech. Koppelung Die IZ [Ca 2+ ] wird durch das sarkoplasmatische Retikulum (SR) eingestellt (speichert im erschlafften Muskel das Kalzium) dessen Membranen eine ATP- getriebene Kalziumpumpe enthalten; Ca 2+ Ionen werden dabei aus dem Myoplasma aktiv in das Innere des longitudinalen Systems transportiert (dadurch wird der myoplasmatische Ca 2+ Spiegel auf 10-7 mol/l gesenkt)

54 Karl-Franzens: Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Elektromechanische Koppelung Das AP breitet sich entlang den Membranen des T-Systems (einstülpung der Zellmembran)in das Innere der Zelle aus, springt auf das L-System über und bewirkt die Freisetzung der Ca 2+ Ionen in die Zellflüssigkeit um die Myofibrillen Muskelrelaxation setzt ein, sobald die aktiverenden Ca 2+ Ionen wieder in das SR zurückgepumpt werden

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56 Karl-Franzens: Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Was passiert bei Einzelzuckung und niederfrequenter Summation? Bei der Summation von Einzelzuckungen (ab ~ 10Hz) nehmen zwar die Spannungsmaxima der Kontraktionszyklen und die Kontraktionsrückstände in den aufeinanderfolgenden Zuckungen zu, aber IZ [Ca 2+ ] fällt nach jeder Zuckung fast auf den Ruhewert ab

57 Karl-Franzens: Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Was passiert bei Einzelzuckung u. niederfrequenter Summation? Wird die Reizfolge schneller (>20Hz) bleibt der Ca 2+ Spiegel zwischen den Reizen erhöht (Kalziumpumpe kann die Ionen nicht vollständig in das L-System des SR zurückpumpen); dann verschmelzen die Einzel- zuckungen (fast) vollständig zum Tetanus (Dauerkontraktion)

58 Molekulare Mechanismen der MuskelkontraktionTetanusverschmelzungsfrequenz Einzelzuckungen verschmelzen zum vollständigen Tetanus wenn das Reizintervall kleiner als ~1/3 der für die Einzelzuckung benötigten Zeit ist; die Tetanusverschmelzungsfrequenz (TVF) ist umso niedriger, je länger die Einzelzuckung dauert, und sie ist temperatur abhängig. Wird die Stimulationsrate über die TVF hinaus erhöht, nimmt die [Ca 2+ ] zu und damit auch die Muskelkraft

59 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Bei einem zur Ermüdung führenden Tetanus nimmt die [Ca 2+ ] und die Muskelkraft wieder ab, der minimale zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden effektiven Reizen im Tetanus kann nicht kleiner sein, als die Refraktärzeit (~ Dauer eines AP) - wird eine Kontraktion ohne APs ausgelöst (z.B. Koffein): Kontraktur

60 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Regulation der Muskelkraft Motorische Einheit (ME) Wird gebildet aus einem Motoneuron und dem von ihm innervierten Muskelfasern. MEs sind unterschiedlich groß; dort wo die Feinmotorik wichtig ist (z.B. Augenmuskulatur, Finger-u.Handmuskulatur) versorgt ein Motoneuron nur wenige MF; dort, wo die Feinmotorik keine wichtige Rolle spielt aber unter Umständen große Kraftleistungen vollbracht werden, innerviert ein MN sehr viele MF: Innervationsverhältnis

61 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Regulation der Muskelkraft Motorische Einheit (ME) Die Kraft varriert bei einer Einzelzuckung nur gering (infolge des Alles oder Nichts Prinzips ) weil in der Einheit entweder alle Fasern entweder gereizt od. erschlafft sind- Wie kann nun die Kraft beeinflußt werden? Rekrutierung MEs Steigerung der Entladungsfrequenz der -Motoneuronen

62 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Regulation der Muskelkraft Die Muskelkraft u. die Kontraktionsgeschwindigkeit können durch die Aktivierung ( Rekrutierung ) von immer mehr MEs gesteigert werden - die Feinregulierung der Kraft ist dabei umso besser abstufbar, je geringer die Größe (und damit die Kraft) einer ME ist. Bei geringer Willküranspannung produzieren nur sehr wenige MEs AP, bei starker Anstrengung feuern sehr viele MEs Rekrutierung MEs

63 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Regulation der Muskelkraft Die Änderung der Stimulierungsfrequenz beeinflußt die Kraft; aufgrund der Überlagerung u. des Summationseffekts ist die Kraft im vollständigen Tetanus (bei einer hohen Impulsrate der -MN) mindestens doppelt so groß wie in einem unvollständig verschmolzenen Tetanus mit niedriger SF. Durch Steigerung der Impulsrate der MN entwickelt sich ein verschmolzener, glatter Tetanus wodurch sich die Kontraktionskraft auf den 2- bis 10-fachen Wert erhöht Steigerung der Entladungsfrequenz der -MN

64 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Regulation der Muskelkraft In Folge der Anpassung an spezifisches Krafttraining (v.a. Maximalkrafttraining und Schnellkraftraining) werden im Zuge einer Kraftanstrengung bzw. Belastung verschieden große ME gleichzeitig aktiviert – damit wird in kurzer Zeit viel Kraft entwickelt (hängt aber wiederum von der Impulsfrequenz ab) Intramuskuläre Koordinationsverbesserung Intramuskuläre Koordinationsverbesserung Sonderfall Synchronisation

65 EMG Elektromyogram Elektromyography APsinfolge De- und Repolarisationsvorgänge

66 v Dipol Muskelfaseroberfläche

67 Muskelfaseroberfläche Elektrode D d d P

68 Signalaufnahme Oberflächen-Dünndrahtelektroden

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74 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Regulation der Muskelkraft Die Farbe eines Muskels ist weitgehend durch den Gehalt an Myoglobin ( Protein, dass der O 2 Aufnahme und Bindung in der Muskelzelle dient ) Muskelfasertypen Muskelfasertypen Generell lassen sich 2 Typen von MF unterscheiden: Weiße MF (myoglobinarm) Weiße MF (myoglobinarm) Rote MF (myoglobinreich) Rote MF (myoglobinreich) Die Fasern dieser Muskeln sind strukturell, funktionell und biochemisch unterschiedlich (v.a. der Gehalt an Enzymen des oxidativen bzw glykolitischen Stoffwechsels, und die Aktivität der Myosin-ATPase)

75 Karl-Franzens: Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Regulation der Muskelkraft Rote Muskulatur findet sich vorwiegend in der Rumpf/Stützmuskulatur (Typ-1 Muskulatur, langsame MF, niedrige Myosin-ATPase-Aktivität) Vorteil: ermüdungsresistent Nachteil: keine sehr hohe und schnelle Kraftentwicklung Farberot Kontraktionsformlangsame Zuckung Ermüdbarkeitgering Stoffwechseloxidativ (aerob) Myosin-ATPaseniedrig LDH-Aktivtätniedrig

76 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Regulation der Muskelkraft Weiße Muskulatur findet sich dort, wo ballistische Bewegungen vermittelt werden (z.B. Körperfern) (Typ- 2a u. Typ 2b MF, schnelle u. kraftvolle MF, hohe Myosin-ATPase-Aktivität) Vorteil: hohe und schnelle Kraftbildungsrate Nachteil: rasche Ermüdung IIaIIb Farberosaweiß Kontraktionsformschnellschnellste Ermüdbarkeitmittelrasch Stoffwechseloxid/glykol.glykolytisch Myosin-ATPasehochhoch LDH-Aktivtätmittelhoch

77 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Regulation der Muskelkraft Bedeutung V.a. in Sportarten mit hohen Kraft- u. Schnelligkeitsanteilen ist die Dominanz der IIb MF wichtig - umgekehrt werden Sportarten, die durch einen hohen Anteil aerober Energiebereitstellung gekennzeichnet sind, eher von der Dominanz des Typ I profitieren MF-Verteilung ist in hohem Maße genetisch determiniert und kann durch ein entsprechendes Training kaum nur wenig verändert werden

78 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Regulation der Muskelkraft Umwandlungsmöglichkeiten sind nur mittels der Kreuzinnervation möglich (eine langsame MF bzw. ein langsamer Muskel wird von einem großen, schnellen MN mit entsprechend hoher Frequenz innerviert – dabei lassen sich morphologische Veränderungen in Richtung schneller MF erzielen-bei Wegfall der hohen Impulsrate erfolgt aber wieder die Reanpassung) Aber: es ist leichter, eine schnelle MF in eine langsame zu transformieren ……..

79 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Regulation der Muskelkraft Kontraktionsformen der Muskulatur Isometrische Kontraktion ( gleichbleibende Länge ) Isometrische Kontraktion ( gleichbleibende Länge ) Konzentrische Kontraktion ( Verkürzung ) Konzentrische Kontraktion ( Verkürzung ) Exzentrische Kontraktion ( Dehnung im Zuge einer Anspannung ) Exzentrische Kontraktion ( Dehnung im Zuge einer Anspannung ) (isotonische-, auxotonische Kontraktion) (isotonische-, auxotonische Kontraktion) gleichbleibende Spannung bzw ~ gleichbleibende Spannung unter Verkürzung Muskelmechanik Muskelmechanik

80 Molekulare Mechanismen der MuskelkontraktionRuhedehnungskurve Die Muskelkraft hängt von der aktuellen Länge des Muskels ab, der ruhende Muskel verhält sich elastisch jedoch nimmt bei der Dehnung die Spannung nicht linear zu ( im Ggs. zu einer Feder ) – das Elastizitätsmodul des ruhenden Muskels nimmt somit mit der Dehnung zu Muskelmechanik Muskelmechanik Die Elastizität kommt hptsl. durch dehnbare Strukturen zustande, die zu den kontraktilen Elementen parallel geschaltet sind ( parallelgeschaltete Elemente; Sarkolemm, bindegewebige Strukturen zwischen den Fasern und Titin )

81 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Isometrische Maxima Die Vordehnung bestimmt nicht nur die Größe der passiv elastischen Anspannung sondern auch das Ausmaß der Kraft, welches der Muskel bei der jeweiligen Länge entwickeln kann, wenn er aktiviert ist Muskelmechanik Muskelmechanik

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84 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Sarkomerlängen-Kraft Beziehung Man findet ein charakteristisches Optimum bei einer Sarkomerlänge von 2-2.2µm (entspricht ~ der Muskelruhelänge) Muskelmechanik Muskelmechanik Bei kleineren Muskellängen ist die Kraft geringer, weil sich die Aktin u. Myosinfilamente gegenseitig behindern u. weil die elektromechan. Koppelung beeinträchtigt ist ( die meisten Muskeln können sich nur auf ~ 50-70% ihrer Ruhelänge verkürzen )

85 Sarkomerlängen-Kraft Beziehung

86 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Sarkomerlängen-Kraft Beziehung Muskelmechanik Muskelmechanik Werden MF über ihre Ruhelänge hinaus gedehnt, so fällt die Kontraktionskraft ab, weil die Aktinfilamente aus der Anordnung der Myosinfilamente herausrutschen [ eine immer geringer werdende Zahl an Myosinköpfchen bildet mit Aktin eine immer geringer werdende Zahl an Querbrücken ] Ebenso ist der durch die Elastizität der Querbrücken bedingte dynamische Dehnungswiderstand (Stiffness) reduziert – wenn die Sarkomere über ~ 3.6µm hinaus gedehnt werden, können die Myofibrillen keine aktive Kraft mehr entwickeln

87 Molekulare Mechanismen der MuskelkontraktionVerkürzungsgeschwindigkeit Bei einer tetanischen Aktivierung eines Muskels hängt die Geschwindigkeit einer isoton. Kontraktion (v k ) von der Belastung ab – vk nimmt mit steigender Belastung ab (Hillsche Kraft- Geschwindigkeitsrelation ) Muskelmechanik Muskelmechanik Unbelastet verkürzt sich ein Muskel mit seiner maximalen v k wobei die max. v k eines Sarkomers der max. v des Übereinandergeleitens der Aktin- u. Myosinfilamente entspricht ( je schneller die Myosinquerbrücken ATP spalten, und mit Aktin wechselwirken, desto höher ist die v des Gleitprozesses )

88 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Bei gleicher v k einzelner Sarkomere kontrahieren lange Muskeln schneller, als kurze (die Verkürzungen der hintereinander geschalteten Sarkomere addieren sich) Muskelmechanik MuskelmechanikLast-Geschwindigkeitsbeziehung Die v k nimmt mit zunehmender Last hyperbolisch ab – die v k beträgt etwa 20% der max. möglichen v k (bei lastfreier Verkürzung), wenn die relative Muskelbelastung ~ 50% der max. möglichen unter isometrischen Bedingungen erreichten Kraft beträgt

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90 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Muskelmechanik MuskelmechanikLast-Geschwindigkeitsbeziehung Ist die Belastung gleich groß wie die isometrisch mögliche Kraft, so verkürzt sich der Muskel nicht; steigt die Belastung über diesen Wert, so wird er gedehnt ( exzentrische Belastung hohe Spannungsspitzen, die zu Läsionen im Bereich der z-Scheiben führen können: Muskelkater) Aber: im Zuge eines exzentrisch-orientierten Krafttrg. kommt es zu hohen Kraftzuwachsraten innerhalb kurzer Trgs.perioden (Vermutung: dem ZNS fehlen Bewegungsprogramme für die Exzentrik)

