Bei der Muskelkontraktion ist ATP (Adenosintriphosphat) der einzig verwertbare Energielieferant. ATP löst in diesem Zusammenhang die Verbindung von Aktin und Myosin, um eine erneute Bindung möglich zu machen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von der „Weichmacherfunktion“. Ist zu wenig ATP vorhanden, sind Aktin und Myosin dauerhaft verbunden und die Muskulatur verhärtet.
Damit der Muskel arbeiten kann, benötigt er demnach immer ausreichend ATP. Da dieses in Muskelzellen jedoch nur in geringer Konzentration vorliegt, muss es ständig neu gebildet werden. Dazu kann der Körper v.a. Kohlenhydrate und Fette verwenden. Die Energiebereitstellung kann dabei auf drei Wegen ablaufen, die je nach Belastungsintensität und -zeitraum zum Einsatz kommen. Dazu betrachten wir einfach die schrittweise Energiebereitstellung eines Muskels, der bis zur maximalen Erschöpfung beansprucht wird:
In den ersten Sekunden einer Belastung, in der der Stoffwechsel und die Sauerstoffversorgung noch nicht an die Belastung angepasst sind, muss die Energie fast ausschließlich aus den schnell verfügbaren intramuskulären Speichern des Muskels gewonnen werden. Dazu verwendet der Muskel zunächst das schon vorhandene ATP, welches je nach Belastung etwa 1-2 Sekunden ausreicht.
Außerdem ist im Muskel Kreatinphosphat gespeichert, welches sehr schnell verwendet werden kann, um aus ADP + Phosphat ATP zu resynthetisieren. Die Speicher an Kreatinphosphat reichen für etwa 4-5 Sekunden, je nach Belastungsintensität.
KrP + ADP → Kr + ATP
So wird in den ersten 6-8 Sekunden einer intensiven Belastung Energie zur Kontraktion bereitgestellt. Bei beiden Energielieferanten wird weder Sauerstoff verbraucht noch Laktat (Milchsäure) gebildet. Daher spricht man hierbei von einem anaeroben, alaktaziden Vorgang. Sind die Speicher aufgebraucht, muss die Energie auf anderem Wege bereitgestellt werden. Endet an dieser Stelle die Belastung, können Kreatinphosphat und ATP relativ schnell resynthetisiert werden. Nach 3-5 Minuten sind die Speicher wieder zu 100% gefüllt, wobei 70% schon nach etwa 30 Sekunden erreicht werden.
Beispiel: Diese Form der Energiebereitstellung spielt vor allem bei kurzen und intensiven Sportarten eine wichtige Rolle. Dazu gehören Sprint-, Sprung- oder Wurfdisziplinen der Leichtathletik.
Hält eine Belastung länger als 8 Sekunden an, muss der Körper die Energie aus anderen Quellen beziehen. Dabei schaltet er zunächst auf den Abbau von Kohlenhydraten um. Durch Glykolyse wird dabei zunächst Pyruvat gebildet, welches normalerweise unter Verbrauch von Sauerstoff in die Mitochondrien eingelagert wird. Da jedoch auch nach 8 Sekunden intensiverer Belastung der Stoffwechsel und die Sauerstoffversorgung noch nicht an die Anforderungen angepasst sind, ist nicht genug Sauerstoff vorhanden, um das Pyruvat in die Mitochondrien zu transportieren und weiter zu verwerten. Außerhalb der Mitochondrien kann Pyruvat nicht effektiv abgebaut werden, um ATP zu bilden. Der einzig mögliche Weg der Weiterverarbeitung ist die Milchsäuregärung, bei der Laktat anfällt, NAD+ aus NADH+H+ gebildet wird und nur 2 mol ATP pro mol Glucose gewonnen werden können.
Pyruvat + NADH+H+ + ADP+P → Laktat + NAD+ + ATP
Die anaerobe Glykolyse stellt eine schnelle Form der Energiebereitstellung dar. Jedoch ist die Energieausbeute im Vergleich zur aeroben Energiegewinnung deutlich niedriger. Außerdem fällt bei der Energiebereitstellung ohne Sauerstoff Laktat als Nebenprodukt an. Dies kann zur Übersäuerung des Muskels führen, wodurch die Leistungsfähigkeit herabgesetzt wird und die Belastung möglicherweise abgebrochen werden muss. Bei normal trainierten Sportlern werden Laktatwerte von ca. 7-8 mmol/l im Blut toleriert bis die Belastung abgebrochen werden muss. Durch Training kann diese Schwelle auf bis zu 25 mmol/l angehoben werden.
Dieser Prozess läuft überwiegend bei mittelfristigen Belastungen ab. Dazu zählen beispielsweise der 800m Lauf oder 200m Schwimmen.
Bei noch länger andauernden Belastungen muss gewährleistet sein, dass der Muskel nicht übersäuert und die eingesetzten Nährstoffe effektiv genutzt werden. Dazu passt sich die Sauerstoffversorgung an die Belastung an, sodass nun genug Sauerstoff vorhanden ist, um das Pyruvat aus der Glykolyse in die Mitochondrien zu transportieren. In den Mitochondrien laufen nun die weiteren Schritte der Zellatmung ab, wobei am Ende ca. 36 mol ATP pro mol Glucose resynthetisiert werden.
Dabei wird Sauerstoff verbraucht und kein Laktat gebildet. Man spricht daher von aerob-alaktazider Energiebereitstellung. Der Muskel befindet sich in dem sog. „Steady-State“. Dies ist ein Zustand, bei dem so viel Sauerstoff vorhanden ist, wie verbraucht wird. In diesem Zustand kann der Muskel über einen langen Zeitraum arbeiten.
Neben der Glykolyse, also der Energiebereitstellung aus Kohlenhydraten, werden zunehmend auch Fette zur Energiebereitstellung verwendet. Diese Fette tragen zwar erst ab etwa 30-40 Minuten signifikant zur Energiebereitstellung bei, stehen jedoch in weitaus größerer Menge als Kohlenhydrate zur Verfügung. Im Vergleich zu Kohlenhydraten benötigen Fette zur Energiebereitstellung mehr Sauerstoff und werden daher nur bei langen Belastungen mit niedriger bis mittlerer Intensität verwendet.
Die Energiebereitstellung wird oft in der Verbindung mit den Trainingsschwellen abgefragt und sollte ebenfalls reproduktiv wiedergegeben werden können. Dazu ist es nötig alle drei Bereitstellungswege zu kennen sowie die Energielieferanten, die bereitgestellte ATP-Menge und den Laktatanfall.
Aerobe Schwelle: Die aerobe Schwelle bezeichnet eine Schwelle bis zu der die Energiebreitstellung aerob abläuft, also mit Sauerstoff und ohne das Anfallen größerer Mengen von Laktat. Diese aerobe Laktatschwelle liegt im Bereich von 2mmol/l. Unterhalb dieser Schwelle ist das Angebot an Sauerstoff und dessen Verbrauch in der Muskulatur annährend gleich groß. Daher wird hier vom sogenannten Sauerstoff-Steady-State gesprochen.
Aerober-anaerober Übergangsbereich: Dieser Bereich liegt zwischen der aeroben Laktatschwelle (2mmol/l) und der anaeroben Laktatschwelle (4mmol/l). In diesem Bereich erfolgt die Energiebereitstellung sowohl mit als auch ohne Sauerstoff. Es liegt ein sogenanntes Laktat-Steady-State vor, da die Laktatakkumulation (Laktatbildung) und die Laktatelimination (Laktatabbau) etwa gleich groß sind.
Anaerobe Schwelle: Die anaerobe Schwelle gibt Auskunft darüber, bis zu welchem Punkt sich der Laktatauf- und -abbau die Waage halten. Bei Überschreiten der anaeroben Schwelle steigt der Laktatwert auch bei gleichbleibender Belastung exponentiell an und der Muskel übersäuert dementsprechend schnell, was früher oder später zu einem Belastungsabbruch führen wird. Die anaerobe Laktatschwelle liegt im Bereich von 4mmol/l.