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Grundlagen der Sportphysiologie

Wenn du gesünder leben, leistungsfähiger werden oder besser aussehen möchtest, sind Bewegung, Ernährung und Regeneration wohl die wichtigsten Komponenten – das weiß jeder. Aber warum das so ist und welche Prozesse dabei im Körper ablaufen, erfährst du in diesem Überblick über Anatomie und Sportphysiologie.

Muskeln und Knochen Oberkörper

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Knochen und Gelenke – Das Gerüst des Körpers

Das Gerüst unseres Körpers besteht aus Knochen und Gelenken. Sie bilden den passiven Teil des Bewegungsapparates. Unser Skelett besteht aus über 200 Einzelknochen und übernimmt folgende Aufgaben:

  • den Körper stützen
  • innere Organe schützen
  • Bewegung im Zusammenspiel mit Gelenken und Muskeln ermöglichen

Unsere Knochen passen sich an Belastungen an. Sie werden dicker, länger oder erhöhen ihre Dichte. Damit sind sie für kommende Beanspruchungen besser gewappnet.

Gelenke verbinden die Knochen und Knorpel des Skeletts. Sie ermöglichen Bewegungen und übertragen Kräfte vom einen auf den anderen Knochen. Es gibt unterschiedliche Formen von Gelenken, die unterschiedliche Bewegungen ermöglichen. Beispielsweise ermöglichen Kugelgelenke (Schulter, Hüfte) Bewegungen in alle Richtungen. Scharniergelenke (Ellenbogen, Knie) hingegen gewähren lediglich die Beugung und Streckung in zwei Richtungen.

Kniegelenke Röntgenbild

Muskeln und Sehnen – So kommt Bewegung zustande

Deine Knochen bewegen sich nicht von allein. Dafür benötigst du Muskeln und deren Hilfsorgane. Wir unterscheiden grundsätzlich drei Arten von Muskeln:

  1. Glatte Muskulatur: Diese liegt beispielsweise im Magen oder in der Blase und du kannst sie nicht willentlich steuern.
  2. Herzmuskulatur: Diese kontrahiert rhythmisch und du kannst sie ebenfalls nicht gezielt steuern.
  3. Skelettmuskulatur: Diese quergestreiften Muskeln kannst du willentlich bewegen und spielen deshalb für deine Kraftentwicklung die wesentliche Rolle.

Ein Skelettmuskel besteht in der Regel aus dem Muskelbauch und Sehnen. Über die Sehnen ist der Muskel mit deinen Knochen verbunden. Sie bilden gemeinsam den aktiven Part deines Bewegungsapparates.

Der Skelettmuskel ist umgeben von einer Muskelbinde (Faszie) und besteht aus Muskelbündeln. Diese wiederum setzen sich aus mehreren Muskelfasern zusammen. In den Muskelfasern liegen die Myofibrillen. Der kleinste Abschnitt der Myofibrillen heißt Sarkomer. Dieses enthält die Elemente, die das Zusammenziehen des Muskels letztendlich ermöglichen: Aktin und Myosin.

Sendet dein Gehirn einen Nervenimpuls an deinen Muskel, ziehen sich die Sarkomere teleskopartig zusammen. Dadurch baust du Spannung auf und bewegst deine Körperteile.

Anatomie des Skelettmuskels

Anatomie des Skelettmuskels [#107548017 © tigatelu – stock.adobe.com]

Das zentrale Nervensystem (ZNS) – Steuerzentrale des Körpers

Das zentrale Nervensystem – auch ZNS abgekürzt – besteht aus Gehirn und Rückenmark. Da es das wohl wichtigste Organ gemeinsam mit dem Herzen ist, wird es gut vom Schädelknochen geschützt. Vom Gehirn aus laufen die Nervenstränge im Rückenmark geschützt von der Wirbelsäule zum Rest des Körpers.

Sogenannte motorische Zentren planen und programmieren Bewegungen. Außerdem koordinieren sie Muskelgruppen bei der Bewegungsausführung.

Gewisse Bewegungsmuster laufen irgendwann automatisiert ab, weil das Nervensystem einen dynamischen Stereotyp gebildet hat. Aber auch Reflexe gehen ohne Nachdenken vom Rückenmark aus. Ein Beispiel dafür ist das Wegziehen der Hand, wenn du auf eine heiße Herdplatte fass.,

Die Versorgungssysteme des Körpers – wie beispielsweise das Atmungssystem oder das Herzkreislaufsystem – steuerst du nicht selbst. Diese Funktionen übernimmt das vegetative Nervensystem von allein.

