Leistungsphysiologie I, II, III (H. Pagel) - Institut für Physiologie

„Heute schon `was geleistet?“Einführung in die LeistungsphysiologieHorst PagelInstitut für PhysiologieUniversität zu Lübeck

0. Warum Leistungsphysiologie ?1. Was ist Leistungsphysiologie ?2. Energie-Bereitstellung3. Aerobe und anaerobe Leistung4. Physiologische Anpassung an körperliche Aktivität5. Leistungstests6. Steigerung der Leistungsfähigkeit durch Übung & Training

0. Warum Leistungsphysiologie ?1. Was ist Leistungsphysiologie ?2. Energie-Bereitstellung3. Aerobe und anaerobe Leistung4. Physiologische Anpassung an körperliche Aktivität5. Leistungstests6. Steigerung der Leistungsfähigkeit durch Übung & Training

RauchenDyslipoproteinämieLDL / HDL > 5Die fünf KillerAdipositasHypertonieRR > 140/90 mmHgBewegungsmangel

Risikofaktor No. 1: BewegungsmangelFolgen: erhöhtes Risiko einer kardiovaskulären Erkrankung(Angina pectoris, Herzinfarkt, Schlaganfall, Thrombose, etc.)Potenzierung der Risikofaktoren („Risikobündel“, „Risiko-Cluster“)Rauchen (~20 Zigaretten/Tag)RauchenHypercholesterinämieRauchenHypercholesterinämieBewegungsmangelzweifachsechsfachneunfach

Herzinfarkt und Sport8Infarktrisiko *) (%)6420MännerFrauenNicht-SportlerBreiten-SportlerLeistungs-Sportler(Marathon)*)Risiko, innerhalb der nächsten zwölf Jahre einen Herzinfarkt zu bekommen(nach Schettler, 1985)

„Wer jetzt nicht Zeit in sportlicheAktivitäten investiert, muss früher oderspäter Zeit in Krankheit investieren.“(‘Those who think they have no time for exercise willsooner or later have to find time for illness.‚)Edward George Geoffrey Smith Stanley (1799 - 1869) 14. Earl of Derby,brit. Politiker und 3maliger brit. Premierminister

1-jähriges Aufbau-Fernstudium für alleAngehörigen der Gesundheitsberufe:- körperliche Bewegung- Ernährung- Suchtprävention- Lebensgestaltung- Psychohygiene und Schlafberatung-etc.Berufsverband Deutscher Präventologen e.V.Ludwig-Barney-Str. 130175 Hannoverwww.praeventologe.de

Folgen einer BewegungstherapieGewicht ↓Blutdruck ↓Blutfette ↓Blutzucker ↓Harnsäure ↓

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Leistungsphysiologie- Arbeitsphysiologie- SportphysiologiePädiatrie,Gynäkologie,Radiologie,Arbeitsmedizin,etc.Psychologie(mentalesTraining)Sportphysiologie / -medizinals QuerschnittsfachInnereMedizinSportmedizinSportwissenschaftPhysiologieOrthopädie /TraumatologieBiomechaniknach Dickhuth, 2005ergänzt nach Kriegler, 2010

SportphysiologieBelastung(Aufgabe)Leistung= Arbeit / Zeit= Kraft × Weg / Zeit(Einheit: W = J/s)LeistungsfähigkeitWirkungsgradBeanspruchungIndikatoren:• Pulsfrequenz• Blutdruck• O 2 -Aufnahme

Belastung(Aufgabe)Leistung= Arbeit / Zeit= Kraft × Weg / Zeit(Einheit: Watt)LeistungsfähigkeitWirkungsgradBeanspruchungIndikatoren:• Pulsfrequenz• Blutdruck• O 2 -AufnahmeBelastung – vorgegebene, fremd- oderselbstbestimmte, wertfreie (!!!) Aufgabe(physische & psychische Belastungen)Beanspruchung – individuelle Reaktion desOrganismus beim Erbringen einer LeistungLeistung = Arbeit / ZeitArbeit– dynamisch (Bewegungsarbeit)– konzentrisch (positiv-dynamisch)– exzentrisch (negativ-dynamisch, „Bremsarbeit“)– statisch (Haltearbeit)(Leistung = Kraft × Zeit bei isometrischer Haltearbeit)

Belastung(Aufgabe)Leistung= Arbeit / Zeit= Kraft × Weg / Zeit(Einheit: Watt)LeistungsfähigkeitWirkungsgradBeanspruchungIndikatoren:• Pulsfrequenz• Blutdruck• O 2 -AufnahmeLeistungsfähigkeit – Fähigkeit zur Erfüllungeiner Aufgabe; durch Lernen, Üben undTrainieren optimierbarEinfluss-Faktoren – Physiologie (Alter, Geschlecht, Gesundheits-,Trainingszustand, etc.)(Muskulatur, Herz & Kreislauf,Atmung, Nervensystem,Ernährung, etc.)– Biomechanik– Psychologie– Soziologie (Umwelteinflüsse, etc.)