91 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Muskelmechanik MuskelmechanikKraft-Geschwindigkeitsbeziehung Während einer schnellen Verkürzung entwickelt ein Muskel weniger kontraktile Kräfte als bei langsamer Verkürzung od. Dehnung Ausführung von sehr schnelle, leichten Bewegungen nur bei geringer Kraftaufwendung ( bei entspannter Muskulatur ) Ausführung von sehr schnelle, leichten Bewegungen nur bei geringer Kraftaufwendung ( bei entspannter Muskulatur ) Die größte Muskelkraft wird bei langsamen Bewegungen erreicht ( schwere Gegenstände können nur langsam gehoben werden ) Die größte Muskelkraft wird bei langsamen Bewegungen erreicht ( schwere Gegenstände können nur langsam gehoben werden )

92 Molekulare Mechanismen der Muskelkontraktion Muskelmechanik MuskelmechanikKraft-Geschwindigkeitsbeziehung Wenn ein Muskel mit allen zur Verfügung stehenden Fasern eine Last bewältigt, so ist die relative Belastung der einzelnen tätigen MF kleiner und daher deren v k größer als wenn nur ein Teil der MF tätig ist Die Kontraktionsgeschwindigkeit (und Muskel- leistung) kann durch Rekrutierung von MEs erhöht werden (und vice versa) Muskelleistung Produkt aus Muskelkraft und Verkürzungs- geschwindigkeit

93 Anpassungserscheinungen im Krafttraining 1. Die vorrangigen Mechanismen in einer Verbesserung der muskulären Kraft sind neuronal bedingtintramuskulär/intermuskulär 2.Infolge eines längerfristigen KT ist in zunehmendem Maße eine Muskelhypertrophie die Grundlage für den Kraftzuwachs Exkurs-Krafttraining 3.[ Zumindest experimentell lässt sich eine Muskelhyperplasie nachweisen – ob diese auch als Folge eines KT beim Menschen auftritt, ist nicht eindeutig geklärt ]

94 Anpassungserscheinungen im Krafttraining Die neuronalen Anpassungen hängen ab von: a. Intensität der Belastung (ab ~ 90% der individuellen Maximalkraft) b.Ausführung der Bewegung (Bewgs- geschwindigkeit) c.Anzahl der Wh innerhalb einer Serie und Anzahl der Serien insgesamt d.Belastungspause Exkurs-Krafttraining

95 Anpassungserscheinungen im Krafttraining Eine Muskelhypertrophie hängt ab von: a. Intensität der Belastung ( ~ 60% - 85% der individuellen Maximalkraft; also Krafteinsatz gegen submaximale Lasten ) b. Anzahl der Wh innerhalb einer Serie ( Wh > 5 u. 5 u. < 15 Wh ) und Anzahl der Serien insgesamt c. Belastungspause d. Sicherstellung einer Ausbelastung der trainierten Muskulatur innerhalb einer Serie (Einwirkzeit) Exkurs-Krafttraining

96 Allgemeine Auswirkungen eines Krafttrainings 1.Verbesserung der Stoffwechselsituation (v.a. Steigerung der Glukose- u. Insulinsensitivität durch Änderung der Rezeptorenschwelle, Zunahme der Anzahl von Rezeptoren bzw Beeinflußung der intrazellulären Signalkaskade) und der Sensitivität gegenüber anderen endokrinen Faktoren (Wachstumsfaktoren, wie IGFs, Bindungsproteine, etc.) Exkurs-Krafttraining

97 Allgemeine Auswirkungen eines Krafttrainings 3.KT im Alter wirkt dem Muskelabbau (Sarkopenie) entgegen und wirkt auch im Sinne einer Osteoporoseprophylaxe (verbesserter Knochenstoffwechsel) Exkurs-Krafttraining 4.KT führt zu einer Verbesserung v.a. der Stützfunktion entsprechender Muskelgruppen und kann damit Haltungsproblemen bzw Bewegungsmangelkrankheiten vorbeugen 2.Zunahme der Muskelmasse (LBM, lean body mass) führt zu einer Erhöhung des Grundumsatzes (Adipositasvorbeugung)

98 Nach M.J. Rennie: J. of Physiology 2001

99 J. of Physiology 2001, Grandad, it aint what you eat, it depends when you eat it-thats how muscles grow! Michael J. Rennie

100 Energiebereitstellung Abbau von Fettsäuren: -Oxidation Fette (Triacylglycerole) bilden die wichtigste Energiereserve des Organismus und sind vorwiegend im Fettgewebe gespeichert (v.a. im subkutanen Fettgewebe). Dort unterliegen sie einem ständigen Auf- und Abbau. Werden Fette gespalten ( LIPOLYSE ), entsteht Glycerol und freie Fettsäuren (FFS) [ Die Lipolyse wird durch eine hormon-sensitive Lipase katalysiert, die einer komplexen hormonellen Kontrolle unterliegt ]

101

102 Energiebereitstellung Abbau von Fettsäuren: -Oxidation Die Menge der vom Fettgewebe freigesetzten FFS ist dabei von der Aktivität der Lipase abhängig; das Enzym steuert den Plasmaspiegel der FFS Die vom Fettgewebe abgegebenen Fettsre. werden im Plasma unverestert transportiert: free fatty acids (FFA) Nur die kurzkettigen FFS sind gelöst, die längeren, weniger wasserlöslichen FFS werden an Albumin gebunden.

103 Energiebereitstellung Abbau von Fettsäuren: -Oxidation Zum Verbrauch werden die FFS aus dem Plasma in die Zellen aufgenommen, wo sie zunächst proteingebunden vorliegen. Mit Ausnahme des Gehirns und der Erythrocyten sind alle Gewebe in der Lage, FFS durch -Oxidation abzubauen. Besonders intensiv ist der Stoffwechsel der FFS in der Leber – dort werden bei hohem FFS-Plasmaspiegel ( zB. beim Hungern, Typ-1 Diabetes ) v.a. Ketonkörper erzeugt.

104 Energiebereitstellung Abbau von Fettsäuren: -Oxidation Nach der Aufnahme in die Zellen werden die FFS durch Überführung in ihr Co-Derivat aktiviert, es entsteht Acyl-CoA. Dafür werden 2 energiereiche Phosphatbindungen von ATP benötigt. Die Einschleusung in die Mitochondrien ermöglicht Carnitin, das als membrangängiger Carrier für die FFS fungiert.

105 Carnitin-Carrier

106 Energiebereitstellung Abbau von Fettsäuren: -Oxidation Für FFS gibt es ein gruppenspezifisches Transport System, die aktivierten FFS (Acyl-CoA) müssen im Zytoplasma erst auf Carnitin übertragen werden, bevor sie von einem Carnitin-Carrier als Acyl- Carnitin im Tausch gegen freies Carnitin in den Matrix-Raum eingeschleust werden. Dort findet dann die Rückübertragung der FFS auf CoA statt

107 Energiebereitstellung Abbau von Fettsäuren: -Oxidation Abbau der FFS findet in der Mitochondrien-Matrix statt und zwar durch einen oxidativen Reaktionszyklus, bei dem C 2 -Einheiten als Acetyl-CoA (aktivierte Essigsäure) abgespalten werden. Die schrittweise Abspaltung der Acetyl-Gruppen beginnt am Carboxy-Ende der aktivierten Fettsäuren jeweils zwischen C-2 ( -Atom) und C-3 ( -Atom) -Oxidation (räumlich und funktional ist diese mit dem Citrazyklus verbunden) -Oxidation (räumlich und funktional ist diese mit dem Citrazyklus verbunden)

108 Energiebereitstellung Abbau von Fettsäuren: -Oxidation Fettsäuren sind Carbonsäuren mit langer Kohlenwasserstoff-Kette Als Bausteine von Lipiden kommen sie in allen Organismen vor. FS sind vorwiegend mit Alkoholen verestert (z.B. Glycerol, Cholesterol, etc.) aber können auch unverestert auftreten (FFA) Die Zahl der C-Atome der längeren, natürlichen FS ist stets gerade (wegen der Biosynthese aus C 2 - Bausteinen) Exkurs: Fettsäuren Exkurs: Fettsäuren

109 Energiebereitstellung Abbau von Fettsäuren: -Oxidation Manche FS tragen Doppelbindungen (ungesättigte FS), diese tragen die erste DB meist zwischen C-9 und C-10. In mehrfach ungesättigten FS treten die anderen DB dann im Abstand von drei C-Atomen auf (isolierte DB). FS mit konjugierten DB (Abstand von zwei C-Atomen) sind selten FS-Moleküle sind beweglich ( aufgrund der freien Drehbarkeit der C-C Einfachbindung )

110 Aufbau aliphatischer Carbonsäuren

111 Struktur der Ölsäure

112 Energiebereitstellung Abbau von Fettsäuren: -Oxidation Die Schmelzpunkte der FS steigen mit der Kettenlänge an, und fallen mit der Anzahl der DB ab Essentielle FS ( mehrfach ungesättigte C-20 FS ) werden vom Organismus für die Biosynthese von Eicosanoiden benötigt (die wichtigste essentielle FS Arachidonsäure, diese kann durch die beiden C-18 FS Linolsäure u. Linolensäure ersetzt werden)

113 Energiebereitstellung Abbau von Fettsäuren: -Oxidation Eicosanoide Eicosanoide wirken über Membranrezeptoren als lokale Hormone und weisen eine vielfältige biolog. Wirkung auf: sie dienen als second messenger einiger Hormone sie dienen als second messenger einiger Hormone kontrollieren die Kontraktion der glatten Muskulatur (zB. Blutdruck, Bronchien…) kontrollieren die Kontraktion der glatten Muskulatur (zB. Blutdruck, Bronchien…) greifen in die Ausschüttung von Zellprodukten ein greifen in die Ausschüttung von Zellprodukten ein beeinflussen den Knochenstoffwechsel, das autonome NS, das Immunsystem, die Zellwanderung und Zellaggregation beeinflussen den Knochenstoffwechsel, das autonome NS, das Immunsystem, die Zellwanderung und Zellaggregation sie sind wirkungsvolle Schmerzsignale für Nocizeptoren sie sind wirkungsvolle Schmerzsignale für Nocizeptoren

114 Energiebereitstellung Abbau von Fettsäuren: -Oxidation Erster Schritt der -Oxidation ist die Dehydrierung von Acetyl-CoA wobei der Wasserstoff auf ein FAD- haltiges Protein übertragen wird das den Kontakt zur Atmungskette herstellt. Zweiter Schritt ist die Anlagerung von Wasser ( Hydratisierung ) an die DB der ungesättigten FS Dritter Schritt oxidiert die Hydroxy-Gruppe an C-3 zur Carbonyl-Gruppe ( Dehydrierung ) - Akzeptor für die Reduktionsäquivalente ist NAD +, das sie an die Atmungskette weiterreicht

115 Energiebereitstellung Abbau von Fettsäuren: -Oxidation Vierter Schritt ist die thioklastische Spaltung – die aktivierte -Ketosäure wird durch eine Acyl- Transferase ( -Ketothiolase) gespalten; dadurch entsteht Acetyl-CoA und eine aktivierte FS die gegenüber der ursprünglichen FS um eine C2- Einheit verkürzt ist Für den vollständigen Abbau langkettiger FS muß der Zyklus mehrfach durchlaufen werden (z.B. für Stearyl-CoA achtmal)

116 Energiebereitstellung Abbau von Fettsäuren: -Oxidation Das gebildete Acetyl-CoA wird auf Oxalacetat übertragen, dadurch entsteht Citrat, das den Citrat-Zyklus speist (oder in der Leber bei einem Überangebot von Acetyl-CoA der Synthese von Ketonkörpern dient )

117 Fettsäuren Abbau, -Oxidation

118 Energiebereitstellung Abbau von Fettsäuren: -Oxidation Energiebilanz (am Bsp. der Palmitinsäure) Wird ein Molekül PS (16:0) vollständig zu 16 Molekülen CO 2 oxidiert (wobei die -Oxidation in 7 Zyklen erfolgt) entstehen insgesamt 129 energiereiche DB je Molekül: Dies entspricht einer Energie von insgesamt 3935 kJ x mol -1

119 EnergiebereitstellungATMUNGSKETTE Die Atmungskette katalysiert den Transport von Elektronen auf NADH oder reduziertem Ubichinon auf molekularen Sauerstoff Ein großer Teil der bei diesen Reaktionen gewonnen Energie wird zum Aufbau eines elektrochemischen Gradienten verwendet und dieser schließlich durch ATP-Synthase zur ATP-Bildung genutzt

120 EnergiebereitstellungATMUNGSKETTE Die Elektronen werden auf verschiedenen Wegen in die Atmungskette eingeschleusst und im Rahmen der Oxidation an die verschiedenen Komplexe weitergegeben, wobei durch den Elektronenfluss ein Protonengradient aufgebaut wird

121 EnergiebereitstellungATMUNGSKETTEAnordnung Der Protonentransport durch einzelne Komplexe verläuft vektoriell von der Matrix in den Intramembranraum und erhöht dort die [H + ] (der pH- Wert sinkt) - in intakten Mitochondrien erlaubt nur die ATP-Synthase den Rückfluss von Protonen in die Matrix ( darauf beruht die regulatorisch wichtige energetische Kopplung von Elektronentransport und ATP-Bildung )

