Energiegewinnung in der Muskelzelle

Die Energieproduktion in der Muskelzelle

Die Muskelfaser besteht aus einer Vielzahl von filamentösen Myofibrillen (= Muskelzellen). eine untergeordnete Rolle bei der Energieerzeugung. In den Nährstoffen des Blutes steckt Energie, die jedoch chemisch gebunden ist und den Muskelzellen nicht direkt zur Verfügung steht. Lagerung: In Muskelzellen und Leber.

Energieerzeugungskonzept

Durch zwei Stoffwechselvorgänge ist die Muskelmasse in der Lage, eine kontinuierliche Leistung zu erreichen: Sowohl durch die Traubenzuckerverbrennung (Glukose) als auch durch die Fettverbrennung aus Fettsäuren unter dem Sauerstoffverbrauch - "aerob". Auch durch den Abbauprozess von Glukosemolekülen ohne Luftsauerstoff "anaerob". Fließt genügend Luftsauerstoff mit genügend Eigenblut, hat das anaerobe Kreislaufsystem in Zellkraftwerken (Mitochondrien) den Vorzug.

In der Wechselwirkung einer Vielzahl von biochemischen Umsetzungen werden Kohlehydrate und Fettsäuren in Kohlendioxid zerlegt. Dabei wird der freiwerdende Sauerstoff in Form von ATP (Adenosintriphosphat) in Form von Trinkwasser zwischengespeichert. Wenn die Muskeln mehr ATP aufnehmen, als der Energieerzeuger bereitstellen kann, tritt der saure Metabolismus in den Vordergrund: Die Zelle produziert ATP durch Umwandlung von Glucose über mehrere Zwischenprodukte in das "Abfallprodukt" ( "waste product") lactat.

Das " Milchäure " sammelt sich in den Fasern der Muskeln und schließlich im Gehirn an.

Energieversorgung im Muskeln' Bernds kleines Handbuch

In unserem Körper gibt es mehrere Gelegenheiten zur Energieversorgung im Körper. Die Thematik ist daher sehr vielschichtig, aber für unser Verstehen der Funktionsweise von Ausdauer und erfolgreichem Ausdauertraining von Bedeutung. Der Großteil der Energiezufuhr im Körper ist ausdauernd. Das wird über den Citratzyklus in den Zellmitochondrien der Muskelzelle erreicht. Die Energiezufuhr ist in der Notfallsituation oder in der ersten Phase der Muskelkontraktion vorwiegend anaerob (bis ca. 60 Sekunden).

Dann ( "über 60 Sekunden") nimmt der Nährstoffreflex die Energiezufuhr der Muskeln ein. All diese Energieversorgungsformen werden in diesem Artikel kurz erläutert und erläutert. Detaillierte Erläuterungen zu den verschiedenen Arten der Energiezufuhr sind im Artikel Die Zellen - Struktur und funktionell. Letzter Eintrag am Jun 2010, 2018 um 11:36 Uhr.

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Metabolismus und Energieproduktion des Muskelgewebes

Die Blutgefässe, die Kohlehydrate, Fette und Proteine1 liefern, sind für die Energieversorgung der Muskeln verantwortlich. In den Nährstoffen des Blutes steckt zwar viel Strom, dieser ist aber auf chemischem Wege eingebunden und steht den Muskeln nicht unmittelbar zur Verfügun. Kohlehydrate werden als Glycogen (Speicherform der Glukose) in den Muskeln und in geringem Maße auch in der Haut gelagert.

Je nach Trainings- und Ernährungszustand können bis zu 500 g Glycogen in den Muskeln gelagert werden, was ca. 2000 Kalorien pro Tag ausmacht. Diese Verbrennungsenergie wird in einem speziellen Moleküle, dem Adenosintriphosphat (ATP), zwischengespeichert. Es gibt zwei Formen der Energieversorgung: Die Energieversorgung erfolgt aerob (oxidativ) in den Mitochondrien und formt ATP mit Hilfe von Luftsauerstoff.