Belastung(Aufgabe)Leistung= Arbeit / Zeit= Kraft × Weg / Zeit(Einheit: Watt)LeistungsfähigkeitWirkungsgradBeanspruchungIndikatoren:• Pulsfrequenz• Blutdruck• O 2 -AufnahmeWirkungsgrad – Relation zwischennutzbarer und zugeführter Energieη = E out/ E in(η = E out/ E in× 100 [%])Nettowirkungsgrad η =Bruttowirkungsgrad η =äußere ArbeitArbeitsumsatzäußere ArbeitArbeitsumsatz + RuheumsatzRuheumsatzBeispiel: vorgegeben: Belastung (Aufgabe) = 100 Wgemessen:⋅V O2= 1250 ml/min ⇒ 1250 - 250 = 1000 ml/min = 1 l/60 smittleres kalorisches Sauerstoff-Äquivalent: 4,8 kcal/l O 2= 20 kJ/l O 2(60% KH, 40% Fett)⇒ (1 l/60 s) × 20 kJ/l = 0,33 kJ/s = 330 WNettowirkungsgrad η = 100 W / 330 W = 0,3 ⇒ η = 30%

Belastung(Aufgabe)Leistung= Arbeit / Zeit= Kraft × Weg / Zeit(Einheit: Watt)LeistungsfähigkeitWirkungsgradBeanspruchungIndikatoren:• Pulsfrequenz• Blutdruck• O 2 -AufnahmeWirkungsgrad – Relation zwischennutzbarer und zugeführter Energieη = E out/ E in(η = E out/ E in× 100 [%])Beispiele– Kolbendampfmaschine η≈15%– Benzinmotor η≈25%– Dieselmotor η≈35%– Elektromotor η≈80%– Fahrradantrieb η≈95%– isolierter Muskel η≈max. 30%– im Organismus η≈max. 25%– im täglichen Leben η≈10%– bei industrieller Arbeit η≈5%

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EnergiebereitstellungDie einzige Substanz, die biologische Leistungen ermöglicht, ist ATP.ATP-Vorrat:~5 µmol/g Muskel ≈ 140.000 µmol ≈ 71 g ⇒ 1 kcal ≈ 4 kJATP-Umsatz:60 kg/d„Energieflussrate“(ATP-Gewinnung / Zeit)Substrat Produkt Vorrat(µmol/g)Vorrat(Zeit)Vorrat(Distanz)Kreatin-PhosphatKreatin +Phosphat~25(3,6 kcal ≈15 kJ)Glykogen Laktat ~100 (≅ 500 g)(1,1Mcal≈4,6MJ)10 – 20 s 100 m4 min 1.500 mGlykogen + O 2CO 2+ H 2O dto. 1 h 30 kmHalbierungHalbierungFettsäuren + O 2CO 2+ H 2O „∝“ (≅ 8 kg)Tage> 100 kmHalbierung(72Mcal≈300MJ)(37 Tage)

Substrat Produkt Vorrat(µmol/g)Vorrat(Zeit)Vorrat(Distanz)Kreatin-PhosphatKreatin +Phosphat~25 10 – 20 s 100 mGlykogen Laktat ~100(≅ 500 g)4 min 1.500 mGlykogen + O 2CO 2+ H 2O dto. 1 h 30 kmFettsäuren + O 2CO 2+ H 2O „∝“(≅ 8 kg)Tage(37 d)> 100 kmanaerobe-alaktazide ATP-Resynthese:(cytosolisch)KP ↔ K + PADP + P ↔ ATPKP + ADP ↔ K + ATP(Lohmann-Reaktion; Karl Lohmann, 1898-1978, Prof. f.Physiolog. Chemie in Berlin, Leiter d. Forschungszentr. d.Akad. d. Wiss. d. DDR, Entdecker v. ATP)

Zeitverhalten von ATP und KP bei Belastung25ATP ⇔ ADP + PATP / KP (µmol/g Muskel)2015105ATPKPATP ⇔ ADP + PKP + ADP ⇔ K + ATPATP00 2 4 6 8 10Zeit (s)(nach: Rost et al., Abb. 1-2, S. 28)

Prinzipiell auch möglich:ADP + ADP ⇔ ATP + AMPanaerobe-alaktazide ATP-Resynthese (Myokinase-Reaktion)Reaktions-Gleichgewicht wird nach rechts verschoben:1. ATP wird sogleich verbraucht2. AMP wird in IMP und NH 3umgewandeltAMP + H 2O ⇔ IMP + NH 3(IMP = Inosin-Monophosphat; Enzym: AMP-Desaminase)⇒ NH 3führt zur „zentralen Ermüdung“Reaktion quantitativ von untergeordneter Bedeutung!

Substrat Produkt Vorrat(µmol/g)Vorrat(Zeit)Vorrat(Distanz)Kreatin-PhosphatKreatin +Phosphat~25 10 – 20 s 100 mGlykogen Laktat ~100(≅ 500 g)anaerobe-laktazide ATP-Resynthese:(cytosolisch)4 min 1.500 mGlykogen + O 2CO 2+ H 2O dto. 1 h 30 kmFettsäuren + O 2CO 2+ H 2O „∝“(≅ 8 kg)Tage(37 d)> 100 kmFetteEiweißeGlykogenGlykogenolyseKohlenhydrateGlykolyse2 Mol ATP / Mol GlukoseEnergieGlukose + 2P i + 2ADP ↔ 2Laktat + 2ATPPyruvat↓Laktat

Preisfrage: Warum entsteht bei der anaerobenGlykogenolyse bzw. Glykolyse schlussendlich Laktat?GlykogenGlukoseGlykogenolyse /GlykolysePhosphofructokinaseGlukose-6-PGlyzerinaldehyd-3-P1,3-P-GlyzeratPyruvatLaktat2 H + NADH+H +2 H +ReduktionNADH+H + NAD +OxidationNAD +