122 EnergiebereitstellungATMUNGSKETTE Die Oxidation von NADH findet an der Innenseite der Membran statt (im Matrixraum) wo auch Citrat-Zyklus und -Oxidation (die wichtigsten NADH-Lieferanten) lokalisiert sind. Auch die O 2 -Reduktion und die ATP-Bildung laufen an der Innenseite der Membran ab – das gebildete ATP wird schließlich im Antiport ( mit Hilfe eines ADP/ATP Translokators ) gegen ADP nach außen (Zytoplasma) transportiert

123 Aufbau der Atmungskette

124 Karl-Franzens: Schematische Darstellung des FS-Abbaus

125 Energiebereitstellung Steuerung des FS-Abbaus Der Spiegel der FFS steht unter der Kontrolle jener Hormone, die die Lipolyse im Fettgewebe steuern. Aus dem Plasmapool der FFS versorgen sich die Gewebe mit (1) FS (soweit sie die FS nicht selbst durch eigene Synthese – Lipogenese) bilden (2). Nach der Aktivierung zu Acyl-CoA (3) werden die intrazellulären FFS entweder gespeichert oder abgebaut

126 Energiebereitstellung Steuerung des FS-Abbaus Speicherung Die Veresterung der aktivierten FS (Acyl-CoA) mit Glycerol (4) führt zu Phospholipiden, die als Membranbausteine benötigt werden, und zu Triacylglycerolen (Fett) die als Energiereserve gespeichert werden (5). Die Leber kann diese Produkte auch als Lipoproteine an das Plasma abgeben (6) [wenn reichlich FFS vorhanden sind]

127 Energiebereitstellung Steuerung des FS-Abbaus Abbau Der Abbau der FS erfolgt in den Mitochondrien. Die FS werden mittels des Carnitin-Shuttles aus dem Zytoplasma in die Mitochondrien transportiert (7). Sie werden dort oxidativ durch Zusammenwirken von -Oxidation, Citrat-Zyklus und Atmungskette zu CO 2 abgebaut (8+9), dabei wird in erheblichem Umfang ATP gewonnen. In den Mitochondrien der Leber können Ketonkörper gebildet werden (10) ( Ketogenese )

128 Energiebereitstellung Steuerung des FS-Abbaus Wer bestimmt die Geschwindigkeit des FS-Abbaus? Der Abbau ist abhängig von Transport der FS in die Mitochondrien - dessen erster Schritt ist die Übertragung der FS von CoA auf Carnitin durch eine Transferase ( Carnitin-O-Palmitoyl-Transferase ) Dieses in der äußeren Mitochondrienmembran lokalisierte Enzym ist im Hungerzustand besonders aktiv, wenn der Plasmaspiegel von FFS und Glukagon hoch ist

129 Energiebereitstellung Steuerung des FS-Abbaus Im Sättigungszustand wird die Transferase durch Malonyl-CoA gehemmt (wird im Sättigungszustand angehäuft). Durch den verringerten Import von FS in die Mitochondrien ist dann die -Oxidation gedrosselt. Gleichzeitig ist die Lipogenese gesteigert, da ihr Schlüsselenzym, die Acetyl-CoA-Carboxylase stimuliert ist.

130 Energiebereitstellung Steuerung des FS-Abbaus Wie kann ein vermehrter Abbau von FS noch reguliert werden? 1. Training im Hungerzustand (postresorbtiven Phase od auf nüchternen Magen (Morgensport) 2. Ernährungsmodifikationen (Reduktion des CHO-Anteils, Erhöhung des Anteils an Fetten (v.a. mehrfach ungesättigte) und Proteinen bzw generell eine Verringerung der Gesamtkalorien- zufuhr

131 Energiebereitstellung Steuerung des FS-Abbaus 3. Ernährung nach dem Glykämischen Index (niedrige Insulinspiegel infolge längerdauernder Spaltprozesse) 4. Trainingsreihenfolge beachten (zuerst die kraftorientierten Anteile, dann die ausdauerorientierten Anteile) 5. Beachtung der Tageszeiten für das Training (endokrinen Rhythmen) und der Schlafphase (verschiedene AS fördern die Lipolyse über hormonelle Regulationsmechanismen)

132 Energiebereitstellung Zur Erinnerung Die ATP-Produktion muß ständig dem wechselnden Bedarf angepasst werden Der Wiederaufbau des ATP aus ADP erfolgt auf 3 Wegen 1.Aus KP = anaerob alaktazide Resynthese 2.Über die anaerobe Oxidation = anaerob laktazide Resynthese 3.Über die aerobe Oxidation = aerobe Resynthese

133 Energiebereitstellung Bei einem ausreichenden Sauerstoffangebot (aerobe Oxidation) erfolgt der Abbau von KH und Fetten (bzw. Proteinen) SCHRITTWEISE in enzymgesteuerten Stufen zu CO 2 und H 2 O (energie- freie Endprodukte) Der kleinere Energiespeicher (ATP) beliefert DIREKT die energiebenötigenden ReaktionenDer kleinere Energiespeicher (ATP) beliefert DIREKT die energiebenötigenden Reaktionen Der größere Energiespeicher (KP) füllt den ATP- Speicher wieder aufDer größere Energiespeicher (KP) füllt den ATP- Speicher wieder auf

134 Energiebereitstellung Aerobe Oxidation: Glykogenolyse (Glykogenabbau) Glykolyse (Glukoseabbau) Glykolyse (Glukoseabbau) Bildung der aktivierten Essigsäure (Azetyl-CoA) damit das gebildete Pyruvat für den weiteren Abbau verwendet werden kann Bildung der aktivierten Essigsäure (Azetyl-CoA) damit das gebildete Pyruvat für den weiteren Abbau verwendet werden kann Trikarbonsäure- oder Citrazyklus (auch Krebszyklus genannt) Trikarbonsäure- oder Citrazyklus (auch Krebszyklus genannt) Atmungskette (oder Elektronentransportkette) Atmungskette (oder Elektronentransportkette)

135 Energiebereitstellung Wenn das Sauerstoffangebot nicht ausreicht, anaeroben Glykolyse dann wird der Weg der anaeroben Glykolyse beschritten [dann, wenn der momentane Energiebedarf nicht durch aerobe Oxidation gedeckt werden kann] Die maximale aerobe Oxidation wird begrenzt: O 2 -Menge, die der Muskelzelle/Zeiteinheit zugeführt werden kann Menge der Enzyme, die die einzelnen Reaktionen bei der Oxidation katalysieren Größe der Nährstoffdepots in der Muskelzelle sowie deren Wiederauffüllung

136 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung In Abwesenheit von Sauerstoff (zeitabhängige Transportprozeße an der inneren Mitochondrien-membran – z.T. TRAINIERBAR ! – durch Zunahme der Oberfläche und tlw. genetisch bestimmt aufgrund der Muskelfaserverteilung) kann in den Mitochondrien NADH nicht mehr reoxidiert werden; damit kommt außer der ATP-Bildung auch der Citrat- Zyklus (und damit der FS-und AS-Abbau) zum Erliegen Ort des Geschehens: die Enzyme befinden sich im Sarkoplasma (in unmittelbarer Nähe der Myofibrillen)

137 Energiebereitstellung Als Energiesubstrat bleibt dann nur mehr Glukose übrig [der Abbau im Rahmen der Glykolyse zu Pyruvat (ionisierte Form der Brenztraubensäure) liefert 2 mol ATP] Anaerobe Energiebereitstellung Wenn dieser Prozess kontinuierlich weiter laufen soll (wenn also bei hoher Intensität die Leistung aufrecht erhalten werden muß), dann muss das in der Glykolyse gebildete NADH außerhalb der Mitochondrien regeneriert werden – dazu wird Pyruvat zu Laktat reduziert

138 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Warum ist das so? Wird die Glykolyse durch eine starke Steigerung des Energiebedarfs gefordert, so fällt mehr Brenztraubensäure an, als oxidativ verarbeitet werden kann; dadurch wird die Glykolyse verlangsamt und damit die anaerobe Energiebereitstellung gefährdet [Ursache: neben Brenztraubensäure häuft sich NADH+H + (reduzierte Form) an – dieses muss aber als NAD + vorliegen (in oxidierter Form) um als H + - Akzeptor fungieren zu können]

139 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Ausweg: Da die Atmungskette nicht so rasch das anfallende NADH+H + oxidieren kann wird Wasserstoff des NADH+H + auf Pyruvat übertragen, wobei Laktat und das benötigte NAD + entsteht De facto ist die AN-Glykolyse ein Stoffwechselweg, der unabhängig vom aktuellen Zustand der aeroben Oxidation ablaufen kann; Probleme macht die Tatsache, dass die [H + ] proportional zur Laktatkonzentration ansteigt (unter physiolog. Bedingungen ist Laktat zu über 95% dissoziiert)

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141 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Das Enzym das die Reduktion zu Laktat katalysiert ist die Laktatdehydrogenase (2 verschiedene LDH Untereinheiten: H- bzw. M- Form, und 5 Isoenzyme der LDH) In der Herz-Muskulatur findet sich vorwiegend Tetramere der H-Form, in der LDH der Leber und der Skelettmuskulatur vorwiegend M- Monomere

142 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Die LDH katalysiert die Übertragung von Redox- Äquivalenten von Laktat auf NAD + oder von NADH auf Pyruvat Laktat + NAD + Pyruvat + NADH + H + Die LDH katalysiert die Reaktion in beide Richtungen, hat aber keinen Einfluss auf die Lage des chem. Gleichgewichts; das Gleichgewicht der Reaktion liegt aber stark auf der Seite der Laktat-Bildung; bei hohen Konzentrationen von Laktat und NAD+ ist aber auch die Oxidation von Laktat zu Pyruvat möglich

143 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Das wichtigste regulierende Enzym der Glykolyse ist die PFK; sie wird durch ADP, AMP, und F-6-P als Substrat aktiviert und durch ATP und H + -Ionen gehemmt. Sinkt der pH-Wert auf z.B. 6.7 ab, so beträgt die Aktivität der PFK (und damit die Flußrate) nur mehr ~ 50% des Maximums; bei einem pH-Wert von ~ 6.3 ist sie komplett gehemmt (die ATP- Resyntheserate aus der Glykolyse geht gegen Null)

144 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Die pH-bedingte Hemmung der Glykolyse schützt vor der zunehmenden Aktivierung von Lysosomen [ µm große Organellen, die dem Abbau von Zellbestandteilen dienen] – damit wird eine Selbstverdauung der Zelle verhindert Die Übersäuerung der Zelle kann verzögert werden durch: 1. die in der Zelle vorhandenen Puffersysteme 2. Die Entfernung des Laktats

145 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Das anfallende Laktat wird bereits während der Arbeit weiterverwertet (v.a. bei ausreichend durchbluteter Muskulatur); in der Arbeitsmuskulatur ( hptsl. in den roten MF und in den weniger stark belasteten Faseranteilen, die sich außerhalb der Belastungsachsen befinden ), in der nicht- arbeitenden Muskulatur, in der Herzmuskulatur ( der Herzmuskel ist aufgrund seiner aeroben Leistungsfähigkeit in der Lage, einen großen Prozentsatz seines Energiebedarfs über Laktat abzudecken )

146 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Ein Teil des Laktats wird in der Leber wieder zu Glukose aufgebaut ( Glukoneogenese ) [ Dabei wird das im Blut zirkulierende Laktat zur Leber transportiert und im Rahmen des CORI- Zyklus zu Glukose umgewandelt und wieder zum Verbraucher zurücktransportiert ]

147 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Der messbare Laktatanstieg im Blut wäre noch größer, wenn nicht ein Teil des anfallenden Pyruvats durch Aminierung (Substitutionsreaktion) in die AS Alanin übergeführt würde (Alanin wird in der Leber - aber nicht im Muskel - zu Glukose und Glykogen aufgebaut) – Alanin-Zyklus (In der Erholungsphase kann das durch anerobe Belastung gebildete Laktat im Muskel zu ~ 50% über die Glukoneogenese wieder zu Glukose und Glykogen umgewandelt werden)

148 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Der Alanin-Zyklus wird durch den Abbau von Proteinen gespeist - die dabei anfallenden AS werden durch Transaminierung in 2-Oxosäuren umgewandelt, die großteils in den Citratzyklus wandern; dabei werden ihre Amino-Gruppen auf Pyruvat übertragen, das in Alanin übergeht (der Alanin-Zyklus dient glz. dem Transport von Glukose-Vorstufen und Stickstoff zur Leber – in der Leber wird N zu Harnstoff umgesetzt)

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150 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Nach intensiven Belastungen (z.B. 400m-Lauf) steigt das Blutlaktat noch weiter an, und erreicht in Abhängigkeit von Belastungsdauer und [LA] ein Maximum nach 1-10min. Erholungszeit – die Ursache dafür ist der Konzentrationsgradient zwischen Muskel- und Blutlaktatkonzentration Für die Erfassung der LA-Elimination wird die Halbwertszeit (Zeit, nach der das LA auf die Hälfte des max. Wertes abgebaut ist) angegeben (diese hängt von der Höhe des maximal erreichten LA-Wertes ab!)