Es wird durch die komplette Glucose- und Fettverbrennung erreicht. Glucose wird durch Glycogenabbau (Glykolyse), Fett (Fettsäuren) durch Fettabbau bereitgestellt. Sowohl Glucose als auch Fett (durch Beta-Oxidation) werden komplett zu Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff (H2O) verheizt. Im Cytosol (Zellplasma) geschieht die Energiezufuhr anaerob. Dabei werden die eingelagerten hochenergetischen Phospate ATP und Creatinphosphat zersetzt ( "anaerob-alaktische Energieversorgung") und Glucose zu Lactase ("Milchsäure") - also lückenhaft (anaerob-milchsaure Energieversorgung) - zersetzt.

Der Energiedurchsatz (Energiefluss, ATP-Bildung pro Zeiteinheit) ist im anaerob-alaktischen System am höchsten und sinkt bei anaerober Glycolyse, aerober Glucoseverbrennung und Fettabbau um etwa die Hälfte. 2. Im Gegenzug steigt der Energieinhalt (und damit die eventuelle Belastungsdauer) in der gleichen Zeitfolge. Welcher Energieträger eingesetzt wird und in welchem Umfang, ist abhängig davon, wie viel und wie lange im Körper zur Verfügung stünde.

Die Lastintensität entscheidet in erster Linie über die jeweilige Energiezufuhr und nicht über die Lastdauer. Während der Kontraktion wird das ATP mit Unterstützung der Myosin-ATPase in Adenosindiphosphat (ADP) und einen (anorganischen) Phosphat-Rest P zersetzt. Das dadurch entstehende Zerfallsprodukt ADP und P stimuliert die Respiration bis zu 100 Mal und sorgt so für eine hohe Aktivität der für den Stoffwechsel der Muskeln zuständigen Funktionskreisläufe.

Die auch in der Muskelzelle gespeicherte Creatinphosphat ( "KP") bildet für kurze Zeit ADP aus ADP und P (Resynthese von ATP). Diese Energieproduktionsphase wird als anaerobe Altsäure bezeichnet, da kein Luftsauerstoff benötigt wird und keine signifikante Mengen an Milchsäuren (Laktat) als metabolisches Endprodukt produziert werden6.

Die Energiezufuhr der anaerob-alaktischen Säure ist für die maximale und schnelle Kraft und Geschwindigkeit mitentscheidend. Während der Kontraktion wird das ATP mit Unterstützung der Myosin-ATPase in Adenosindiphosphat (ADP) und einen (anorganischen) Phosphat-Rest P zersetzt. Das dadurch entstehende Zerfallsprodukt ADP und P stimuliert die Respiration bis zu 100 Mal und sorgt so für eine hohe Aktivität der für den Stoffwechsel der Muskeln zuständigen Funktionskreisläufe.

Die auch in der Muskelzelle gespeicherte Creatinphosphat ( "KP") bildet für kurze Zeit ADP aus ADP und P (Resynthese von ATP). Die ATP-Versorgung in der Muskelzelle ist sehr gering (ca. 2 kcal), liegt bei ca. 6 mmol pro Kilogramm feuchtem Muskelgewicht und dauert bei maximalem Muskelaufbau einige Bruchteile einer Sekunde.

Für die weitere Arbeit der Muskulatur wird das ATP mit höchster Schnelligkeit (maximale Energieflussdichte) durch den Creatinphosphatspeicher (KP-Speicher) wiederbefüllt. Durch die unmittelbare Neusynthese des ATP wird eine Gesamtverarbeitungszeit durch die hochenergetischen Leuchtstoffe (ATP, KP) von 6 bis 10, max. 15 Sek. erreicht. Diese Energieproduktionsphase wird als anaerobe Altsäure bezeichnet, da kein Luftsauerstoff benötigt wird und keine signifikante Mengen an Milchsäuren (Laktat) als metabolisches Endprodukt produziert werden6.

Die Energiezufuhr der anaerob-alaktischen Säure ist ausschlaggebend für die maximale und schnelle Kraft sowie für die Geschwindigkeit. Schon bevor die Reserven an hochenergetischen Phosphaten aufgebraucht sind, setzt der Körper auf die nächste schnelle Art des Energie-Stoffwechsels, die anaerob-laktaktische Energieversorgung durch den Zerfall von Glucose oder Glycogen (anaerobe Glykolyse). Intrazelluläres Glycogen ist als Energiequelle vorteilhafter, da es nicht erst über die Blutbahn zugeführt werden muss und mehr ATP produziert.

Der anaerobe Milchsäure-Energieeintrag findet im Sarcoplasma statt und wird nur wenige Augenblicke nach dem Start der intensiven Muskeltätigkeit verwendet, wenn nicht genügend Luftsauerstoff zur VerfÃ?gung steht. Der anaerobe Laktat-Energiestoffwechsel wird bei Anstrengung mit einer Stressdauer von etwa einer Stunde ausgelastet. Bei einem maximalen Energieanteil von 70 % der gesamten Energieproduktion wird etwa 45 sek. nach Eintritt starker körperlicher Aktivität ein Spitzenwert in der Energieerzeugung erzielt.

Wenn die Expositionszeit mehr als eine Minute beträgt, spielt die Erzeugung aerober Energie in den Zellmembranen eine immer größere Spenderrolle. Bei ausreichender Sauerstoffzufuhr kann die Glucose komplett zersetzt werden. Der Prozess benötigt zwar wesentlich mehr Zeit, aber die Ausbeute ist höher: Aus einem Zucker-Molekül (Glukose) werden 30 Moleküle ATP hergestellt.

Von Glycogen (Speicherform der Glykose) werden bis zu 38 Moleküle ATP erhalten. Im Ausdauersport, wo es auf eine optimale Sauerstoffversorgung ankommt, ist die Aerobic-Energieversorgung wichtig. Intensive Ausdauer verbrennt die Glucose teilweise lückenhaft, da auch die Anaerobie beteiligt ist. Neben Glucose, Fetten (in Gestalt von kostenlosen Fettsäuren) und in speziellen Notsituationen (z.B. bei extremen Langzeitstress) werden auch Proteine (in Gestalt von Aminosäuren) im Aerobic-Prozess gebrannt und zur Energiegewinnung genutzt.

Als Energieträger werden immer sowohl Kohlehydrate als auch Fett verwendet. Kohlehydrate und Fett formen das Acetylcoenzym A (Acetyl-CoA), das in den Citratzyklus übergeht, wo es einen reibungslosen Wechsel in der proportionalen Energiezufuhr gibt, der hauptsächlich vom Training abhängig ist. Mit sehr intensivem aerobem Bedarf wird fast ausschliesslich Glycogen (oder Glucose) gebrannt, und um so mehr Speisefettsäuren bei ausgedehnter, längerer Exposition.

Proportionale Muskel-Energiezufuhr (Durchschnittswerte in Prozent): Die bedeutendsten Energieträger für die Muskelzelle sind: Fette, die etwas mehr als ein drittel der gesamten Lebensenergie bereitstellen. Im Ruhezustand wird der Energieverbrauch überwiegend durch Kohlenhydrate und Fette gedeckt. Hochintensive Ladungen werden ausschliesslich durch Verbrennen von intrazellulärem Glycogen und mittelgrosse Ladungen von langer Zeit mit Kohlenhydraten oder Fett überdeckt.

Eiweiß spielt dagegen keine spezielle Funktion im Energiehaushalt, ihre Wichtigkeit ist eher der Aufbaustoffwechsel. Sämtliche Nährstoffe - Fette, Eiweiß und Kohlenhydrate - gelangen schließlich bei der Oxidation in den Citratkreislauf. Dabei werden die H+-Ionen durch die Fermente der Atemkette in Gegenwart von Luftsauerstoff unter Bildung von Kohlenstoffdioxid (ATP), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasserstoff (H2O) oxidiert.

Im Mitochondrium, den "Kraftwerken" der Muskelzelle, liegen die Fermente des Citratzyklus und der Respirationskette. 1] Die Proteine werden nur im Ernstfall, d.h. bei Appetit losigkeit oder starker physischer Beanspruchung, zur Energiegewinnung verwendet, da sich der Organismus in diesem Falle selbst verbraucht. Die Energieversorgung für die Ausdauerleistung ist von besonderem Interesse.

2] Auch in der Ruhephase verzehren wir nahezu ausschliesslich Fette in unseren Muskel. 3] Allerdings wird bei der Arbeit mit den Muskelgruppen nur etwa ein Viertel der umgewandelten Energien in mechanischer Form wiederverwendet. 4] Jogging zum Beispiel hat eine geringe Stressintensität und meint damit eine energetische Versorgung, insbesondere durch Fatburning - unabhängig davon, ob jemand fünf- oder zweistündig rüttelt.

5] Seit einigen Jahren wird Kreatin in hohen Dosen in Kraft- und Sprint-Sportarten zur Steigerung der Muskelkreatinphosphatspeicher und damit der Leistungsfähigkeit einnehmen. 7] Gleichzeitig werden 2 Mol Lactat produziert. 8] Lactat wird zwar noch als Lactat produziert, aber in seiner dissoziierten Ausprägung ( "Milchsäure" ist Lactat plus positive Wasserstoffionen).

Lactat und H-Atome (positivgeladene Wasserstoff-Ionen ) werden zu je einem Drittel gebildet, die Protonenbildung ist für die Acidose mitverantwortlich. Lactat als Milchsäureanion kann der Muskelazidose entgegen wirken, da die Umsetzung von Brenztraubensäure in Lactat durch Lactatdehydrogenase (LDH) einen Teil der bei der Umsetzung von Glucose in Brenztraubensäure freigesetzten Proteine einnimmt.

Lactat fungiert in diesem Falle als Buffer. Die Glycolyse bewirkt mit steigender Stressintensität (und damit Energiefluss) eine erhöhte ATP Hydrolyse und eine erhöhte Protonenabgabe im Cytosol (Zellplasma) der Muskelzelle. Eine gesteigerte Laktatbildung ist daher die Konsequenz und nicht die eigentliche Grundursache der Stoffwechselazidose - und das ist ein guter Indikator für den geänderten Zellmetabolismus, der zur Übersäuerung führen kann (aber nicht dafür zuständig ist).

9] In diesem Falle ist die Belichtungszeit für die reine Alaktsäure-Energieerzeugung zu lang, für die Verbrennung von aerober Glukose zu kurz und die Belichtungsintensität zu hoch. Sie erlauben eine im Prinzip aerobes Arbeiten für höchstens 10 Sek.; - gelösten Luftsauerstoff in der Gewebeflüssigkeit; - Regenerierung von Arterien-, Kapillar- und Venenblut zur Normalversorgung mit Luftsauerstoff; - erhöhter Luftsauerstoffbedarf der Herz-, Arbeits- und Atemmuskulatur; und - erhöhter Luftsauerstoffbedarf der Gewebestrukturen infolge einer gesteigerten Katecholaminspiegel (eine erhöhte Adrenalinorientierung bewirkt einen Anstieg der oxidativen Prozesse).

12] Es gibt auch unterschiedliche Energieerträge: Der Heizwert von Fetten liegt bei 9,3 kcal/g, der von Kohlenhydraten (und Eiweiß) bei 4,1kcal/g. Dieser anaerobische Schwellenwert (auch: aerob-anaerober Schwellenwert oder Dauerleistungsgrenze) korrespondiert mit der jeweils höchstmöglichen und über einen langen Zeitabschnitt zu haltenden Energie. 15] Die Energieproduktion erfolgt anaerob und aerob über den selben Weg zu Branntwein (Brenztraubensäure).

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