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| Verfasst am: FTW @ 14.08.07 | 16:53 |
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 Von: Derek Beast Charlebois, übersetzt von bulkolly
Originalartikel auf: http://www.bodybuilding.com/fun/beast8.htm
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Um Arbeit verrichten zu können benötigen wir Energie. Die Energie, die wir verwenden um Aktionen wie Sprints, einen 5000 Meter Lauf oder Tippen auf der Tastatur auszuführen, wird durch den Transfer chemischer Energie zur Verfügung gestellt. Die kontraktilen Proteine der Skelettmuskulatur sind die wichtigsten Orte für den Energietransfer im Körper.
Die Effizienz und Kapazität der persönlichen Fähigkeit zur Extraktion von Energie aus gespeicherten Nährstoffen (wie zum Beispiel Glykogen) und zum Transfer dieser Energie in die Skelettmuskulatur bestimmen die Trainingsleistung. Wenn das Training oder eine beliebige andere Art der Arbeit zunimmt, dann steigt auch die Rate des Energietransfers. Wenn man die Bedingungen oder Trainingsstimuli, welche den Bedarf für einen Energietransfer bewirken, versteht, dann ist es möglich das eigene Training so zu strukturieren, dass man die eigenen Ziele leichter erreichen kann.
Das erste Gesetz der Thermodynamik
Das erste Gesetz der Thermodynamik besagt, dass Energie weder erzeugt noch zerstört werden kann. Es ist lediglich möglich Energie von einer Quelle zu einer anderen zu übertragen. Demnach erzeugt der Körper weder Energie noch verbraucht er diese. Auch der Körper wandelt Energie lediglich von einer Quelle in eine andere um. Dies beschreibt das Prinzip der Umwandlung von Energie.
Energie ist innerhalb der Bindungen von Molekülen als chemische Energie gespeichert. Diese chemische Energie wird in der Skelettmuskulatur in mechanische Energie umgewandelt.
Potentielle vs. Kinetische Energie
Potentielle Energie kann man auch als gespeicherte Energie beschreiben. Eines der beliebtesten Beispiele für potentielle Energie ist ein Wasserfall. Das Wasser im oberen Bereich des Wasserfalls besitzt das Potential Energie freizusetzen.
Je höher der Wasserfall, desto größer ist die potentielle Energie des Wassers oben. Wenn man ein Wasserrad am unteren Ende des Wasserfalls platziert und das Wasser von oben herab auf dieses Wasserrad fällt, dann wird die potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt. Kinetische Energie wird oft auch als Energie der Bewegung bezeichnet.
Das Wasser fällt also auf das Wasserrad, dreht dieses und generiert Energie. Wenn das Wasser das Wasserrad trifft, wird die kinetische Energie in Form von Wärme freigesetzt. Diese Freisetzung von Wärme ist ein exergoner Prozess.
Exergon vs. Endergon
Ein exergoner Prozess ist ein Prozess, der in einer Energiefreisetzung in die Umgebung resultiert, wie das von der Klippe herab fallende Wasser des Wasserfalls. Ein endergoner Prozess ist ein Prozess, der Energie speichert oder absorbiert, wie z.B. das Wasser, das sich am oberen Ende des Wasserfalls befindet. Exergone und endergone Reaktionen arbeiten zusammen um innerhalb des Körpers Energie zu transferieren.
Die Makronährstoffe Kohlenhydrate, Protein und Fett entsprechen dem Wasser am oberen Ende des Wasserfalls. Die in den Makronährstoffen gebundene Energie kann freigesetzt und von anderen Substanzen des Körpers absorbiert werden, wodurch die potentielle Energie dieser Substanzen erhöht wird. Die wichtigste Verbindung an die Energie transferiert wird, ist Adenosin Triphosphat (ATP).
Adenosin Triphosphat
Der Körper benötigt eine kontinuierliche Zufuhr von Energie. Alle Prozesse des Körpers, die Energie benötigen, verwenden die in den Bindungen von Adenosin Triphosphat (ATP) gespeicherte Energie. Da alle Formen der biologischen Arbeit die Energie des ATP benutzen, ist ATP die „Energiewährung“ des Körpers.