151 Laktatbildung und LA Verhalten im Muskel und im Blut (de Marées, H.: Sportphysiologie)

152 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Im Mittel geht man von ½-T von 15min. bei einer [LA] von 10mmol aus; bei sehr hohen [LA] kann ½-T 25min. überschreiten Die Ursache für diese konzentrationsabhängige ½-T wird in der Existenz eines Laktat-Shuttle Systems gesehen; dabei dürfte das LA mittels spezifischer Proteine durch Zellmembranen transportiert werden; die Transportrate ist dabei eine nichtlineare Funktion der [LA]

153 Karl-Franzens: Laktatverhalten im Blut (1/2-T) bei unterschiedlichen LA-Ausgangswerten (de Marées, H.: Sportphysiologie)

154 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Aktive Erholung (leichte Belastung) verkürzt die ½-T der LA-Elimination! Maximale Eliminationsraten erreicht man bei Belastungen von 40-50% der maximalen VO 2 [durch den erhöhten Muskelstoffwechsel wird Laktat vermehrt in Brenztraubensäure übergeführt und in weiterer Folge als direkt energielieferndes Substrat mittels aerober Oxidation verstoffwechselt; d.h. Laktat ist energetisch wertvoll

155 Einfluß von passiver Erholung und aktiver Erholung auf das Blutlaktat nach einer Belastung (de Marées, H.: Sportphysiologie)

156 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Laktat wird im Stoffwechsel immer gebildet (Ruhelaktatwerte von ~ mmol/l), und diese Bildung hängt u.a. auch von der Ernährung ab Die LA-Elimination hängt von der Höhe des aeroben Umsatzes und von der [LA] ab. Je höher der aerobe Stoffwechsel und je höher die [LA], desto größer die Elimination Die jeweils aktuelle [LA] im Muskel, im Blut und in Die jeweils aktuelle [LA] im Muskel, im Blut und in anderen Körperflüssigkeiten ist das Resultat von anderen Körperflüssigkeiten ist das Resultat von LA-bildung,-diffusion,-transport, und -elimination LA-bildung,-diffusion,-transport, und -elimination

157 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Im Vergleich zum Gesamtgewinn von 31 mol ATP (wenn 1 mol Glukose abgebaut wird) bei der aeroben Oxidation, ergeben sich für die anaerobe Glykolyse 3 mol ATP/mol Glukose (~ 10%) Im Vergleich zum Gesamtgewinn von 31 mol ATP (wenn 1 mol Glukose abgebaut wird) bei der aeroben Oxidation, ergeben sich für die anaerobe Glykolyse 3 mol ATP/mol Glukose (~ 10%) Da die maximale Umsatzrate der Glukose jedoch 25fach höher ist als die von Citratzyklus und Atmungskette (hier geht man von den Werten für Untrainierte aus), resultiert eine etwa doppelt so große ATP-Resynthese/Zeiteinheit aus der anaeroben Glykolyse

158 Energiebereitstellung Vorteile/Nachteile der aeroben und anaeroben Energiebereitstellung Vorteile/Nachteile der aeroben und anaeroben Energiebereitstellung Aerobe EB Anaerobe EB 31 mol ATP/mol Glukose 3 mol ATP/mol Glukose 3 mol ATP/mol Glukose Keine LA-Bildung Keine LA-Bildung LA-Bildung LA-Bildung (-) langsame Energie- bereitstellung (+) schnelle Energie- bereitstellung (-) freigesetzte Energ.- menge/Zeiteinheit ist relativ klein (+) freigesetzte Energ.menge/Zeiteinheit ist relativ groß

159 Energiebereitstellung Vorteile/Nachteile der aeroben und anaeroben Energiebereitstellung Vorteile/Nachteile der aeroben und anaeroben Energiebereitstellung Aerobe EB Anaerobe EB (+) bereitgestellte Energiemenge ist relativ groß (-) die Gesamtenergiemenge ist relativ klein Sportliche Tätigkeiten können relativ lange durchgehalten werden, wenn die Intensität nicht zu hoch ist (1000m Lauf) Sportliche Tätigkeiten können mit hoher Intensität geleistet werden, aber nur kurzzeitig (400m Lauf)

160 Laktatverhalten und Anteile der Energie-gewinnung bei unterschiedlichen Belastungsintensitäten ( Markworth, P. SPORTMEDIZIN )

161 Anteil der energiebereitstellenden Systeme im zeitl.Verlauf einer körperlichen Belastung ( Markworth, P. SPORTMEDIZIN )

162 Energiebereitstellung 1. HS der Thermodynamik: Die im Muskel umgesetzte (chemische) Energie muß gleich der Summe aus mechanischer Energie (Muskelarbeit) und Wärmeproduktion sein (Energieerhaltungssatz) Wenn, wie im Fall einer isometrischen Kontraktion keine physikalisch messbare Muskelarbeit erfolgt, wird im Muskel chemische Energie in Wärme transformiert; diese ist der Haltezeit und der aufrecht erhaltenden Muskelspannung proportional [ bei der Isometrie sind die Myosinquerbrücken in ständiger zyklischer Ruder-tätigkeit wobei unter ATP-Spaltung und Wärmeproduktion eine innere Haltearbeit verrichtet wird]

163 Energiebereitstellung Wirkungsgrad: 1 Mol ATP ~ 60kJ Energie (Hydrolyse) Es werden allerdings nur etwa 40-50% dieser Energie in mechanische Energie bzw. Arbeit umgesetzt (der Rest geht als Wärme verloren) Der mechanische Nutzeffekt ( Wirkungsgrad ) liegt aber de facto nur bei ~ 20-30% - während und nach der Kontraktion laufen Erholungsprozesse (Tätigkeit von Ionenpumpen, oxidative Regeneration von ATP) die für eine beträchtliche Wärmebildg. sorgen [je höher die Arbeitsleistung, desto höher die Wärmebildg.]

164 Energiebereitstellung Was steht als Brennstoff zur Verfügung? 1.Kohlenhydrate (gespeichert in der Muskulatur und in der Leber bzw im Blut) 2.Fette (als Depotfette-subkutan bzw viszeral und im Blut-aber auch intramuskulär) 3.Proteine (als Aminosäuren) Der O 2 -Verbrauch beim Abbau der Brennstoffe hängt dabei von der Muskelleistung ab !

165 Energiebereitstellung ATP-Aufbau und Formen der ATP-Bildung Das Coenzym ATP stellt die wichtigste Speicherform chemischer Energie dar. Die bei der Spaltung von ATP gewonnene Energie dient dazu, durch energetische Kopplung Vorgänge wie Biosynthesen, Transportprozesse und Bewegungen zu ermöglichen Struktur: Im ATP ist eine Kette von 3 Phosphatresten mit der 5-OH-Gruppe von Adenosin verknüpft. Die Phosphatreste werden als,, und gekennzeichnet

166 Karl-Franzens:

167 Energiebereitstellung ATP-Aufbau und ATP-Bildung Formen der ATP-Bildung Im Laufe der Evolution haben sich 2 wichtige Formen der ATP-Synthese herausgebildet, die in ähnlicher Weise in allen Zellen stattfinden (1) Die wichtigere Form nutzt die in elektrochemischen Gradienten gespeicherte Energie zur Bildung von ATP aus ADP und P i Die Energie zum Aufbau solcher Gradienten wird meist durch Redoxprozesse aufgebracht (also die oxidative Phosphorylierung) [ H + transportierende ATP- Synthasen nutzen dann die Energie des Gradienten zur ATP-Bildung ]

168 Energiebereitstellung ATP-Aufbau und ATP-Bildung (2) Die zweite, entwicklungsgeschichtlich ältere Form der ATP-Bildung findet auch unter anaeroben Bedingungen statt Diese beruht auf der Kopplung der ATP-Bildung an die Hydrolyse energiereicher Metabolite Als Beispiel ist hier die ATP-Bildung aus Kreatinphosphat zu nennen, einer Verbindung, die der Muskulatur als Energiereserve dient

169 Energiebereitstellung ATP-Aufbau und ATP-Bildung ATP + H 2 O ADP + P i (ATPase) Diese Rkt ist wichtig für die Energetik der Muskelkontraktion ATP + H 2 O AMP + PP i Diese Rkt ist v.a. für die Energie- lieferung bei Biosynthesereaktionen; dabei können auch beide Phosphatgruppen abgespalten werden und es entsteht AMP u. Pyrophosphorsäure bzw. Pyrophosphat (PPi)

170 Energiebereitstellung ATP-Aufbau und ATP-Bildung Kreatinphosphat Durch die Muskelkontraktion wird die im Muskel vorhandene ATP-Menge in kürzester Zeit aufgebraucht ( 1-3 ? Sekunden bzw. max. 2-3 Kontraktionen ); d.h. die Nachlieferung von ATP muß sehr rasch und effizient erfolgen KrP + ADP Kr + ATP (Lohmann Reaktion) Das Enzym, dass diese Reaktion katalysiert ist die Kreatinphosphokinase

171 Energiebereitstellung ATP-Aufbau und ATP-Bildung Das Enzym KrP-Kinase ist so aktiv, dass bereits während der Kontraktionsphase das angefallene ADP zu ATP aufgebaut werden kann. Im Normallfall bleibt daher auch die ATP-Konzentration bis zur völligen Ausschöpfung der KrP Speicher weitestgehend konstant Die Enzymaktivität ist weitgehend der Maximalgeschwindigkeit des ATP-Verbrauchs angepasst (~ 10 mal höher im Skelettmuskel als im Herzmuskel)

172 Energiebereitstellung ATP-Aufbau und ATP-Bildung Ohne Nachlieferung aus dem aneroben oder aeroben Stoffwechsel kann der KrP-Speicher einen Arbeitsbetrag von ~ 900 J/kg Muskulatur liefern ( kurzzeitige Höchstleistungen, z.B. 100m Lauf ) Die Flußrate (µmol x g -1 x s -1 ) [Geschwindigkeit des Abbaus und ~ Einsatzzeitpunkt der Verfügbarkeit]

173 Energiebereitstellung ATP-Aufbau und ATP-Bildung ATP, KrP ATP, KrP Anaerobe Anaerobe Glykolyse Glykolyse Aerobe Aerobe Glykolyse Glykolyse FS Oxidation FS Oxidation Geschwindigkeit

174 Energiebereitstellung Brennwert und Energiespeicher 1.ATP 1.5 kcal 2.KrP 5 kcal 3.Glucose (Blut) 20 kcal 4.Leberglykogen 400 kcal 5.Muskelglykogen 2000 kcal 6.Freie Fettsre. u. Triglyceride 90 kcal 7.Triglyceride (Blut) 2500 kcal 8.Speicherfettdepots von kcal bis ?

175 Energiebereitstellung Energiequellen im Muskel EnergiequelleGehalt (µMol/g Muskel)Energ.-lief.Rkt ATP5 ATP -> ADP + P Kreatinphosphat11 KrP+ADP->ATP+Kr Gluk-Einheiten anaerob, über Pyr. im Glykogen84 zu Laktat(Glykolyse) aerob, über Pyr. zu CO 2 u.H 2 O Triglyceride10 Oxidation zu CO 2 u. H 2 O

176 Energiebereitstellung Aerober Energiestoffwechsel Ist die muskuläre Tätigkeit über einen längerdauernden Zeitraum aufrechtzuerhalten, so erfolgt der Wiederaufbau des ATP aerob ( oxidative Phosphorylierung ). Die zur Synthese notwendige Energie stammt dabei aus dem Abbau von Kohlehydraten und Fetten – dieses System befindet sich im Fließgleichgewicht, wenn die Geschwindigkeit der ATP-Neubildung gerade so groß ist wie die Geschwindigkeit des ATP-Verbrauchs [ Spiegel des IZ ATP und des Kreatinphosphats bleiben dabei auf einem konstanten Niveau ]

177 Energiebereitstellung Aerober Energiestoffwechsel Die aerobe Glykolyse erfolgt in den Mitochondrien der Zellen (bakteriengroße Organellen, die ~ 25% des Zellvolumens einnehmen) – Mitochondrien sind die Hauptverbraucher von Sauerstoff; ein Mangel an O 2 (z.B. Herzinfarkt, Arteriosklerose) wirkt sich besonders auf die Mitochondrien des betroffenen Gewebes aus. EXKURS: Aufbau der Mitochondrien Mitochondrien sind von 2 Membranen umschlossen- einer glatten äusseren und einer gefalteten inneren Membran ( Cristae ; große Oberfläche!) die den Matrix-Raum umschließt

178 Energiebereitstellung EXKURS ( Aufbau der Mitochondrien) Anzahl und Gestalt der Mitochondrien sowie die Zahl der Cristae kann von Zelltyp zu Zelltyp unterschiedlich sein. Gewebe mit intensivem oxidativen Stoffwechsel besitzen Mitochondrien mit vielen Cristae-innerhalb eines Gewebes kann die Gestalt der Mitochondrien mit ihrem Funktionszustand variieren Die Membranen der Mitochondrien enthalten integrale Proteine ( äußere Membran: Porin-Moleküle; Poren-bildner, die die Membran für Moleküle durchlässig machen, die < 10 kDa sind )

179 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Aufbau der Mitochondrien

180 Energiebereitstellung EXKURS ( Aufbau der Mitochondrien) Die innere Mitochondrienmembran ist für fast alle Moleküle undurchlässig ( Ausnahmen: zB. O 2, CO 2, H 2 O ) und weist einen Proteingehalt von ~ 75% auf: spezifische Carrier für den Stoffwechseltransport, Enzyme und andere Komponenten der Atmungskette und die ATP- Synthase Der Matrix-Raum ist reich an Proteinen, v.a. an Enzymen des Citrat-Zyklus