Lactate-Shuttle-Theory (nach Skinner und McLellan, 1980)Skinner JS, McLellan TH - The transition from aerobic to anaerobic metabolism. Res Q Exerc Sport 51, 234-248, 1980Laktat-KonzentrationPhase I Phase II Phase IIILTP 1(Lactate Turn Point 1)LTP 2(Lactate Turn Point 2)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % P maxMuskelSystem[Laktat] systemisch≈ 0MuskelSystem[Laktat] systemisch>0MuskelSystem[Laktat] systemisch>> 0Prod. LaktatElim. LaktatRuhe-Laktat Äquilibrium exp. Anstieg

Eigenschaften der verschiedenen PhasenRuhe Aerobe Schwelle Anaerobe Schwelle V O2maxLaktat-KonzentrationPhase I Phase II Phase IIILTP 1(Lactate Turn Point 1)LTP 2(Lactate Turn Point 2)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % P maxPhase I Phase II Phase IIIMetabolismus aerob aerob/anaerob anaerobSubstrat Fett > Kohlenhydrate Kohlenhydrate > FettMuskelfaser-Typ I I, IIa I, IIa, IIbIntensität (% V O2max ) 40 -60 60 -80Herzfrequenz 130 - 150 (70% HR max ) 160 - 180 (90% HR max )Blutlaktat (mM) 0,6 - 2,0 (Ruhewert) 2,0 - 6,0 (und höher)

Laktat-Utilisation über den CORI-Zyklus *)GlukoseLeber,Herz,Muskel(Typ I)BlutMuskel(Typ II)GlukosePyruvatLaktatLaktatPyruvatKonz. bis 20 mmol/lLaktat - -H + -Cotransporter*)Carl Cori (1896-1984), Gerty Cori (1896-1957): österr. Biochem. &Pharmakol., wirkten in Buffalo/New York, Nobelpreis 1947

Substrat Produkt Vorrat(µmol/g)Kreatin-PhosphatKreatin +PhosphatGlykogen Laktat ~100(≅ 500 g)Vorrat(Zeit)Vorrat(Distanz)~25 10 – 20 s 100 m4 min 1.500 mGlykogen + O 2CO 2+ H 2O dto. 1 h 30 kmKohlenhydrateGlykolyseEnergieLaktatFettsäuren + O 2CO 2+ H 2O „∝“(≅ 8 kg)Tage(37 d)> 100 kmFette Eiweiße Kohlenhydrateβ-OxidationGlykolyseenzymatischer Abbauaerobe-alaktazide ATP-Resynthese:Acetyl-CoA(cytosolisch/mitochondrial)32 Mol ATP / Mol Glukose130 Mol ATP / Mol FFS(Palmitin-Säure)CO 2⇐Zitronensäure-Zyklus„Anlaufzeit“ für aerobenMetabolismus: 3 – 5 minH 2AtmungsketteH 2O ⇐Energie O 2

Warum erfolgt die Fettverbrennung nur bei niedriger Belastung?ATPATP ⇔ ADP + PKreatinKP + ADP ⇔ K + ATPKHC 6H 12O 6+ 6 O 2⇔ 6 CO 2+ 6 H 2O(Glukose)FFS(Triolein)C 57H 104O 6+ 80 O 2⇔ 57 CO 2+ 52 H 2O

Zeitgang der energieliefernden Prozesse (Synopsis)1ATP-SpaltungKP-SpaltungGlykogenolyse(Muskel)Glykogenolyse(Leber)Lipolyserelativer Anteil0,5GlykolyseGlukoneogenese01 s 10 s 100 sZeit1 min 10 min 100 minanaerobaerob1 h10 h

ATP-Umsatz in Beziehung zur BelastungsintensitätATP-Umsatz (mmol/s)20151050KH-Oxidation(aerob)FFS-Oxidation0 25 50 75 100% VO 2max(nach: Rost et al., Abb. 1-7, S. 38)Kreatin-PhosphatKH-Oxidation(anaerob)Prinzipiell besteht immer ein„Nebeneinander“ der einzelnenEnergie-liefernden Prozesse - mitfließenden Übergängen inAbhängigkeit von der Intensität derArbeit.

BelastungAusdauerbelastung(> 60 min)Langzeitausdauer(8 - 60 min)Mittelzeitausdauer(2 - 8 min)Kurzzeitausdauer(45 s - 2 min)Schnellkraftbelastung(bis 10 s)bevorzugteEnergieträgerFettgeringer KH-AnteilKHgeringer Fett-Anteilweitgehend KHKHATP, KPArt derEnergiebereitstellungaerobweitgehendaerobaerob & anaerobweitgehendanaerobanaerob

Laufweltrekorde (100 m bis 100 km): Die Durchschnittsgeschwindigkeitnimmt mit zunehmender Distanz rasch ab.⇒ hohe ATP-Resyntheseraten sind nur kurzfristig möglich⇒ Ausdauertätigkeiten (> 20 min) sind nur aerob möglich

Zeitgang des aeroben Metabolismussteady state ~3-5 mindavor: Ausschöpfung der O 2-Reserven (Myoglobin, Hämoglobin,funktionelle Residualkapazität)