Man kann eine Waschmaschine in einem Waschsalon verwenden um den Ausdruck „Energiewährung“ zu illustrieren. Diese Waschmaschinen akzeptieren nur viertel Dollar Stücke. Man kann alle anderen Münzen einwerfen, doch die Waschmaschine wird nur dann laufen, wenn die richtige Menge an Vierteldollarstücken eingeworfen wurde. Der Körper funktioniert ähnlich, indem er nur ATP als Energie „akzeptiert“. Die Potentielle Energie der Nahrung, die wir zu uns genommen haben, ist nun in den Bindungen der ATP Moleküle gespeichert. Diese Bindungen werden dann aufgebrochen, damit Arbeit verrichtet werden kann.
Das ATP Molekül wird auch als „hochenergetisches Phosphat“ bezeichnet, welches aus Adenin und Ribose (Adenosin) besteht, welche an drei Phosphate (Pi- Phosphor und Sauerstoff) gebunden sind. Die im ATP gespeicherte Energie befindet sich in den zwei äußersten Phosphatbindungen. Diese äußersten Bindungen werden auch als „hochenergetische Bindungen“ bezeichnet.
Wenn sich Wasser mit ATP verbindet und das Enzym ATPase als Katalysator wirkt, wird die äußerste Phosphatbindung gespalten, wodurch Adenosin Diphosphat (ADP) und ein Phosphation sowie 7,3 kcal freier Energie, welche für physikalische Arbeit verwendet werden kann, entstehen.
Diese Reaktion kann noch einmal wiederholt werden wenn sich Wasser mit ADP verbindet, wobei Adenosin Monophosphat (AMP) und ein weiteres Phosphation entstehen und weitere 7,3 kcal freigesetzt werden. Diese freigesetzte Energie wird in anderen Molekülen, wie z.B. denen in der Skelettmuskulatur, verwendet um Arbeit zu verrichten.
Durch die Oxidation (Verbrennung) gespeicherter Nährstoffe wie z.B. Glykogen können die Bindungen zwischen AMP oder ADP und den Phosphationen wieder hergestellt werden, wodurch wieder ATP entsteht. Der Körper ist dazu in der Lage einen stabilen Vorrat von ATP aufrecht zu erhalten, indem er unterschiedliche Pfadwege verwendet: Phosphokreatin, Glykolyse und oxidative Phosphorylisierung.
Phosphokreatin
Das Phosphokreatin System ist ein anaerobes (es benötigt keinen Sauerstoff), alaktisches (es produziert keine Milchsäure (Laktat)) System, welches die ATP Spiegel schnell wiederherstellt. Es wird durch das Enzym Kreatinkinase bei der Reaktion katalysiert:
ADP + PCr + H+ <ATP> 2 Laktat- + 2 H+ + 2 ATP
Die freie Energie, die bei der Konvertierung von Glukose in Laktat freigesetzt wird, ermöglicht es den zwei Phosphationen sich mit den beiden ADP Molekülen zu verbinden, wodurch zwei ATP Moleküle entstehen. Man sollte sich daran erinnern, dass Energie nicht erzeugt oder zerstört, sondern nur zwischen zwei Quellen transferiert werden kann. Da der Körper nur ATP als seine „Energiewährung verwenden kann, muss ATP für die Verwendung wiederhergestellt werden. Man sollte auch beachten, dass Sauerstoff an dieser Reaktion nicht direkt beteiligt ist. Die Glykolyse ist wie auch schon das Phosphokreatinsystem ein anaerober Pfadweg, doch die Glykolyse kann auch aerob ablaufen.
Während des zehnten Schrittes (der vorletzte Schritt) der Glykolyse wird Pyruvat (zwei pro Glukosemolekül) produziert. Der letzte Schritt besteht aus der Reduktion von Pyruvat zu Laktat. Wenn ausreichend Sauerstoff vorhanden ist, kann dieses Pyruvat in die Mitochondrien gelangen, wo es komplett abgebaut wird. Die vollständige Oxidation von Pyruvat in den Mitochondrien produziert 12 ATP Moleküle.