181 Energiebereitstellung Stoffwechselleistungen Mitochondrien werden auch als die biochemischen Kraftwerke einer Zelle bezeichnet ( sie erzeugen im Rahmen des oxidativen Abbaus von Nährstoffen den größten Teil des ATPs das die Zelle benötigt ) Welche Prozesse finden in den Mitochondrien statt? 1.Umwandlung von Pyruvat zu Acetyl-CoA 2.Citrat-Zyklus 3.Atmungskette (gekoppelt mit der Synthese von ATP = oxidative Phosphorylierung) 4.Abbau der Fettsäuren durch -Oxidation 5.Teile des Harnstoff-Zyklus 6.Calciumspeicher

182 Energiebereitstellung Stoffwechselleistungen Die wesentliche Aufgabe der Mitochondrien: Aufnahme von Substraten des Energie-Stoffwechsels (FS, Pyruvat, C-Gerüste der AAs) aus dem Zytoplasma und oxidativer Abbau dieser Stoffe zu CO 2 und H 2 O unter Gewinnung von ATP Die Reaktionen des Citratzyklus liefern vollständig oxidierten Kohlenstoff und Reduktionsäquivalente, die vorübergehend an Coenzyme gebunden sind (laufen vorwiegend im Matrixraum ab)

183 Energiebereitstellung Stoffwechselleistungen Die Atmungskette benutzt NADH ( Nicotinamid- Adenin-Dinucleotid) und das enzymgebundene FADH 2 (Flavin-Adenin-Dinucleotid ) als Reduktionsmittel (also Elektronenlieferanten) zur Reduktion von Sauerstoff und Bildung von Wasser. Diese Reaktion ist mit dem Transport von Protonen (H + ) durch die innere Membran aus dem Matrix- Raum in den Intermembran-Raum gekoppelt

184 Energiebereitstellung Stoffwechselleistungen Bei diesem Vorgang wird ein elektrochemischer Gradient über die innere Membran aufgebaut – die Mitochondrien nutzen diesen Gradienten zur Synthese von ATP aus ADP u. P i mit Hilfe der ATP- Synthase Exkurs: Elektrochemischer Gradient Elektrisch geladene Atome und Moleküle (Ionen) können biologische Membranen nur mit Hilfe von Ionenkanälen oder Ionenpumpen passieren. Die Ionenpumpen schaffen eine ungleiche Verteilung der Ionen auf beiden Seiten der Membran

185 Energiebereitstellung Stoffwechselleistungen Exkurs: Elektrochemischer Gradient Dadurch wird ein elektrochemischer Gradient aufgebaut (dieser speichert wie ein Kondensator Energie). Für die zelluläre ATP-Synthese sind Protonen-Gradienten wichtig. Der Energiegehalt eines solchen Gradienten hängt vom Unterschied der Protonenkonzentrationen auf beiden Seiten der Membran ab, d.h. von der pH-Differenz ( pH) Ebenso leistet das Membranpotential (s)einen Beitrag. Aus beiden Größen zusammen ergibt sich die protonenmotorische Kraft ( p) (Maß für die chemische Arbeit G die der Gradient leistet)

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187 Energiebereitstellung Aerober Energiestoffwechsel Die Glycolyse ist ein kataboler Stoffwechselweg und findet im Zytoplasma statt: 1 mol Glucose wird dabei in 2 mol Pyruvat zerlegt. Zusätzlich entstehen bei diesem Vorgang je 2 mol ATP und NADH + (wenn es sich aerobe Bedingungen handelt!) Unter anaeroben Bedingungen wird das Pyruvat weiter umgesetzt um das NAD + zu regenerieren, dabei entsteht u.a. Laktat

188 Energiebereitstellung Die Glucose wird in der Zelle zunächst phosphoryliert (Zucker werden vorwiegend als Phosphorsäure-Ester verstoffwechselt)

189 Energiebereitstellung Die wesentlichen Abbauschritte Mit Hilfe der Hexokinase entsteht unter ATP- Verbrauch (1) G-6-P (Glukose-6-Phosphat) dieses wird isomerisiert zu (2) F-6-P (Fruktose-6-Phosphat); e s wird erneut phosphorylisiert und es entsteht (3) F-1,6-BP (dieser Vorgang wird über das Enzym PFK (Phosphofruktokinase) katalysiert (wichtiges Schlüsselenzym der Glykolyse); bis zu diesem Punkt sind 2 mol ATP / mol Glucose verbraucht

190 Energiebereitstellung Die wesentlichen Abbauschritte F-1,6-BP wird nun durch die Aldolase in 2 phosphorylierte C3-Fragmente gespalten (4) Glyceral-3-phosphat und Glyceron-3-phosphat, diese werden (5) mittels der Triosephosphat-Isomerase ineinander übergeführt Glyc3-P wird nun durch die Glyceral-3-phosphat- Dehydrogenase unter Bildung von NADH + + H + oxidiert (6)

191 Energiebereitstellung (6) Zusätzlich wird anorganisches Phosphat in das Molekül aufgenommen (Substratketten-phosphory-lierung) und es entsteht 1,3-Biphosphorglycerat ( Intermediärprodukt ) Im nächsten Schritt (7) wird die Hydrolyse der Bindung ( gemischte Säureanhydridbindung ) von 1,3-BPG (katalysiert durch die Phosphoglycerat-Kinase) mit der Bildung von ATP energetisch gekoppelt: 3-Phosphoglycerat Die wesentlichen Abbauschritte

192 Energiebereitstellung Ein weiteres Zwischenprodukt, dessen Hydrolyse sich mit der Synthese von ATP koppeln läßt, entsteht durch (8) Isomerisierung des 3-PG zu 2-Phosphoglycerat (Enzym: Phosphoglycerat-Mutase) und (9) H 2 O (Enzym: Phosphopyruvat-Hydratase,Enolase). Das dabei gebildetet Produkt ist der Phosphorsäureester der Enol-Form des Pyruvats: Phosphoenolpyruvat Die wesentlichen Abbauschritte

193 Energiebereitstellung Im letzten Schritt dieses Prozesses (10) entsteht mittels der Pyruvat-Kinase aus PEP das Pyruvat Energetisch betrachtet: Nettogewinn des Abbaus: 2 (3) mol ATP / mol Glukose (d.h. ~ 31% der freien Energie werden für den ATP-Aufbau genutzt) Die wesentlichen Abbauschritte 3 mol ATP entstehen, wenn Glykogen abgebaut wird

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195 Energiebereitstellung Glykogen dient im tierischen Organismus als CHO- Reserve, aus der bei Bedarf Glucose-phosphate oder Glucose freigesetzt werden können Warum Glykogen als Speicherform? Die Speicherung von Glucose ist nicht sinnvoll, weil das Zellinnere stark hypertonisch wäre und es zu einem Einstrom von Wasser käme Da die osmotische Aktivität von der Zahl der Moleküle abhängt, sind Polysaccharide osmotisch fast inaktiv Die wesentlichen Abbauschritte

196 Energiebereitstellung Der menschliche Organismus kann bis zu ~ 450g Glykogen speichern (1/3 davon in der Leber, der Rest in der Muskulatur) Wofür wird das Glykogen in der Leber benötigt? Das Leber-Glykogen dient primär der Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels in der postresorptiven Phase und kann fast bis auf Null abfallen (beim Hungern!) Ab dann übernimmt die Glukoneogenese die Versorgung Die wesentlichen Abbauschritte

197 Energiebereitstellung Das Muskelglykogen dient hauptsächlich als Energiereserve (v.a. für die intensiven Belastungen im Kraftsport bzw. für den Endspurt bei den Ausdauersportarten) und ist nicht direkt an der Regulation des Blutzuckerspiegels beteiligt. Die Muskulatur besitzt keine G-6-phosphatase (damit kann die Glukose nicht ins Blut freigesetzt werden) Die wesentlichen Abbauschritte

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199 Energiebereitstellung Aufbau des Glykogen: Glykogen ist ein verzweigtes Homopolymer der Glukose (ähnelt baumartigen Strukturen, und kann bis aus Glukoseresten bestehen) Beim Abbau werden nur die nichtreduzierenden Enden des Bäumchens verkürzt / Wenn ein reichliches Glukoseangebot vorhanden ist, werden sie verlängert. Die Verlängerung wird durch das Enzym Glykogensynthase katalysiert Die wesentlichen Abbauschritte

200 Energiebereitstellung Bei dieser Verlängerung wird nur bis zu einer bestimmten Länge der Kette ausgebaut und dann mittels eines verzweigenden Enzyms (Glucan verzweigendes Enzym) abgespalten und an einer benachbarten Kette angehängt Die wesentlichen Abbauschritte Die verzweigte Struktur des Glykogens ermöglicht die rasche Freisetzung von Zucker-Resten. Das Enzym Glykogen-Phosphorylase spaltet vom nicht- reduzierenden Ende her nacheinander Reste als Glukose-1-phosphat ab.

201 Energiebereitstellung Je größer dabei die Zahl der Enden, desto mehr Phosphorylase-Moleküle können dabei gleichzeitig angreifen Die Bildung von G-1-P statt Glucose hat den Vorteil, daß kein ATP aufgewendet werden muß, um die freigesetzten Reste in die Glykolyse einzuschleusen Die wesentlichen Abbauschritte

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203 Energiebereitstellung Was passiert nun mit dem Pyruvat ? Das Pyruvat kann in den Matrix-Raum eindringen und dabei als Azetyl-Coenzym A in den Citratzyklus eingeschleust werden Das Azetyl-Coenzym A stammt aus der -Oxidation der Fettsäuren und aus der Pyruvat-Dehydrogenase Reaktion (Multienzymkomplex, der die oxidative Decarboxylierung von 2-Oxosäuren und die Übertragung des gebildeten Acyl-Restes auf Coenzym A katalysiert; als Elektronenakzeptor fungiert dabei NAD + ) Die wesentlichen Abbauschritte

204 EnergiebereitstellungCitratzyklus Der Citratzyklus ist ein Stoffwechselweg der in der Mitochondrienmatrix abläuft; dieser Zyklus oxidiert Acetyl-Reste [ CH 3 -CO-] zu CO 2 Die gewonnenen Reduktionsäquivalente werden auf NAD + oder Ubichinon übertragen und dort an die Atmungskette weitergegeben Die Oxidation des Acetyl-Restes verläuft über eine Reihe von Zwischenstufen: Die wesentlichen Abbauschritte

205 EnergiebereitstellungCitratzyklus (1) Der Acetyl-Rest wird auf das Trägermolekül Oxalacetat übertragen (katalysiert durch die Citrat- Synthase) [ Vom Produkt dieser Reaktion, dem Citrat, hat der Zyklus seinen Namen ] (2) Es erfolgt die Isomerisierung von Citrat zu Isocitrat und als Zwischenprodukt tritt Aconitat auf (katalysiert durch die Aconitat-Hydratase, Aconitase) Die wesentlichen Abbauschritte

206 EnergiebereitstellungCitratzyklus (3) Nun erfolgt der erste Oxidationsschritt - die Isocitrat-Dehydrogenase oxidiert die Hydroxy-Gruppe des Isocitrats zur Oxo-Gruppe. Glz. wird eine der Carboxy-Gruppen als CO 2 abgespalten, und es entsteht 2-Oxoglutarat. (4) Der nächste Schritt ist die Umwandlung (umfasst eine Oxidation und eine Decarboxylierung) zum Succinyl-CoA und wird durch die 2-Oxoglutarat-Dehydrogenase katalysiert Die wesentlichen Abbauschritte

207 EnergiebereitstellungCitratzyklus (5) Nachfolgend wird Succinyl-CoA in Succinat u. Coenzym A gespalten (katalysiert durch die Succinat- CoA-Ligase,,Thiokinase). An diesem Punkt entsteht nicht ATP sondern Guanosin-triphosphat (GTP) das aber leicht in ATP umgewandelt werden kann. Bis hierher wird der Acetyl-Rest vollständig zu CO 2 oxidiert. Gleichzeitig. wird das Trägermolekül Oxalacetat zu Succinat reduziert. Die wesentlichen Abbauschritte

208 EnergiebereitstellungCitratzyklus (6) Zunächst wird durch die Succinat-Dehydrogenase Succinat zu Fumarat oxidiert. Die SDH ist ein integrales Protein der inneren Mitochondrienmembran (und muss der Atmungskette zugerechnet werden) Die SDH enthält FAD wobei bei dieser Reaktion der eigentliche Elektronen-Akzeptor das Ubichinon ist In 3 weiteren Schritten des Zyklus wird nun aus Succinat wieder Oxalacetat regeneriert : Die wesentlichen Abbauschritte

209 EnergiebereitstellungCitratzyklus (7) An die Doppelbindung des Fumarats wird nun durch die Fumarat-Hydratase (Fumarase) Wasser addiert und es ensteht Malat Im letzten Schritt des Zyklus wird Malat durch die Malat-Dehydrogenase wieder zu Oxalacetat oxidiert, wobei noch einmal NADH + + H + entsteht ….somit ist der Kreis geschlossen, und der Zyklus kann von vorne beginnen….. Die wesentlichen Abbauschritte

210 Citratzyklus

211 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Zur Erinnerung…. Die ATP-Produktion muß ständig dem wechselnden Bedarf angepasst werden Der Wiederaufbau des ATP aus ADP erfolgt auf 3 Wegen 1.Aus KP = anaerob alaktazide Resynthese 2.Über die anaerobe Oxidation = anaerob laktazide Resynthese 3.Über die aerobe Oxidation = aerobe Resynthese