Abtragen der O 2-Schuld12Fläche 1 < Fläche 2- Resynthese von Kreatinphosphat- Glukoneogenese aus Laktat- Auffüllen der Hb- und Mb-O 2-Speicher- erhöhte Aktivität der Na/K-ATPasen- Resteffekte thermogener Hormone- vermehrte Lungen- und Herztätigkeit

Aerobe und anaerobe Leistungsfähigkeit100%80%60%40%Wut, Angst,LebensgefahrDopingabs. Leistungsfähigkeitautonom geschützteReservenMobilisationsschwellegewöhnlicheEinsatzreservenphysiologischeLeistungsbereitschaftautomatisierteLeistungen3 9 12 18 Uhr

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Aerobe und anaerobe Leistungsfähigkeit• leichte, nicht ermüdende Arbeit• schwere, erschöpfende Arbeit

Aerobe und anaerobe LeistungsfähigkeitAusdauer-Leistung• > 20 min• (fast ausschließlich) aerobe Energiebereitstellung• Ventilations- & Herz/Kreislauf-Parameter (nach 2-3 min)sowie Blutlaktat-Konzentration (nach ~8 min)erreichen Steady state• Testung im Stufen- bzw. Ausdauertest (⇒ IANS)Kraft-Leistung• Sekunden bis (wenige) Minuten• (fast ausschließlich) anaerobe Energiebereitstellung• Funktionsparameter erreichen (in der Regel)kein Steady state

Aerobe und anaerobe Leistungsfähigkeit⋅VO2 max54Laktat-AkkumulationO 2-BedarfO 2-AufnahmeO 2(l/min)32100 100 200 300 400Leistung (W)anaerobe Schwelle

Aerobe und anaerobe Leistungsfähigkeitleichte Arbeitschwere ArbeitO 2 -Aufnahme = O 2 -BedarfO 2 -Schuld bis 4 lO 2 -Aufnahme ≠ O 2 -BedarfO 2 -Schuld bis 20 l

Aerobe LeistungsfähigkeitDefinition:anaerobe Schwelle: maximale Leistung, bei der die Blutlaktat-Konzentration gerade noch ein Steady state erreichtIANS = individuelle anaerobe SchwelleLaktat (mmol/l)108642ACB0100 150 200 250 300 350 400 450 500 Watt0 4 8 12 16 20 24 28Zeit (min)nach Stegmann &Kindermann, 1981

Aerobe LeistungsfähigkeitKompensatorischer Bereich(Regeneration & Stabilisierung)Grundlagen/Ausdauer 1(aerobe Leistungsfähigkeit)Grundlagen/Ausdauer 2(aerobe/anaerobeLeistungsfähigkeit)Entwicklungsbereich(Wettkampf-spezifischeAusdauer)

Trainingsbereiche

Bei Verbesserung der Ausdauer verschiebt sich die Laktat-Leistungskurve nach rechts.Laktat-Konzentration [mmol/l]108642untrainiertIANS00 1 2 3 4 5Belastung [Watt/kg]Verschiebungdurch TrainingIANStrainiertanaerobe Schwelleaerobe SchwelleKonzept der fixen Laktatschwellen nach Alois Mader (1976)

Aerobe Leistungsfähigkeit (Synopsis)max.Herzfrequenzmax.SchlagvolumenHb-O 2-Affinitätdes BlutesKapillarisierung undEnzymausstattung derMuskulaturmax. Herzzeitvolumenmax. O 2-Ausschöpfungkörperliche Ausdauer(aerobe Kapazität)Hämoglobin-(Hb)-Konzentration(O 2-Kapazität des Blutes)nach: Schmidt et al., 1988

Aerobe LeistungsfähigkeitDie aerobe Leistungsfähigkeit ist außerdem abhängig von• der Motivation (Ziel-Antizipation)aus: http://www.rst-luebeck.de/Qualifikationszeit für das BDR-Radsportabzeichen: 43:00 min

Anaerobe Leistungsfähigkeit (Kraft-Leistung)statische Halte- bzw. Haltungsarbeit• isometrische Muskelaktivität• 1. Halten von Gegenständen2. Anpassungen von Lageveränderungen im Schwerefeld• überwiegend anaerobe EnergiebereitstellungCave: keine Leistung im physikalischen Sinn(Leistung = Arbeit / Zeit = Kraft × Weg / Zeit)daher: Leistung = Kraft × Zeitbei statischer Arbeit

Anaerobe Leistungsfähigkeit (Kraft-Leistung)Die Maximalkraft (40-100 N/cm 2 ) ist abhängig von• der Anzahl rekrutierter motorischer Einheiten• der MuskelzusammensetzungFasertyp I IIC IIA IIBslowfastaerob• der Verkürzungsgeschwindigkeit (HILL-Kurve)anaerobMaximalkraftpro cm 2(Sir Archibald Vivian Hill, 1887-1977, Nachfolger vonErnest Starling auf dem Lehrstuhl in Cambridge,Nobelpreis 1922)1 / 3der MaximalgeschwindigkeitGeschwindigkeit [m/s]96300Leistungsmaximum1 / 3derMaximalkraftLeistung = Kraft × Geschwindigkeit100 200Kraft [N]

Anaerobe Leistungsfähigkeit (Kraft-Leistung)Die Maximalkraft (40-100 N/cm 2 ) ist weiterhin abhängig von• der Motivation (RINGELMANN-Effekt)(Max Ringelmann, 1861-1934, franz. Agronom; Tauzieh-Versuch 1883[Bestätigung 1974 durch Alan Ingham, Washington])Leistung (%)1009080706050100%93%85%77%63%50%400 2 4 6 8 10Anzahl der Personen(Team = Toll, ein anderer macht´s!)• der Biomechanik (Zugwinkel)• der neuromuskulären Koordination• etc.