Wenn man sich die glykolytische Reaktion ansieht erkennt man, dass H+ (Wasserstoffion) ein Endprodukt dieser Reaktion ist. Eine Ansammlung von Wasserstoffionen verursacht eine Übersäuerung des Muskels. Diese Übersäuerung ist für das brennende Gefühl in der Muskulatur während des Trainings verantwortlich und kann die Kraftfreisetzung durch den Muskel reduzieren. Die Glykolyse unterstützt Tätigkeiten, die bis zu 90 Sekunden andauern.
Oxidative Phosphorylisierung
Die oxidative Phosphorylisierung ist ein aerobes Energiesystem, was bedeutet, dass Sauerstoff benötigt wird und zellulare oxidative - reduktive Reaktionen involviert sind. Wenn ein Molekül ein Elektron von einem Elektronendonator akzeptier wird es reduziert. Das Molekül, welches das Elektron verliert, wird oxidiert.
Durch diesen Pfadweg wird ATP synthetisiert indem Elektronen von NADH und FADH2 zum Sauerstoff transferiert werden. NADH ist Nicotinamid Adenine Dinukleotid (NAD+), welches zwei Elektronen und eine Bindung mit einem Wasserstoffion hinzugewonnen hat (ein weiteres H+ taucht in der Zellflüssigkeit auf). FADH2 ist Flavin Adenin Dinukleotid (FAD), welches zwei Elektronen hinzugewonnen hat und an zwei Wasserstoffione gebunden ist (es akzeptiert beide H+ Ione). NAD+ und FAD sind Elektronenakzeptoren zur Oxidierung von Nahrungsfragmenten und dienen als Transporter für diese Elektronen.
Diese Elektronen werden zur Atmungskette transportiert, um Sauerstoff in der folgenden Reaktion zu reduzieren:
NADH + H+ + 3 ADP + 3 Pi + 1/2 O2 --> NAD+ + H2O + 3 ATP
Diese Reaktion mag verwirrend erscheinen, doch sie zeigt nur den Transfer von Phosphaten und Elektronen um ATP zu formen. Für jedes NADH und H+, werden drei ATP Moleküle gebildet. Aus dem FADH2 werden nur zwei ATP Moleküle gebildet.
Die Kapazität des Pfadweges der oxidativen Phosphorylisierung wird durch die Verfügbarkeit von NADH und FADH2, Sauerstoff und die Enzymkonzentration bestimmt. Wenn zum Beispiel die Sauerstoffaufnahme während des Trainings beeinträchtigt ist, kann die Atmungskette keine Elektronen transferieren und die Spiegel an NADH und FADH2 steigen. Aufgrund dieses Sauerstoffbedarfs ist die oxidative Phosphorylisierung für lange Ausdaueraktivitäten unerlässlich.
Energiefreisetzung aus der Nahrung
Die aus der Nahrung feigesetzte Energie wird verwendet um ATP wiederherzustellen. Dies geschieht in drei Stufen:
1. Die Verdauung von Kohlenhydraten, Proteinen und Fetten Absorption der Untereinheiten Glukose, Aminosäuren, Fettsäuren und Glyzerin Aufnahme dieser Nährstoffe
2. Der Abbau dieser Untereinheiten in acetyl-CoA.
3. Die Oxidation von acetyl-CoA zu CO2 und H2O und die Produktion von ATP.
Diese Makronährstoff Energiequellen umfassen:
• Glukose (aus der Leber und in Form von Muskelglykogen)
• Triglyzeride (in den Muskelzellen)
• Fettsäuren (aus den Adipozyten (Fettzellen) und der Leber)
• Kohlenstoffskelette von Aminosäuren
Dieser Artikel dient dazu ein grundlegendes Verständnis dafür zu vermitteln, wie die Körperprozesse Energie “produzieren”. Wenn man diesen Artikel verstanden hat, dann wird es möglich komplexere Themen zu verstehen.
Referenzen:
1. Houston, Michael (2001). Biochemistry Primer for Exercise Science (2nd Ed.). Illinois: Human Kinetics
2. Katch, Frank. Katch, Victor, McArdle, William (2001). Exercise Physiology: Energy, Nutrition, and Human Performance (5th Ed.). Maryland: Lippincott William and Wilkins.
3. Widmaier, Eric. Raff, Hershal, Kevin, Strange (2004). Human Physiology: The Mechanisms of Body Function (9th Ed.) Boston: Mcgraw Hill.
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