212 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Bei einem ausreichenden Sauerstoffangebot (aerobe Oxidation) erfolgt der Abbau von KH und Fetten (bzw. Proteinen) SCHRITTWEISE in enzymgesteuerten Stufen zu CO 2 und H 2 O (energie- freie Endprodukte) Der kleinere Energiespeicher (ATP) beliefert DIREKT die energiebenötigenden ReaktionenDer kleinere Energiespeicher (ATP) beliefert DIREKT die energiebenötigenden Reaktionen Der größere Energiespeicher (KP) füllt den ATP- Speicher wieder aufDer größere Energiespeicher (KP) füllt den ATP- Speicher wieder auf

213 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Aerobe Oxidation: Glykogenolyse (Glykogenabbau) Glykolyse (Glukoseabbau) Glykolyse (Glukoseabbau) Bildung der aktivierten Essigsäure (Azetyl-CoA) damit das gebildete Pyruvat für den weiteren Abbau verwendet werden kann Bildung der aktivierten Essigsäure (Azetyl-CoA) damit das gebildete Pyruvat für den weiteren Abbau verwendet werden kann Trikarbonsäure- oder Citrazyklus (auch Krebszyklus genannt) Trikarbonsäure- oder Citrazyklus (auch Krebszyklus genannt) Atmungskette (oder Elektronentransportkette) Atmungskette (oder Elektronentransportkette)

214 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Wenn das Sauerstoffangebot nicht ausreicht, anaeroben Glykolyse dann wird der Weg der anaeroben Glykolyse beschritten [dann, wenn der momentane Energiebedarf nicht durch aerobe Oxidation gedeckt werden kann] Die maximale aerobe Oxidation wird begrenzt: O 2 -Menge, die der Muskelzelle/Zeiteinheit zugeführt werden kann Menge der Enzyme, die die einzelnen Reaktionen bei der Oxidation katalysieren Größe der Nährstoffdepots in der Muskelzelle sowie deren Wiederauffüllung

215 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung In Abwesenheit von Sauerstoff (zeitabhängige Transportprozeße an der inneren Mitochondrien-membran – z.T. TRAINIERBAR ! – durch Zunahme der Oberfläche und tlw. genetisch bestimmt aufgrund der Muskelfaserverteilung) kann in den Mitochondrien NADH nicht mehr reoxidiert werden; damit kommt außer der ATP-Bildung auch der Citrat- Zyklus (und damit der FS-und AS-Abbau) zum Erliegen Ort des Geschehens: die Enzyme befinden sich im Sarkoplasma (in unmittelbarer Nähe der Myofibrillen)

216 Energiebereitstellung Als Energiesubstrat bleibt dann nur mehr Glukose übrig [der Abbau im Rahmen der Glykolyse zu Pyruvat (ionisierte Form der Brenztraubensäure) liefert 2 mol ATP] Anaerobe Energiebereitstellung Wenn dieser Prozeß kontinuierlich weiter laufen soll (wenn also bei hoher Intensität die Leistung aufrecht erhalten werden muß), dann muß das in der Glykolyse gebildete NADH ausserhalb der Mitochondrien regeneriert werden – dazu wird Pyruvat zu Laktat reduziert

217 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Warum ist das so? Wird die Glykolyse durch eine starke Steigerung des Energiebedarfs gefordert, so fällt mehr Brenztraubensäure an, als oxidativ verarbeitet werden kann; dadurch wird die Glykolyse verlangsamt und damit die anaerobe Energiebereitstellung gefährdet [Ursache: neben Brenztraubensäure häuft sich NADH+H + (reduzierte Form) an – dieses muss aber als NAD + vorliegen (in oxidierter Form) um als H + - Akzeptor fungieren zu können]

218 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Ausweg: Da die Atmungskette nicht so rasch das anfallende NADH+H + oxidieren kann wird Wasserstoff des NADH+H + auf Pyruvat übertragen, wobei Laktat und das benötigte NAD + entsteht De facto ist die AN-Glykolyse ein Stoffwechselweg, der unabhängig vom aktuellen Zustand der aeroben Oxidation ablaufen kann; Probleme macht die Tatsache, dass die [H + ] proportional zur Laktatkonzentration ansteigt (unter physiolog. Bedingungen ist Laktat zu über 95% dissoziiert)

219 Karl-Franzens:

220 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Das Enzym das die Reduktion zu Laktat katalysiert ist die Laktatdehydrogenase (2 verschiedene LDH Untereinheiten: H- bzw. M- Form, und 5 Isoenzyme der LDH) In der Herz-Muskulatur findet sich vorwiegend Tetramere der H-Form, in der LDH der Leber und der Skelettmuskulatur vorwiegend M- Monomere

221 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Die LDH katalysiert die Übertragung von Redox- Äquivalenten von Laktat auf NAD + oder von NADH auf Pyruvat Laktat + NAD + Pyruvat + NADH + H + Die LDH katalysiert die Reaktion in beide Richtungen, hat aber keinen Einfluß auf die Lage des chem. Gleichgewichts; das Gleichgewicht der Reaktion liegt aber stark auf der Seite der Laktat-Bildung; bei hohen Konzentrationen von Laktat und NAD+ ist aber auch die Oxidation von Laktat zu Pyruvat möglich

222 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Das wichtigste regulierende Enzym der Glykolyse ist die PFK; sie wird durch ADP, AMP, und F-6-P als Substrat aktiviert und durch ATP und H + -Ionen gehemmt. Sinkt der pH-Wert auf z.B. 6.7 ab, so beträgt die Aktivität der PFK (und damit die Flußrate) nur mehr ~ 50% des Maximums; bei einem pH-Wert von ~ 6.3 ist sie komplett gehemmt (die ATP- Resyntheserate aus der Glykolyse geht gegen Null)

223 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Die pH-bedingte Hemmung der Glykolyse schützt vor der zunehmenden Aktivierung von Lysosomen [ µm große Organellen, die dem Abbau von Zellbestandteilen dienen] – damit wird eine Selbstverdauung der Zelle verhindert Die Übersäuerung der Zelle kann verzögert werden durch: 1. die in der Zelle vorhandenen Puffersysteme 2. Die Entfernung des Laktats

224 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Das anfallende Laktat wird bereits während der Arbeit weiterverwertet (v.a. bei ausreichend durchbluteter Muskulatur); in der Arbeitsmuskulatur ( hptsl. in den roten MF und in den weniger stark belasteten Faseranteilen, die sich außerhalb der Belastungsachsen befinden ), in der nicht- arbeitenden Muskulatur, in der Herzmuskulatur ( der Herzmuskel ist aufgrund seiner aeroben Leistungsfähigkeit in der Lage, einen großen Prozentsatz seines Energiebedarfs über Laktat abzudecken )

225 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Ein Teil des Laktats wird in der Leber wieder zu Glukose aufgebaut ( Glukoneogenese ) [ Dabei wird das im Blut zirkulierende Laktat zur Leber transportiert und im Rahmen des CORI- Zyklus zu Glukose umgewandelt und wieder zum Verbraucher zurücktransportiert ]

226 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Der messbare Laktatanstieg im Blut wäre noch größer, wenn nicht ein Teil des anfallenden Pyruvats durch Aminierung (Substitutionsreaktion) in die AS Alanin übergeführt würde (Alanin wird in der Leber - aber nicht im Muskel - zu Glukose und Glykogen aufgebaut) – Alanin-Zyklus (In der Erholungsphase kann das durch anerobe Belastung gebildete Laktat im Muskel zu ~ 50% über die Glukoneogenese wieder zu Glukose und Glykogen umgewandelt werden)

227 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Der Alanin-Zyklus wird durch den Abbau von Proteinen gespeist - die dabei anfallenden AS werden durch Transaminierung in 2-Oxosäuren umgewandelt, die großteils in den Citratzyklus wandern; dabei werden ihre Amino-Gruppen auf Pyruvat übertragen, das in Alanin übergeht (der Alanin-Zyklus dient glz. dem Transport von Glukose-Vorstufen und Stickstoff zur Leber – in der Leber wird N zu Harnstoff umgesetzt)

228 Karl-Franzens:

229 Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Nach intensiven Belastungen (z.B. 400m-Lauf) steigt das Blutlaktat noch weiter an, und erreicht in Abhängigkeit von Belastungsdauer und [LA] ein Maximum nach 1-10min. Erholungszeit – die Ursache dafür ist der Konzentrationsgradient zwischen Muskel- und Blutlaktatkonzentration Für die Erfassung der LA-Elimination wird die Halbwertszeit (Zeit, nach der das LA auf die Hälfte des max. Wertes abgebaut ist) angegeben (diese hängt von der Höhe des maximal erreichten LA-Wertes ab!)

230 Karl-Franzens: Laktatbildung und LA Verhalten im Muskel und im Blut (de Marées, H.: Sportphysiologie)

231 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Im Mittel geht man von ½-T von 15min. bei einer [LA] von 10mmol aus; bei sehr hohen [LA] kann ½-T 25min. überschreiten Die Ursache für diese konzentrationsabhängige ½-T wird in der Existenz eines Laktat-Shuttle Systems gesehen; dabei dürfte das LA mittels spezifischer Proteine durch Zellmembranen transportiert werden; die Transportrate ist dabei eine nichtlineare Funktion der [LA]

232 Karl-Franzens: Laktatverhalten im Blut (1/2-T) bei unterschiedlichen LA-Ausgangswerten (de Marées, H.: Sportphysiologie)

233 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Aktive Erholung (leichte Belastung) verkürzt die ½-T der LA-Elimination! Maximale Eliminationsraten erreicht man bei Belastungen von 40-50% der maximalen VO 2 [durch den erhöhten Muskelstoffwechsel wird Laktat vermehrt in Brenztraubensäure übergeführt und in weiterer Folge als direkt energielieferndes Substrat mittels aerober Oxidation verstoffwechselt; d.h. Laktat ist energetisch wertvoll

234 Karl-Franzens: Einfluß von passiver Erholung und aktiver Erholung auf das Blutlaktat nach einer Belastung (de Marées, H.: Sportphysiologie)

235 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Was passiert mit dem Laktat? Laktat wird im Stoffwechsel immer gebildet (Ruhelaktatwerte von ~ mmol/l), und diese Bildung hängt u.a. auch von der Ernährung ab Die LA-Elimination hängt von der Höhe des aeroben Umsatzes und von der [LA] ab. Je höher der aerobe Stoffwechsel und je höher die [LA], desto größer die Elimination Die jeweils aktuelle [LA] im Muskel, im Blut und in Die jeweils aktuelle [LA] im Muskel, im Blut und in anderen Körperflüssigkeiten ist das Resultat von anderen Körperflüssigkeiten ist das Resultat von LA-bildung,-diffusion,-transport, und -elimination LA-bildung,-diffusion,-transport, und -elimination

236 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Anaerobe Energiebereitstellung Im Vergleich zum Gesamtgewinn von 31 mol ATP (wenn 1 mol Glukose abgebaut wird) bei der aeroben Oxidation, ergeben sich für die anaerobe Glykolyse 3 mol ATP/mol Glukose (~ 10%) Im Vergleich zum Gesamtgewinn von 31 mol ATP (wenn 1 mol Glukose abgebaut wird) bei der aeroben Oxidation, ergeben sich für die anaerobe Glykolyse 3 mol ATP/mol Glukose (~ 10%) Da die maximale Umsatzrate der Glukose jedoch 25fach höher ist als die von Citratzyklus und Atmungskette (hier geht man von den Werten für Untrainierte aus), resultiert eine etwa doppelt so große ATP-Resynthese/Zeiteinheit aus der anaeroben Glykolyse

237 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Vorteile/Nachteile der aeroben und anaeroben Energiebereitstellung Vorteile/Nachteile der aeroben und anaeroben Energiebereitstellung Aerobe EB Anaerobe EB 31 mol ATP/mol Glukose 3 mol ATP/mol Glukose 3 mol ATP/mol Glukose Keine LA-Bildung Keine LA-Bildung LA-Bildung LA-Bildung (-) langsame Energie- bereitstellung (+) schnelle Energie- bereitstellung (-) freigesetzte Energ.- menge/Zeiteinheit ist relativ klein (+) freigesetzte Energ.menge/Zeiteinheit ist relativ groß

238 Karl-Franzens: Energiebereitstellung Vorteile/Nachteile der aeroben und anaeroben Energiebereitstellung Vorteile/Nachteile der aeroben und anaeroben Energiebereitstellung Aerobe EB Anaerobe EB (+) bereitgestellte Energiemenge ist relativ groß (-) die Gesamtenergiemenge ist relativ klein Sportliche Tätigkeiten können relativ lange durchgehalten werden, wenn die Intensität nicht zu hoch ist (1000m Lauf) Sportliche Tätigkeiten können mit hoher Intensität geleistet werden, aber nur kurzzeitig (400m Lauf)

239 Karl-Franzens: Laktatverhalten und Anteile der Energie-gewinnung bei unterschiedlichen Belastungsintensitäten ( Markworth, P. SPORTMEDIZIN )

240 Karl-Franzens: Anteil der energiebereitstellenden Systeme im zeitl.Verlauf einer körperlichen Belastung ( Markworth, P. SPORTMEDIZIN )