O 2-Bereitstellung bei statischer ArbeitMuskel-Innendruck bleibt konstant erhöht• ab 10% der Maximalkraft⇒ Gefäßkomprimierung• ab 60% der Maximalkraft⇒ Gefäßokklusionmax. Haltezeit (min)1086420Muskelgefäßweite•25 50 75 100Haltekraft in % der Maximalkraft

Kennzeichen statischer ArbeitTypisch für intensive Haltearbeit:- reflektorischer Verschluss der Stimmritze- reflektorische Aktivierung der Bauchpresse(Zweck: Stabilisierung des Rumpfes)Aber:- Beeinträchtigung des Gasaustausches- Beeinträchtigung des venösen Rückflusses(Erhöhung des intrathorakalen Druckesauf > 100 mmHg ⇒ Kollapsgefahr)

Empfehlungen für den BreitensportGutgeeignetBedingtgeeignetNichtgeeignetJogging Tennis KletternWalking Badminton SprintenSkilanglauf Fußball TauchenSchwimmen Handball SurfenRadfahren Basketball BodybuildingQuelle: Deutsche Hochdruckliga e.V.

0. Warum Leistungsphysiologie ?1. Was ist Leistungsphysiologie ?2. Energie-Bereitstellung3. Aerobe und anaerobe Leistung4. Physiologische Anpassung an körperliche Aktivität5. Leistungstests6. Steigerung der Leistungsfähigkeit durch Übung & Training

Physiologische Anpassungen an körperliche Aktivitätvor (Vorstartzustand) und während körperlicher Aktivität→ Sympathikotonus ↑↑↑(je besser der Trainingszustand, desto weniger)• Noradrenalin ↑ (aus sympath. Nervenendigungen)• Adrenalin ↑ (aus NNM)• Kortisol ↑ (aus NNR)• Energie ↑ (Glykogenolyse im Muskel,Lipolyse im Fettgewebe)

Physiologische Anpassungen an körperliche Aktivitätvor und während körperlicher Aktivität→ Sympathikotonus ↑↑↑HF• HMV = SV × HF ↑HFRuheMax.SV 0,07 l 0,12 lHF 70 min -1 220 min -1HMV 5 l/min 25 l/min(Beachte: Erholungspulssumme)⇒ Steigerung um Faktor 5 !!200 RR (mmHg)• Blutdruck- systolisch: proport. zur Leistung150syst.- diastolisch: ± (↓)100500% 25% 50%Belastungdiast.100%

Physiologische Anpassungen an körperliche AktivitätDas Sportherz(bildet sich v.a. bei Ausdauersportarten [Rennradfahren, Langlauf,Rudern, Triathlon, etc.])25Herzvolumen (ml/kg KG)201510× 2 !!0RennradLangstreckenlaufFußballTennisBadmintonHandballNo Sportsnach Kindermann, DÄ 2006, 103(23), A1605

Physiologische Anpassungen an körperliche AktivitätDas SportherzJ.U.normales HerzSportherzGewicht 250 - 300 g 350 - 500 gHF Ruhe60 - 80 min -1 < 40 min -132HF max~ 200 min -1 ~ 200 min -1SV Ruhe~ 70 ml ~ 100 mlSV max~ 100 ml ~ 160 ml~ 200HMV Ruhe5 l/min 5 l/minHMV max20 l/min 30 - 40 l/minbis 50Allerdings: Merke: Das Erhöhtes Sportherz Risiko ist ein für gesundes hypertrophe (!), oderGerücht: Das harmonisch Sportherz arrhythmogeneDumm ist (!!!) schädlich vergrößertes Kardiomyopathien!! Herz.möglich !?(wg. (kompensatorische niedriger Tüch & unregelmäßiger !! Hypertrophie Ruhefrequenz)von(Pigozzi & Myokard Rizzo, Clin und Sports Koranarien) Med 27, 153, 2008)

Physiologische Anpassungen an körperliche Aktivitätvor und während körperlicher Aktivität→ Sympathikotonus ↑↑↑• Muskeldurchblutung- in Ruhe: 20-40 ml ⋅ kg -1 ⋅ min -1- bei Arbeit: bis 1.300 ml ⋅ kg -1 ⋅ min -1 (Untrainierte)bis 1.800 ml ⋅ kg -1 ⋅ min -1 (Trainierte);(Steigerung um Faktor 60 !!!)

Physiologische Anpassungen an körperliche Aktivitätwichtig - wichtig - wichtig - wichtigVasokonstriktion der nichtarbeitendenMuskulatur(NNM)(sowie anderer Organe[GI-Trakt, Haut, etc.])HMV max= 25 l/minMuskeldurchblutung max≈ 1,5 l ⋅ kg -1 ⋅ min -1≈ 22,5 l ⋅ 15 kg -1 ⋅ min -1≈ 22,5 l ⋅ ½ Muskulatur ⋅ min -1in der arbeitendenMuskulaturin der nichtarbeitendenMuskulatur

Physiologische Anpassungen an körperliche Aktivitätvor und während körperlicher Aktivität→ Sympathikotonus ↑↑↑• Atmung: AMV = AZV × AF ↑- leichte Arbeit: bedarfsgerechte Mehratmung (Hyperpnoe),- schwere Arbeit: Hyperventilation (pCO 2↓);- AMV in Ruhe: ~7,5 l/min- AMV bei Arbeit: bis 120 l/min (Untrainierte)bis 170 l/min (Trainierte)(Steigerung um Faktor 20 !!!)⋅- AÄ = AMV/V O2 25 ⇒ 40-50

Physiologische Anpassungen an körperliche Aktivitätvor und während körperlicher Aktivität→ Sauerstoffaufnahme ↑↑↑

Physiologische Anpassungen an körperliche Aktivitätvor und während körperlicher Aktivität→ Sauerstoffaufnahme ↑↑↑Skilanglauf /RadrennenLanglaufSchwimmenLaufenSki alpinEisschnelllaufFechtenuntrainiert

Physiologische Anpassungen an körperliche AktivitätUmstellung von Blutparametern• wenig Änderung der art. Blutgase(p aO 2: max. -8%; p aCO 2: max. -10%)• mit zunehmender Leistung fälltder p vO 2(avD O2steigt)-10%• Hkt steigt (wg. reduziertem PV)• Säure-Basen-Status- leichte Arbeit: ±- schwere Arbeit: pCO 2↓ (Hypervent.)pH ↓ (Laktat)• Glukose ±(Hypoglykämie ⇒ Erschöpfung)• Elektrolyte(K + ↑ , Na + ↑ [hypotoner Schweiß])[l/l]Δ: 0,05 l/l-8%Δ: 0,17 l/l

Physiologische Anpassungen an körperliche AktivitätUmstellung von Blutparametern• wenig Änderung der art. Blutgase(p aO 2: max. -8%; p aCO 2: max. -10%)Synopsis• mit zunehmender Leistung fälltder p vO 2(avD O2steigt)leichte • Hkt Arbeit: steigt (wg. ± reduziertem PV)-10%• Säure-Basen-Statusschwere - leichte Arbeit: Arbeit: pCO±2↓- schwere Arbeit: pCO 2↓ (Hypervent.)pH ↓ (Laktat)metabolische Azidose (pH bis Δ: 0,056,8)l/l• Glukose ±(Hypoglykämie ⇒ Erschöpfung)• Elektrolyte(K + ↑ , Na + ↑ [hypotoner Schweiß])[l/l]-8%Δ: 0,17 l/l

Gegenüberstellung Nichtsportler vs. AusdauersportlerNichtsportler AusdauersportlerHF Ruhe(min -1 ) 70 50× 2,7HF max(min -1 ) 190 190× 3,8SV Ruhe(ml) 70 100× 1,4SV max(ml) 100 160× 1,6HMV Ruhe(l/min) 5 5× 3,8HMV max(l/min) 19 30× 6,0Herzgewicht (g) 300 × 1,7 500AMV max(l/min) 120 × 1,4 170O 2-Aufn. max(l/min) 3,5 × 1,6 5,6Blutvolumen (l) 5,3 × 1,1 5,9

Körperwelten: Was ist Fitness?fit - passen, angepasst⇒ Anpassung durch Training1 Größe, SV,HMV ↑HF Ruhe↓2 Größe ±Hypertrophie vonZwerchfell &Zwischenrippenmuskulatur⋅AZV, AÄ (= AMV/V O2) ↑AF ↓3 KapillarisierungavD O2↑intramuskuläreKoordination4 Zahl & GrößederMitochondrien ↑(insbesondere imHerzmuskel)

Männer haben´s leichter … ?Frauen haben im Allgemeinen- eine kleinere Körpergröße,- ein kleineres Körpergewicht (v.a. bezgl. des Knochenbaus),- kürzere Extremitäten und ein breiteres Becken,- einen höheren Körperfettanteil (+10%),- einen geringeren Muskelanteil (-20%),- ein kleineres Herz,- ein kleineres Blutvolumen und einen geringeren Hb-Wert,- ein kleineres Lungenvolumen,- eine geringere Mitochondrienzahl,- eine geringere Wärmetoleranz (weniger Schweißdrüsen).Frauen haben im Allgemeinen- eine größere Beweglichkeit,- bessere koordinative Fähigkeiten und kleinmotorische Leistungen.

0. Warum Leistungsphysiologie ?1. Was ist Leistungsphysiologie ?2. Energie-Bereitstellung3. Aerobe und anaerobe Leistung4. Physiologische Anpassung an körperliche Aktivität5. Leistungstests6. Steigerung der Leistungsfähigkeit durch Übung & Training

Leistungstests / LeistungsdiagnostikDefinition:das Erfassen und Bewerten körperlicher Leistungwichtigste Größe: anaerobe Schwelle (IANS), AusdauerkapazitätMerke: Leistung optimieren, nicht maximieren!Oberkörperergometer(f. klein. Anwendungen)

Leistungstests / LeistungsdiagnostikTestverfahren:LabortestFeldtest(mit dem SystemCOSMED K4b 2 )undosierte Testverfahren: Kniebeugen, Liegestütz, Treppenlaufen, etc.dosierte Testverfahren:Fahrrad-, Laufband-, Ruder- oder Drehkurbel-Ergometer; Zweistrecken-Schwimmtest, etc.sportartspezifisch / sportartunspezifisch

Leistungstests• Stufentest (Erhöhung der Leistung nach bestimmten Abständen)• Ausdauertest (Testung bei konstanter Leistung)Anfangsniveaua = Stufendauer (z.B. 2-5 min)b = Stufenhöhe (z.B. 20-30 W)Übliche Schemata:Einsteiger: 40-40-5Amateur: 80-40-5Profi: 120-40-5Messung von- Atmungs- und Herztätigkeit (EKG, Spirometrie, Kalorimetrie)- Laktat⋅AF, AMV, RQ (= CO 2/O 2), AÄ (= AMV/V O2); HF, EKGRQ ~ 0,7 ⇒ FettverbrennungRQ ~ 1,0 ⇒ KH-Verbrennung

Leistungstest-ParameterO 2 -Aufnahme (l/min)Herzminutenvolumen (l/min)Blutdruck (mmHg)3,520200syst.2,515MAP1,5105100diast.Schlagvolumen (ml)Pulsfrequenz (min -1 )Laktatkonzentration (mmol/l)1502001510050100105Ruhe 100 200 300 Wattuntrainierttrainiert⋅VO 2, HMV, RRSV, HF, LaktatRuhe 100 200 300 Watt- höhere Maximal-Werte- Wertebereiche ↑ bzw. ↓Ruhe 100 200 300 Watt}beimTrainiertennach: Rost et al., Abb. 1-11, S. 55

Laktat-LeistungskurveKompensatorischer Bereich(Regeneration & Stabilisierung)Grundlagen/Ausdauer 1(aerobe Leistungsfähigkeit)Grundlagen/Ausdauer 2(aerobe/anaerobeLeistungsfähigkeit)Entwicklungsbereich(Wettkampf-spezifischeAusdauer)Trainingsbereiche

Laktat-BestimmungPaket-Preis: 649,- bis 1.149,- € (inkl. MwSt.)www.lactware.de

Laktat-BestimmungLaktatLODPyruvatH 2O 2HRPOD oxMediator oxO 2H 2O HRPOD redMediator redBiosensorMessung der Laktat-Konzentration im Atem-KondensatFILT Lungen- und Thoraxdiagnostik GmbHBerlinwww.filt.de

LeistungstestsConconi-Test:Man steigert die Belastung auf festgelegten Strecken, bis keine Steigerung mehrmöglich ist. Die Pulsfrequenzen werden protokolliert und über den Leistungen graphischdargestellt. Es ergibt sich zunächst ein linearer Anstieg, bis zu einem Punkt, an dem dieLinie einen Knick macht („leveling off“, CONCONI-Schwelle [= 100%]).KB GA1 GA2 EBHF (in % d.Conconi-Schwelle)< 70 65 - 85 90 - 95 95 - 100Herzfrequenz (min -1 )20018016014012010080Conconi-Schwelle600 10 20 30 40 50Geschwindigkeit (km/h)Haken:Der „Knick“ ist meist nichtbesonders deutlich (v. a.bei hoch trainiertenSportlern).zur Übersicht:Conconi et al. (Centro Studi Biomedici Applicati allo Sport,Universita degli Studi di Ferrara, Italy) The Conconi test:methodology after 12 years of application. Int J Sports Med17: 509-19 (1996)

Beispielwerte für einen Mittelstreckenläufer- der Knickpunkt liegt bei einer HF von 174- die Geschwindigkeit bei 15,75 km/h

LeistungstestsKarvonen-Methode:THF = (HF max-HF Ruhe) × X i+ HF RuheKB GA1 GA2 EBX i< 0,52 0,52-0,65 0,65-0,77 0,75-0,95Haken:HF maxwird benötigt!zur Übersicht:Karvonen et al. (Research Institute of Public Health, Universityof Kuopio, Finland) The effects of training on heart rate; alongitudinal study. Ann Med Exp Biol Fenn 35:307-15 (1957)

LeistungstestsHottenrott-Methode:THF = HF max× 0,70 × LF i× TZ i× GF i× SP iHF max: 208 - 0,7 × Lebensalter (für Erwachsene)220 - Lebensalter (für Jugendl. & Kinder)LF i:TZ i:GF i:SP i:Leistungsfaktor(1,00 Einsteiger; 1,03 Fitnesssportler; 1,06 Leistungssportler)Trainingszielfaktor(1,0 GA1-Training; 1,1 GA1/2-Training; 1,2 GA2-Training)Geschlechtsfaktor(1,06 Frauen; 1,00 Männer)Sportartfaktor(1,0 Laufen; [Fortsetzung folgt])nach: Kuno Hottenrott (Institut fürLeistungsdiagnostik und Gesundheitsförderung,Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg)

LeistungstestsPWC 170:Unter der „Physical Work Capacity 170“ versteht man die Leistung, die auf demErgometer mit einer HF von 170 min -1 erreicht wird.200Herzfrequenz (min -1 )18016014012010080UntrainierterTrainierterPWC(W/kg KG)PWC 1301,5 1,3PWC 1502,0 1,6PWC 1702,5 2,0600 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400Leistung (Watt)zur Übersicht: Rost & HollmannInt J Sports Med 4, 147, 1983Haken:Gilt nur für HF mit mittlerem Anstiegsverhalten!(Personen mit hoher HF maxwird eine zu geringe, Personen mit niedrigerHF maxeine zu hohe Leistungsfähigkeit bescheinigt.)

LeistungstestsNormwerte (W/kg KG)untrainiert 2,6 2,3Breitensportler 4,4 3,6Elite 6,5 5,5(gilt für das „starke“3. Lebensjahrzehnt;danach: -10% je Dekade)Spitzenwert: Erik Zabel• 1700 W (im Sprint)• 69 kg KG•⇒~25 W/kg

LeistungstestsFazit:• Stufentest (Erhöhung der Leistung nach bestimmten Abständen)• Messung von HF, LaktatFahrradergometer nach DIN 13 405 Laufbandergometer nach DIN VDE 0750-238

0. Warum Leistungsphysiologie ?1. Was ist Leistungsphysiologie ?2. Energie-Bereitstellung3. Aerobe und anaerobe Leistung4. Physiologische Anpassung an körperliche Aktivität5. Leistungstests6. Steigerung der Leistungsfähigkeit durch Übung & Training

Steigerung der Leistungsfähigkeitdurch motorisches Lernen (Optimierung des Nerv-Muskel-Zusammenspiels)durch TrainingÜben/LernenTraining

Steigerung der LeistungsfähigkeitJede körperliche Aktivität löst innerhalb von Sekunden bis Minutenphysiologische Anpassungsreaktionen aus, die jedoch nach Arbeitsabbruchrasch reversibel sind (s.o.).Übungs- oder Trainingseffekte halten über das Ende der Aktivität an.LeistungsfähigkeitZeitTrainingsgewinn ⇒ TrainingspensumTrainingsintensitätTrainingsdauer

Steigerung der Maximalkraft nach leichtem Krafttraining *)Kraft [% der Maximalkraft]130120110Krafttraining1000 2 4 6 8 10 [Wochen]*) 10 Maximalkontraktionen zu je 10 s im Abstand von je 1 min über 1 Woche(nach: Rieck et al., Z. Arbeitswiss. 31, 233, 1977)

Steigerung der LeistungsfähigkeitKörperliche Aktivität wird zur Übung bzw. zum Training, wenn sie- geplant,- strukturiert,- wiederholt und- zielgerichtet ist.Sie ist dann regelmäßig, wenn sie an mindestens drei Tagen einer Wochedurchgeführt wird.(jeweils mindestens 30 min, wobei mindestens 60% der Muskulaturbeansprucht werden sollte)

Steigerung der Leistungsfähigkeitweiterer leistungsbestimmender Faktor: Talent (syn. Begabung)(angeborene oder frühkindlich erworbenen leistungsbestimmendePersönlichkeitsmerkmale)aktuelle Leistungsfähigkeit = Trainingszustand + BegabungTestosteron-Typ:kräftig, definierteMuskelnSprinterKortisol-Typ:„moppelig“EtappenfahrerThyroxin-Typ:dünn & hagerEintagesathletMarco PantaniMiguel IndurainAndreas Klöden

Steigerung der Leistungsfähigkeitweiterer leistungsbestimmender Faktor: ChokingLeistungsminderung unter Druck(to choke - hemmen, dämpfen)(⇒ „Trainingsweltmeister“)UrsachenLösung- Anstieg der Selbstaufmerksamkeit(Bewegungen nicht mehr automatisiert, sondern bewusst kontrolliert)- Aufmerksamkeitsablenkung(Erinnerung an frühere Misserfolge, zu frühe Siegesgewissheit, Publikum)- Selbstinstruktion(positive Gedanken: „Ganz ruhig!“, „Los, jetzt ´rein mit dem Ball!“)- Vorhandlungsroutinen(Handlung vor der eigentlichen Handlung,damit der Rest automatisch abläuft[Ballprellen vor dem Aufschlag {Tennis},Routineschleife beim 11-Meter])

Steigerung der LeistungsfähigkeitPunkte =BelastungsreizeTrainingsplan:erneute Belastungsreize müssen in die Zeit derSuperkompensation fallen

Steigerung der Leistungsfähigkeit+10Muskelkraft [%]+50-5-1001 2 3 4 5 6 7 8

Steigerung der Leistungsfähigkeit• erste Publikation des Modells der Superkompensation: Jakowlew, Medizinund Sport 16, 66-70, 1976• erstes Simulationsmodell: Banister et al., Austr J Sports Med 7, 57-61,1976P t= Fit t–Fat t(fitness-fatigue-Modell)• Modell der Proteinbiosynthese: Mader, Dt Zeitschr Sportmed 41, 40-58,1990• LeiPot-Modell: Mester & Perl, Leistungssport 30, 43-51, 2000Trainingsbelastung b tBelastungs-Potential BPEntwicklungs-Potential EPVerzögerung VB– +Leistungspotential LeiPotVerzögerung VE

Steigerung der Leistungsfähigkeit• SimBEA-Modell: Brückner & Wilhelm, Leistungssport 38, 21-26, 2008(Simulation von Belastungs-, Ermüdungs- und Anpassungsprozessen)Synthese aus Mader- und LeiPot-Modell170 Messwerte165SimulationswerteLangstreckenläufer,26 Jahre, 70 kg, 1,82 mHF (min -1 )1601551501450 20 40 60 80 100 120Simulationszeit (min)

Steigerung der Leistungsfähigkeitpauschale TrainingseffekteAusdauertraining (verbessert aerobe Leistungsfähigkeit)• SV ↑, Herzgewicht ↑, RR ↓, HF Ruhe↓⋅⋅• AÄ (= AMV/V O2) ↓, AMV max↑, V O2max↑• Umwandlung Indiff.-Fasern ⇒ Typ-I-Fasern (Typ-II ