Bioenergetik und ATP-Produktionssysteme

Die Bioenergetik ist die Lehre davon, wie Zellen chemische Energie umwandeln, um Arbeit zu verrichten. Im arbeitenden Muskel wird jede Kontraktion durch Adenosintriphosphat (ATP) ermöglicht, doch der Muskel speichert nur genug ATP für wenige Sekunden intensiver Anstrengung. Daher muss er ATP kontinuierlich über drei miteinander verbundene Systeme resynthetisieren: das Phosphagen-(ATP-PCr)-System, die anaerobe Glykolyse und die oxidative Phosphorylierung.

Definition

Die Bioenergetik der Bewegung ist die Gesamtheit der biochemischen Stoffwechselwege, über die die Skelettmuskulatur ATP resynthetisiert, um die Kontraktion anzutreiben, bestehend aus dem Phosphagensystem, der anaeroben Glykolyse und der oxidativen Phosphorylierung.

Scope

Dieses Thema behandelt ATP als Energiewährung der Zelle, die drei energieliefernden Systeme und die Zeiträume, über die jedes System dominiert, sowie deren Überlappung, um den Anforderungen von Übungen unterschiedlicher Intensität und Dauer gerecht zu werden. Es behandelt die Bioenergetik als physiologisches Fachgebiet und geht nicht auf Supplementierungsregime oder individualisierte Trainingsvorschriften ein.

Core questions

• Warum muss ATP während des Trainings kontinuierlich resynthetisiert werden, anstatt einfach gespeichert zu werden?
• Welche Rolle spielen Phosphokreatin, Glykolyse und oxidative Phosphorylierung und über welche Zeiträume?
• Wie überlappen sich die drei Energiesysteme, anstatt diskret ein- und ausgeschaltet zu werden?

Key concepts

• ATP als unmittelbare Energiewährung
• Phosphagen-(ATP-PCr)-System
• Phosphokreatin und die Kreatinkinase-Reaktion
• Anaerobe Glykolyse
• Oxidative Phosphorylierung
• Energiesystem-Kontinuum und Überlappung mit Intensität und Dauer

Mechanisms

ATP setzt nutzbare Energie frei, wenn seine terminale Phosphatbindung hydrolysiert wird, und der kleine intramuskuläre ATP-Speicher muss so schnell regeneriert werden, wie er verbraucht wird. Das Phosphagensystem bietet die schnellste Nachlieferung: Phosphokreatin spendet sein Phosphat über die Kreatinkinase-Reaktion an ADP und puffert ATP während der ersten Sekunden intensiver Anstrengung (Wyss, 2000). Bei fortgesetzter Anstrengung baut die anaerobe Glykolyse Glukose und Glykogen zu Pyruvat ab, was schnell, aber in begrenzter Menge ATP liefert und Laktat bildet, wenn ihre Rate die oxidative Kapazität übersteigt (Gladden, 2004). Für anhaltende Aktivität oxidiert die oxidative Phosphorylierung in den Mitochondrien Kohlenhydrate und Fette, um den Großteil des ATP zu produzieren, wobei die Mischung der Brennstoffe von Intensität und Dauer abhängt (Romijn, 1993). Diese Systeme arbeiten gleichzeitig und überlappen sich, anstatt diskret umzuschalten (McArdle, 2015).

Clinical relevance

Der Rahmen der Energiesysteme bildet die Grundlage dafür, wie Belastungstests und Trainingsreaktionen beschrieben und metabolische Kapazitäten in Forschung und angewandter Physiologie charakterisiert werden. Er wird hier als Referenzhintergrund dargestellt und stellt keine Empfehlung für Supplementierung, Training oder Behandlung dar.

Evidence & guidelines

Die Beschreibungen basieren auf biochemischen und physiologischen Übersichten sowie Lehrbuchsynthesen des Muskelenergiestoffwechsels und nicht auf klinischen Leitlinien; quantitative Substratdaten stammen aus Tracer- und Biopsiestudien (Romijn, 1993; Wyss, 2000).

History

Die Anerkennung von ATP als universeller Energiewährung und die Aufklärung des Kreatinkinase-Phosphagenpuffers, der Glykolyse und der oxidativen Phosphorylierung revolutionierten die Muskelphysiologie des 20. Jahrhunderts und ermöglichten es, Bewegung als eine abgestufte Rekrutierung überlappender Energiesysteme zu beschreiben (Wyss, 2000; McArdle, 2015).

Key figures

• Markus Wyss
• L. Bruce Gladden
• Edward F. Coyle

Seminal works

• wyss-2000
• gladden-2004
• romijn-1993

Frequently asked questions

Welche drei Energiesysteme werden während des Trainings genutzt?

Das Phosphagen-(ATP-PCr)-System, die anaerobe Glykolyse und die oxidative Phosphorylierung. Sie unterscheiden sich darin, wie schnell und wie viel ATP sie liefern können, und arbeiten eher zusammen als nacheinander.

Warum kann der Muskel nicht einfach das gesamte benötigte ATP speichern?

Der Muskel speichert nur genug ATP für wenige Sekunden intensiver Anstrengung, daher muss er es kontinuierlich aus Phosphokreatin, Kohlenhydraten und Fetten resynthetisieren, um die Kontraktion aufrechtzuerhalten.