241 ENDOKRINOLOGIE Womit beschäftigt sich die Endokrinologie? Die Endokrinologie ist die Lehre von den Hormonen. Der klassischen Definition nach sind Hormone chemische Nachrichtenträger, die in spezialisierten Zellen (Drüsenzellen) produziert werden. Von dort werden sie in das Blut sezerniert und gelangen zu ihren Zielorganen oder Zielzellen, wo sie ihre spezifische Wirkung(en) vermitteln. Diese Zielorgane (Zielzellen) besitzen entsprechende Rezeptoren für das entsprechende Hormon

242 Hormonbildende Drüsen

243 ENDOKRINOLOGIE Was machen bzw. bewirken Hormone? Hormone beeinflussen im Körper verschiedene Funktionen; die Initialisierung und Regelung dieser Funktionen erfolgt dabei a.) kurzfristig (innerhalb von Minuten) b.) mittelfristig (innerhalb von Stunden) c.) langfristig (innerhalb von Tagen) Die hormonelle Nachrichtenübermittlung dauert daher wesentlich länger als die nervale

244 ENDOKRINOLOGIE Klassifizierung von Hormonen Hormone sind entweder Proteine bzw. Aminosäurenderivate, oder Lipide – entsprechend nach der Rezeptorlokalisation in den Zielzellen lassen sich 3 Arten einteilen: (1)Protein-, Proteo-, und Peptidhormone (hydrophil) bestehen aus AS und können die Lipidbarriere der Plasmazellmembran kaum passieren. Die Rezeptoren für diese Hormone sitzen deshalb an der Oberfläche der Plasmazellmembran

245 ENDOKRINOLOGIE Klassifizierung von Hormonen (2)Lipidhormone (lipophil) können aufgrund ihrer guten Löslichkeit durch die Zellmembran diffundieren und binden an Rezeptoren (diese sind meistens im Zytoplasma lokalisiert) (3)Schilddrüsenhormone entstehen aus 2 AS die über eine Etherbrücke verbunden sind; SH können gut in alle Körperzellen eindringen und binden an Rezeptoren im Zellkern Eine Zelle kann glz. Rezeptoren aller drei Typen besitzen bzw. auch über unterschiedliche Rezeptoren eines Typs verfügen

246 ENDOKRINOLOGIE Wirkmechanismen von Hormonen Prinzipiell werden 3 Formen bzw. Wirkungen der Signalübertragung unterschieden: 1.Endokrine Wirkung: das Hormon überträgt das Signal durch Wanderung (über das Blut) vom Ort seiner Bildung zum Ort seiner Wirkung (klassische hormonelle Regulation; z.B. INSULIN)

247 ENDOKRINOLOGIE Wirkmechanismen von Hormonen 2.Parakrine Wirkung: das Hormon wirkt auf Zielzellen, die sich in unmittelbarer Nähe der Drüsenzelle befindet (z.B. lokal wirkende Gewebshormone, wie des Gastrointestinaltraktes) 3.Autokrine Wirkung: das Hormon wirkt auf die Drüsenzelle selbst (Autoregulation) Ein (auch klassisches) Hormon kann sowohl endokrin, parakrin als auch autokrin wirken

248 Wirkmechanismen von Hormonen

249 ENDOKRINOLOGIE Aufgrund der Interaktion von Hormon und Rezeptor (entweder an der Zellmembran oder in der Zelle) gibt es 2 völlig unterschiedliche Wirkmechanismen der Hormone: 1.Intrazelluläre Hormon-Rezeptor-Komplex übt fast immer eine direkt genomische Wirkung aus. Diese genomischen Effekte (Transkriptionskontrolle) beeinflussen wiederum die Syntheseleistung von mRNA der Zelle [ Steroidhormone, Thyroxin ]

250 ENDOKRINOLOGIE Wirkmechanismen von Hormonen 2.Plasmazellmembranständige Hormon- Rezeptor-Komplex wirkt über second messengers ( cAMP, cGMP, DAG, IP 3, Ca 2+, Arachidonat ). Dabei wird über die spezifische Botschaft des Hormons und spezifische Rezeptoren ein unspezifischer intrazellulärer Mechanismus ausgelöst. Über weitere Reaktionen werden dann die Antworten der Zielzelle auf das Hormon gesteuert

251 ENDOKRINOLOGIE Wirkmechanismen von Hormonen Die Bindung von Hormonen an Rezeptoren in der Zellwand, im Zellplasma oder im Zellkern (und damit auch verbunden die Wirksamkeit) ist abhängig von der Rezeptorspezifität der Rezeptoraffinität (Bindungsstärke) und der Rezeptordichte Die R.Dichte variiert in Abhängigkeit von der jeweiligen Hormon-Konzentration: Sind die Hormonkonzentrationen über längere Zeit erhöht, erfolgt eine DOWN- REGULATION der aktiven Rezeptoren (umgekehrt: UP-REGULATION )

252 Hierarchische Struktur und Aufbau der Hypothalamus- Hypophysen- Hormondrüsen Achse

253 ENDOKRINOLOGIE Hypothalamus-Hypophysen System Der Hypothalamus ist eine zentrale Region für die Steuerung der vegetativen Funktionen und beeinflusst auch das endokrin-vaskuläre System (nerval- hormonelle Schaltstelle) Zusammen mit der Hypophyse [v.a. mit der Adenohypophyse (Hypophysenvorderlappen)] fungiert der Hypothalamus als übergeordnete Einheit eines mehrstufigen, hierarchisch-strukturierten Systems (! eine Reihe von Hormonwirkungen können aber unabhängig vom H-H System ablaufen !)

254

255 ENDOKRINOLOGIE Hypothalamus-Hypophysen System Funktionelle Unterteilung der Hormone die im mittleren Teil des Hypothalamus gebildeten Hormone haben die Aufgabe, in der Adenohypophyse die Sekretion (bzw. auch die Bildung) weiterer Hormone anzuregen ( Releasinghormone, RH ) oder zu hemmen ( Inhibiting-Hormone, IH ) die im mittleren Teil des Hypothalamus gebildeten Hormone haben die Aufgabe, in der Adenohypophyse die Sekretion (bzw. auch die Bildung) weiterer Hormone anzuregen ( Releasinghormone, RH ) oder zu hemmen ( Inhibiting-Hormone, IH ) einige der in der Adenohypophyse gebildeten Hormone ( glandotropen H ) wirken auf die peripheren Hormondrüsen einige der in der Adenohypophyse gebildeten Hormone ( glandotropen H ) wirken auf die peripheren Hormondrüsen

256 ENDOKRINOLOGIE Hypothalamus-Hypophysen System die peripheren Hormondrüsen schütten am Ende dieser Kaskade die glandulären Hormone aus, die dann letztendlich an den Zielzellen unterschiedlicher Organe wirksam werden die peripheren Hormondrüsen schütten am Ende dieser Kaskade die glandulären Hormone aus, die dann letztendlich an den Zielzellen unterschiedlicher Organe wirksam werden Jene Hormone, die direkt am Erfolgsorgan wirken, werden auch als effektorische Hormone (oder Effektorhormone) bezeichnet

257 ENDOKRINOLOGIE Wirkmechanismen von Hormonen Rückkoppelungssysteme-Hormonelle Regelkreise Endokrine Regulationen lassen sich durch einen Regelkreis beschreiben (der Erfolg der Funktion eines Hormons wird dem regelnden Teil unmittelbar oder mittelbar zurückgemeldet) Negative Rückkoppelung: die Konzentration eines vorhandenen H im Blut wird gemessen, und dieser Wert wird an das oberste Regelzentrum (Hypothalamus) und die Adenohypophyse gemeldet = IST-Wert

258 ENDOKRINOLOGIE Wirkmechanismen von Hormonen Negative Rückkoppelung Im Hypothalamus wird ein IST-SOLLWert Vergleich vorgenommen; dieser führt zu einer Verringerung der RH-Freisetzung (od. zu einer Erhöhung der IH-Freisetzung) worauf die Produktion/Freisetzung des betreffenden glandotropen H (= REGELGRÖSSE) verringert wird

259 ENDOKRINOLOGIE Wirkmechanismen von Hormonen Positive Rückkoppelung (sind selten): die Zunahme eines H (z.B. FSH) führt zu einer verstärkten Produktion eines effektorischen H (z.B. Östradiol) das wiederum die FSH – (und LH) Ausschüttung stimuliert (Ovulation) Oxytozin fördert die Kontraktion der Uterusmuskulatur; dies führt auf nervalem Wege zu einer Rückmeldung an den Hypophysenhinterlappen: Verstärkung der Oxytozinausschüttung

260 Rückkopplungsprinzip von Hormonen

261 ENDOKRINOLOGIE Hormone des Hypophysenvorderlappens Glandotrope H: TSH Thyreotropin (Schilddrüse), ACTH Kortikotropin (Nebennierenrinde), FSH Follitropin (Keimdrüsen), LH Lutropin (Keimdrüsen) [ LH, FSH Gonadotropine ]; für jedes dieser H gibt es ein RH Effektor H: STH Somatotropin (wirkt auf viele Gewebe (Muskel, Fett, Knochen, Knorpel), PRL Prolaktin (IH: Prolaktostatin = Dopamin), -MSH Melanotropin, -Endorphin

262 ENDOKRINOLOGIE Hormone des Hypophysenhinterlappens Effektor H: ADH Adiuretin ( wirkt in den Nieren-sorgt u.a. dafür, dass dem Körper möglichst wenig an Wasser verloren geht ), Oxytozin Periphere Hormondrüsen Periphere Hormondrüsen SCHILDDRÜSE ist der Bildungs- und Aus- schüttungsort der Hormone Thyroxin, Trijodthyronin (Steigerung des Energieumsatzes, Förderung der Glykogenspaltung, Fettmobilisierung), Kalzitonin (Kalziumhaushalt)

263 ENDOKRINOLOGIE Periphere Hormondrüsen Periphere Hormondrüsen NEBENSCHILDDRÜSEN PTH Parathormon (Parathyrin) für die Regulation des Kalziumhaushalts NEBENNIERENRINDE diese werden unter dem Überbegriff Kortikosteroide zusammengefasst In der äußeren Schicht der NNR ( zona glomerulosa ) erfolgt die Produktion der Mineralokortikoide (Aldosteron: wichtige Funktion bei der Regulation des Elektrolyt- und Flüssigkeitshaushalts; fördert die Rückresorption von Na in den Nieren )

264 ENDOKRINOLOGIE Periphere Hormondrüsen Periphere Hormondrüsen NEBENNIERENRINDE In der mittleren Schicht ( zona fasciculata ) werden die Glukokortikoide (Kortisol) erzeugt. Kortisol beeinflusst den Kohlehydrat- und Eiweißstoffwechsel ( Verstärkung der Glukoneogenese in der Leber ) Kohlehydrat- und Eiweißstoffwechsel ( Verstärkung der Glukoneogenese in der Leber ) Verstärkung der Herzkraft sowie Gefäßverengung in der Peripherie ( Verstärkung der Katecholamine ) Verstärkung der Herzkraft sowie Gefäßverengung in der Peripherie ( Verstärkung der Katecholamine ) Entzündungshemmung (Einschränkung der unspezifischen und der spezifischen Immunabwehr) Entzündungshemmung (Einschränkung der unspezifischen und der spezifischen Immunabwehr)

265 ENDOKRINOLOGIE Periphere Hormondrüsen Periphere Hormondrüsen NEBENNIERENRINDE In der inneren Schicht ( zona reticularis ) werden die Androgene (Testosteron) erzeugt. Allerdings ist die Bedeutung der Androgenbildung in der NNR nur sehr gering (~ 5% der testikulären Menge) DHEA Dehydroepiandrosteron NEBENNIERENMARK Die Zellen des NNM werden von sympathischen Nervenfasern des vegetativen NS versorgt; Katecholamine (Dopamin, Noradrenalin, Adrenalin) [ Ausgangssubstanz für die Bildung ist die AS Tyrosin ]

266 ENDOKRINOLOGIE Periphere Hormondrüsen Periphere Hormondrüsen NEBENNIERENMARK Das infolge eines Reizes aus dem NNM ausgeschüttete Hormongemisch enthält ~ 80% A, ~ 20% NA, ~ 2% DA A + NA wirken als Hormone und als Neurotransmitter über die Adrenorezeptoren (adrenerge Rezeptoren) an der Außenseite der Zellmembranen bzw. an den Endigungen sympathischer Nervenzellen NA + A werden auch als STRESSHORMONE (psychisch + physisch) bezeichnet

267 ENDOKRINOLOGIE Periphere Hormondrüsen Periphere Hormondrüsen Wirkungen der Katecholamine Weitstellung der Bronchien Weitstellung der Bronchien Weitstellung von Gefäßen in der Arbeitsmuskulatur Weitstellung von Gefäßen in der Arbeitsmuskulatur Konstriktion von Gefäßen in der nicht-arbeitenden Konstriktion von Gefäßen in der nicht-arbeitenden Muskulatur Muskulatur Steigerung der Hf und der Kontraktilität Steigerung der Hf und der Kontraktilität Hemmung der Magen-Darm Tätigkeit Hemmung der Magen-Darm Tätigkeit Förderung der Glykogenolyse (Leber und Muskel) Förderung der Glykogenolyse (Leber und Muskel) Förderung der Lipolyse Förderung der Lipolyse