Nervensystem

Energiestoffwechsel und Energiebereitstellung

Wenn ein Impuls durch das ZNS beim Muskel ankommt, braucht dieser noch Energie, um den Impuls in Bewegung umzusetzen.

Energie durch ATP – Ein wenig Chemieunterricht

Die mechanische Energie entsteht durch Aufspaltung von ATP (Adenosintriphosphat) in ADP (Adenosindiphosphat) und Phosphat. Es handelt sich um eine Umwandlung von chemischer in mechanische Energie.

ATP ist die direkt verfügbare Energiequelle, die im Muskel vorliegt. Dieses ist nur in geringen Mengen vorhanden und liefert Energie für nur 1-2 Sekunden. Danach muss das ATP sofort wiederhergestellt werden, um wieder Energie liefern zu können. Den Prozess der Wiederherstellung nennt man ATP-Resynthese.

ATP-Herstellung durch Energieträger

ATP entsteht aus ADP und der Verbrennung bzw. dem Abbau eines Energieträgers. Der nächstschnellste verfügbare Energieträger ist Kreatinphosphat (KrP). Aber auch dieses ist nur in geringen Mengen verfügbar, sodass Leistung für kurze Zeit – in etwa 10 Sekunden – möglich ist.

Die eigentlichen Energiespeicher für die Resynthese sind Kohlenhydrate (Glukose bzw. Glykogen) und Fett (Fettsäuren).

Glykogen wird in der Muskulatur sowie in der Leber gespeichert und die Fettsäuren in den Fettdepots des Körpers. Je nachdem, wie schnell die Energie benötigt wird, wird der Glykogen- oder der Fettspeicher angezapft. Auch Mischformen sind möglich. Die Intensität der Belastung bestimmt also hauptsächlich über den auserkorenen Energiespeicher.

Benötigt der Muskel aufgrund intensiver Belastung einen hohen Energiefluss, wird der Glykogenspeicher beansprucht. Dieser ermöglicht intensive Leistungen für etwa 60 bis 90 Minuten. Ist der Glykogenspeicher geleert, greift unser Körper auf die Fette zurück. Das reduziert die Leistungsfähigkeit jedoch stark. Das liegt daran, dass Fett nur sehr langsam zur ATP-Resynthese beiträgt. Dafür kann der Körper – je nachdem, wie viel Fett eingelagert wurde – tagelang von dieser Quelle zehren.

Bei moderaten Arbeiten wie langsamem Laufen kann der Körper bereits ab der ersten Minute auf die Fettdepots zurückgreifen. Der Körper möchte den Glykogenspeicher für Notfälle gerne aufrechterhalten.

Aerober versus anaerober Energiestoffwechsel

Wir unterscheiden prinzipiell zwei Mechanismen der Energiebereitstellung, nämlich aeroben und anaeroben Energiestoffwechsel.

Aerobe Energiebereitstellung bedeutet die Bildung von ATP unter Verbrauch von Sauerstoff. Dabei werden Kohlenhydrate und/oder Fette vollständig verbrannt. Diese Art der Energiebereitstellung wird im Ausdauersport benötigt.

Anaerobe Energiebereitstellung findet schnell und ohne den Verbrauch von Sauerstoff statt. Entweder werden ATP oder Kreatinphosphat gespaltet (schnellste Energiebereitstellung) oder Glukose (Glykogen) unvollständig abgebaut. Bei Letzterem entsteht auch das bekannte Laktat (Milchsäure).

Energiebereitstellung

Die Reihenfolge bezogen auf den höchsten Energiefluss lautet:

  1. ATP oder KrP-Spaltung
  2. Anaerober Glukoseabbau
  3. Aerobe Glukoseverbrennung
  4. (Aerobe) Fettverbrennung

Jetzt ist klar, wieso die Kohlenhydrate für die intensiven Belastungen im Sport von so hoher Bedeutung sind.

Das Herz-Kreislauf-System – Transportsystem des Körpers

Das Herz-Kreislauf-System – auch Blutkreislauf genannt – ist das Transportsystem des Körpers. Es sorgt dafür, dass wichtige Stoffe in die entsprechenden Körperteile geleitet werden. Außerdem sorgt es für den Abtransport von Abfallstoffen.

Körperkreislauf und Lungenkreislauf

Das Herz-Kreislauf-System besteht aus dem großen Körperkreislauf und dem kleinen Lungenkreislauf.

Im Lungenkreislauf wird Sauerstoff durch die Lunge im Blut angereichert und zum Herzen transportiert. Gleichzeitig wird Kohlendioxid im Blut zur Lunge transportiert und dort ausgeatmet.

Im großen Körperkreislauf führt das Herz Sauerstoff und Nährstoffe durch die Aorta in die Arterien. Von dort geht es weiter bis in andere Organe und Muskeln. Dort werden auch Kohlendioxid sowie Abfallstoffe und Stoffwechselprodukte aufgenommen und über die Venen zurück ins Herz transportiert. Das Herz kann sich wechselnden Bedingungen anpassen, indem es die Pumpmenge und Herzschläge pro Minute reguliert.

Das Herz ist ein Muskel und wie jeder andere Muskel lässt es sich auch trainieren. Durch Ausdauertraining kannst du den Herzmuskel stärken und dadurch das Pumpvolumen steigern. Dein Herz kann deinen Körper dann effizienter mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgen.

Physiologie Blutkreislauf

A-kreislauf01.jpg: Jörg Rittmeisterderivative work: Vezixig, Anka Friedrich, CC BY-SA 2.5 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5>, via Wikimedia Commons

Aufgaben des Blutes

Die Aufgaben des Blutes sind sehr vielfältig und überlebensnotwendig:

  • Blut transportiert die Nährstoffe Fett, Eiweiß und Kohlenhydrate aus dem Verdauungstrakt hin zum Bestimmungsort.
  • Blut bringt Stoffwechsel- und Abfallprodukte fort.
  • Blut befördert Hormone und Botenstoffe, um wichtige Informationen zu übermitteln.
  • Sauerstoff wird transportiert.
  • Blut verteilt die Wärme im Körper gleichmäßig.
  • Zellen im Blut wehren Krankheitserreger ab.
  • Blut sorgt durch die Gerinnungsfunktion für den Wundverschluss.

Hormone – die Botschafter des Körpers

Hormone sind chemische Botenstoffe, die über den Blutkreislauf Informationen an Organe oder Gewebe senden. Sie werden in spezialisierten Drüsen gebildet, wie zum Beispiel:

  • Hypophyse
  • Schilddrüse
  • Bauchspeicheldrüse
  • Keimdrüsen (Eierstöcke und Hoden)

Hormone regulieren viele Vorgänge wie Stoffwechsel, Atmung, Blutdruck, Körpertemperatur und viele mehr. Die bekanntesten Vertreter der Hormone sind

  • Adrenalin (Blutdruck steigern)
  • Insulin (Blutzuckerspiegel senken)
  • Kortisol (Auswirkungen auf Kohlenhydrat-, Fett- und Eiweißstoffwechsel)
  • Östrogen (steuert z.B. Menstruationszyklus)
  • Testosteron („männliches Geschlechtshormon“, unter anderem Muskelaufbau)

Störungen bei der Hormonproduktion können weitreichende Folgen für den Körper haben. Ein Insulin-Mangel kann zu Diabetes Typ 1 führen. Eine Schilddrüsenunterfunktion ruft Gewichtszunahme und Müdigkeit hervor. Eine Überfunktion der Schilddrüse kann zu Gewichtsabnahme und Schlafstörungen führen. Bei einem zu geringen Testosteronspiegel kann die Fähigkeit des Muskelaufbaus gestört sein.

Eine Blutuntersuchung beim Arzt kann Aufschluss darüber geben, ob Störungen im Hormonhaushalt vorliegen.

Muskelveränderungen – Muskelaufbau und Muskelaufbau

Der menschliche Körper hat sich im Laufe der Evolution zu einem effizienten Lebenserhaltungssystem entwickelt. Wenn er merkt, dass wir zusätzliche Kraft gar nicht benötigen, baut er die „unnötige“ Muskulatur ab. Diesen Vorgang nennen wir Muskelschwund oder Muskelatrophie. Es geht aber auch in die andere Richtung.

Muskelaufbau – Reaktion auf erhöhte Belastungen

Regelmäßige Beanspruchung des Muskels hingegen bewirkt einen Wachstumsreiz. Das hat die Vergrößerung des Querschnitts zufolge und wir sprechen von Muskelwachstum oder auch Muskelhypertrophie. Eine gezielte Zunahme der Anzahl der Fasern (Hyperplasie genannt) ist in der Forschung umstritten und eher nicht möglich.

Hypertrophie ist die Antwort des Körpers auf eine erhöhte Belastung und entsteht durch kleine Risse (Mikrorisse) in den Muskelfasern beim Krafttraining. In der Regeneration nach der Belastung, werden diese Risse durch vermehrte Proteineinlagerung repariert.

Es kommt zur Querschnittvergrößerung und damit zu einer Steigerung der Leistung über das Ausgangsniveau hinaus. Man spricht hierbei von Superkompensation, also einem übermäßigen Ausgleich. Damit ist der Muskel beim nächsten Mal besser auf diese Belastung eingestellt.

Mann macht Preachercurls

Bei überschwelliger Belastung reagiert der Körper mit Muskelaufbau [#181399142 © NDABCREATIVITY – stock.adobe.com]

Muskelkater

Muskelkater entsteht nach heutigem Stand der Forschung genau durch die eben genannten Mikrorisse. Entzündungen entstehen und werden nach mehreren Stunden ausgespült – erst dann treten sie in Kontakt mit Nervenzellen des umliegenden Gewebes. Das ist der Grund, warum Muskelkater oft erst nach ein bis zwei Tagen richtig einsetzt.

Fettaufbau und Fettabbau

Fett ist nichts anderes als die Energiereserve für den Körper. Wenn wir mehr Kalorien durch die Nahrung zu uns nehmen, als wir verbrauchen, wird der Überschuss in den Fettdepots eingelagert – sozusagen für schlechte Zeiten.

Im Umkehrschluss bauen wir Körperfett zur Energiegewinnung ab, wenn wir weniger Kalorien zu uns nehmen, als wir benötigen. Unser persönlicher Kalorienbedarf ist abhängig von vielen Faktoren wie

  • Gewicht
  • Geschlecht
  • Alter
  • Aktivitätsniveau
  • Stoffwechsel
Übergewichtiger Mann Crunches

Nimmst du mehr Kalorien zu dir, als du verbrauchst, baust du Fettreserven auf [#55399041 © rangizzz – stock.adobe.com]

Der Kalorienbedarf setzt sich jedoch immer aus Grundumsatz und Leistungsumsatz zusammen. Der Grundumsatz ist der Bedarf an Kalorien, den wir zur Erhaltung aller lebenswichtigen Funktionen brauchen, ohne uns auch nur einen Schritt zu bewegen.

Der Leistungsumsatz ist der Bedarf an Kalorien, den wir für alle Tätigkeiten wie Laufen, Einkaufen oder Sport haben.

Eine sehr grobe Bestimmung des Grundumsatzes ist die Formel 24 x Körpergewicht in kg.

Für den Leistungsumsatz kommen je nach Aktivitätslevel nochmals

  • 1/3 vom Grundumsatz (Bürojob ohne Sport),
  • 2/3 vom Grundumsatz (aktive Tätigkeit wie Bauarbeiter) oder
  • der volle Grundumsatz (Marathonvorbereitung)

dazu.

Beispielrechnung: Ein 80 kg schwerer Mann hat also einen Grundumsatz von 24 x 80 = 1920 kcal. Da er nur einen Bürojob hat, sich aber fünfmal pro Woche intensiv sportlich betätigt, erhält er als Leistungsumsatz von 1920 x 2/3 = 1280 kcal hinzu. In Summe hat er also einen Bedarf von 3200 kcal, um weder Fett ab- noch aufzubauen.

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Wichtiger Hinweis:

Die hier dargestellten Informationen wurden gewissenhaft recherchiert und zusammengestellt, jedoch sind sie kein Ersatz für medizinischen Rat. Alle dargestellten Inhalte zu Ernährung, Trainingstechniken und Übungsausführungen dienen der neutralen Information und allgemeinen Weiterbildung. Vor der praktischen Anwendung  solltest du deine Tauglichkeit von einem Arzt prüfen lassen. Dies gilt besonders dann, wenn bereits Beschwerden bekannt sind.

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