268 ENDOKRINOLOGIE Periphere Hormondrüsen Periphere Hormondrüsen Inselorgan der BAUCHSPEICHELDRÜSE Insulin und Glukagon (beide sind am Kohlenhydratstoffwechsel beteiligt) Speicherung der Nahrung in Form von Glykogen Speicherung der Nahrung in Form von Glykogen und Fett (Insulin!) und Fett (Insulin!) Mobilisation der Energiedepots bei Arbeit (Glukose) Mobilisation der Energiedepots bei Arbeit (Glukose) Konstanthaltung des Blutglukosespiegels Konstanthaltung des Blutglukosespiegels (Ins, Gluk) (Ins, Gluk) Förderung des Wachstums (Ins) Förderung des Wachstums (Ins)

269 ENDOKRINOLOGIE Periphere Hormondrüsen Periphere Hormondrüsen KEIMDRÜSEN Die Produktion der Sexualhormone ( von der chemischen Struktur her handelt es sich um Steroide ) wird über das hypothalamische GnRH, und über die adenohypophysären Hormone FSH und LH geregelt Androgene (männliche Sexualhormone) werden in den Testes ( Leydigschen Zwischenzellen ) gebildet; geringe Androgenmengen werden auch bei der Frau in den Ovarien und in der NNR gebildet

270 ENDOKRINOLOGIE Periphere Hormondrüsen Periphere Hormondrüsen KEIMDRÜSEN Östrogene ( Östron, Östradiol ) und Gestagene ( Progesteron ) (weibliche Sexualhormone) werden hauptsächlich in den Ovarien gebildet. Beim Mann werden geringe Mengen an Östrogenen und Gestagenen in den Hoden gebildet Die Hauptwirkung dieser Hormone wird v.a. in der Pubertät augenfällig (androgene und anabole Wirkung des Testosteron beim Mann; Vermännlichung des Körpers - bzw. die gynoide Wirkung bei der Frau: Eireifung, Menstruationszyklus, Verweiblichung des Körpers)

271 ENDOKRINOLOGIE Auswirkungen von Training auf das endokrine System intensives Ausdauertraining über längere Zeiträume führt dazu, dass bei identischer Belastung (in Absolut-Werten) der Hormonanstieg geringer ausfällt (z.B. Katecholamine, HGH) intensives Ausdauertraining über längere Zeiträume führt dazu, dass bei identischer Belastung (in Absolut-Werten) der Hormonanstieg geringer ausfällt (z.B. Katecholamine, HGH) bei maximaler Belastung weisen Hochausdauertrainierte eher höhere Hormonspiegel auf als Untrainierte bei maximaler Belastung weisen Hochausdauertrainierte eher höhere Hormonspiegel auf als Untrainierte

272 ENDOKRINOLOGIE Auswirkungen von Training auf das endokrine System Für Insulin zeigt sich bei Trainierten eine erhöhte Sensitivität an den Zielzellen (v.a. Muskelgewebe) Für Insulin zeigt sich bei Trainierten eine erhöhte Sensitivität an den Zielzellen (v.a. Muskelgewebe) Die Testosteronwerte sind bei krafttrainierten Sportlern höher als Normalwerte bei Untrainierten- und dort wiederum etwas höher als bei Ausdauertrainierten Die Testosteronwerte sind bei krafttrainierten Sportlern höher als Normalwerte bei Untrainierten- und dort wiederum etwas höher als bei Ausdauertrainierten Der Einfluss von Leistungssport (v.a. extreme Langzeitausdauer) wirkt sich bei Frauen oftmals negativ aus-und beeinträchtigt die gonadale Achse (verstärkt bei kalorienreduzierter Diät und geringem Körperfettanteil) Der Einfluss von Leistungssport (v.a. extreme Langzeitausdauer) wirkt sich bei Frauen oftmals negativ aus-und beeinträchtigt die gonadale Achse (verstärkt bei kalorienreduzierter Diät und geringem Körperfettanteil)

273 Grundlagen der Körperzusammensetzung (Body Composition) Theorie und Praxis

274 Inhalt 1.Überblick über Body Composition und Methoden 2.Theoretischer Hintergrund 3.Anwendungsmöglichkeiten

275 Übergewicht Adipositas Beziehung zwischen dem BMI (kg/m 2 ) und dem Morbiditäts- und Mortalitätsrisiko Beziehung zwischen dem BMI (kg/m 2 ) und dem Morbiditäts- und Mortalitätsrisiko Warum wird eine Körperfettmessung durchgeführt ? Metropolitan Life Insurance ~ 4.9 Mill. Policen von Gewicht mit der geringsten Sterblichkeit [Build and Blood Pressure Study, Society of Actuaries 1959] 1983 revidiert => Idealgewicht liegt höher [Build Study, Society of Actuaries 1979]

276 ADIPOSITAS (adiposity, obesity): erhöhter Anteil des Körperfettes an der Körpermasse ÜBERGEWICHT (overweight): erhöhte Körpermasse im statistischen Mittel (keine Aussage darüber, wie und woraus sich ein erhöhtes KG zusammensetzt) Somit kann jemand adipös sein ohne übergewichtig zu sein, und jemand kann übergewichtig sein ohne notwendigerweise adipös zu sein

277 BMI BMI = Grad 0 (Normalgewicht) BMI BMI = Grad I (Übergewicht) BMI BMI = Grad II (Adipositas) BMI > 40 BMI > 40 = Grad III (morbide A.) [Garrow 1988, NIH Consensus Development Conference 1985] Normwertangaben aus der Literatur : Als Grenze zur Fettleibigkeit Männer > 25% GKF, Frauen > 30% GKF Männer > 25% GKF, Frauen > 30% GKF [nach Bray 1987] Body Mass Index (BMI) > 30:....deutlicher Anstieg der Mortalität....deutlicher Anstieg der Mortalität [Garrow 1988]

278 Direkter Zusammenhang zwischen dem Grad der Adipositas bzw. der Fettverteilung und dem Morbiditätsrisiko bzw. Mortalitätsrisiko viszerale Fettgewebe ist das gefährliche (Bauchfett) [inverse J- shape] Body Mass Index Gesundheitsrisiko BMI BMI BMI BMI > 35

279

280 Statistisch betrachtet JA; biologisch-medizinisch betrachtet JEIN Ein deutliches ZUVIEL an KF ist genauso problematisch wie ein deutliches ZUWENIG Gibt es sowas wie Normwerte (sehr gut, gut, durchschnittlich, schlecht) für das GKF ? GKF ist abhängig von: (i) Alter, (ii) Geschlecht, (iii) Trainingszustand bzw. Grad der körperl. Aktivität, (iv) Ernährungsgewohnheiten (soziales Umfeld), (v) Genetik

281 bei Männern GKF <10% GKF %GKF bis ~ 20% GKF <10% = trainierte M. bzw. Jugendliche GKF % = durchschnittlicher, schlanker Mann GKF bis ~ 20% = typischer Mann GKF > 20 GKF > 20 = Hände weg vom Bier bei Frauen GKF <15% GKF <15% = trainierte Frau GKF 15-20% GKF 15-20% = durchschnittliche, schlanke Frau GKF 20-25% GKF 20-25% = typische Frau GKF > 25 (30)% GKF > 25 (30)% = weniger oft Konditorei

282 Tab 1.: Idealer Körperfettanteilin Abhängigkeit von Alter und Geschlecht Tab 1.: Idealer Körperfettanteilin Abhängigkeit von Alter und Geschlecht Frauen Körperfett in % Alter Männer Körperfett in % 18,922,125,029, ,814,919,023,3 18,922,025,429, ,816,520,324,3 19,722,726,430, ,518,021,525,2 21,024,027,731, ,119,322,626,1 22,625,629,332, ,520,523,626,9 24,327,330,934, ,621,524,527,6 25,828,932,335, ,522,325,228,3 27,030,233,536, ,022,925,928,9 27,630,934,237, ,323,426,429,5 Normwerte für GKF international

283 Warum BCA ? Einige Anwendungsmöglichkeiten…. Abschätzung möglicher gesundheitlicher Risikofaktoren (zuviel/zu wenig Körper- fett) Erfassung der Änderung der BC im Zuge von Training und/oder spezieller Ernährungsformen Erfassung der Änderung der BC im Zuge der natürlichen biologischen Entwicklung (Wachstum, altersbedingte Änderungen der BC…)

284 Fettverteilung mit verschiedenen Erkrankungen assoziiert (J Vague, 1954/1956) Fettverteilung mit verschiedenen Erkrankungen assoziiert (J Vague, 1954/1956) zur Fettverteilung der androide Typ...der gynoide Typ

285 2 wesentliche Körperfettdepots ….das subkutane Körperfettgewebe (Speicherfettgewebe) das sich fast am gesamten Körper anlegen kann und als Energiespeicher, Schutzfaktor, Modulator verschiedener Hormone etc. dient ….das viszerale (intrabadominale) Fettgewebe (Bierbauch) das sich im Laufe des Lebens anlagert bzw die Folge von hormonellen Schwankungen sein kann Körperfettverteilung

286 Körperfettverteilung Metabolisch und biochemisch betrachtet sind beide Fettdepots sehr unterschiedlich Das subkutane Fettgewebe stellt eher ein kosmetisches Problem dar Das viszerale Fettgewebe ist das gesundheitlich bedenklichere ( Das viszerale Fettgewebe ist das gesundheitlich bedenklichere ( erhöht den Anteil an FFS im Splanchnikusgebiet und kann in weiterer Folge zu den bekannten Erscheinungsformen, wie Typ II- Diabetes, Herzinfarkt und Schlaganfall führen)

287 Körperfettverteilung Wie kann das innenliegende KF relativ einfach gemessen werden ? Anthropometrischer Ansatz: mit dem Massband wird der Bauchumfang (in cm) gemessen bzw. zusätzlich der Hüftumfang (in cm). Über den Vergleich mit Referenzwerten (nach Alter und Geschlecht) erfolgt dann eine Risikoabschätzung

288 Körperfettverteilung Entweder wird nur der BU für die Interpretation herangezogen (BU zeigt normalerweise sehr gute positive Korrelation mit dem viszeralen Fettanteil) oder das Verhältnis von BU zu HU (Waist-to-Hip- Ratio, WHR) wird für die Abschätzung eines gesundheitlichen Risikos herangezogen WHR ~ [ 0.85] WHR ~ [ 0.85] WHR ~ (0.90) [ 0.95] WHR ~ (0.90) [ 0.95]

289 At the population level, measurement of body FM has no advantage over BMI and WC in the prediction of obesity-related metabolic risk. prediction of obesity-related metabolic risk. Although measures of central adiposity (WC, WC/ht) tended to show closer associations with risk factors than measures of general adiposity, the differences were small and depended on the type of risk factor and sex, suggesting an equivalent value of methods. Körperfett und Risiko??? Bosy-Westphal et al.: Bosy-Westphal et al.: Value of body fat mass vs anthropometric obesity indices in the assessment of metabolic risk factors. IJO Nov 2005 Bosy-Westphal et al.:

290 Aufbau des Körpers und Modelle der Körperzusammensetzung Wo befindet sich das Körperfett und auch wieviel ist wo vorhanden (Topologie) Körperfettverteilung Body Composition Primär quantitativ orientierter Ansatz; woraus setzen sich einzelne Körper- kompartments zusammen

291 Body Composition Für die praktische Arbeit und Messung haben sich die sog. Komponenten (od. Kompartment-) modelle bewährt KF KF- freien Anteil 2K-Modell KF Wasser 4K-(chem)Modell Protein Mineral KF EZF IZF IZS EZS Flüssig-Metabol.Modell

292 Body Composition Fettgewebe Weiches Gewebe nicht Musk. 4K-(anatom)Modell Muskel gewebe Knochen Mineral Protein Wasser Ess.Lip Nicht-Ess.Lip FFM Fett LFM Lipid

293 Männer

294 Frauen

295

296 Body Composition Einige der gängigsten Messsmethoden 1-Kompartment Methoden: Waage (de facto nur das Kompartment Körpermasse) 2-Kompartment Methoden: alle Methoden, die entweder Körperfett direkt/indirekt messen (können) oder die fettfreie Körpermasse direkt/indirekt bestimmen (können) { Kaliper, Lipometer, Bildgebende Verfahren, Futrex(?), Unterwasserwiegen (?) }

297 Kaliper (Anwendung, Vorteile, Nachteile)

298 Body Composition Messsmethoden 3-Kompartment Methoden: alle Methoden, die zB. Flüssigkeitsräume direkt/indirekt messen (können), od. den Wechselstromwiderstand des Körpers messen (können) {K 40 -Bestimmung, Deuterium-Dilution, Bioimpedanz (bipolar, tetrapolar), Dual Energy X- Ray Absorptiometry(DEXA)}

299 BIA Bioelectrical Impedance Analysis BIA misst den Widerstand, den der Körper einem angelegten Wechselstrom entgegensetzt

300 BIA

301 Zum Phasenwinkel

302 Multifrequenz vs. Singlefrequenz

303 BIA BIA Vektor

304 BIA BIA Vektor bei einem Triathleten

305 DEXA Eingesetzt für Messungen der Knochendichte (Osteoporose-HRT)

306 DEXA DEXA auch für Körperfettmessungen eingesetzt (Golden Standard) [Problem: Softwareversionen, Annahmen, starke Annäherung der %KF an den BMI)

307 Tobec

308 Tobec


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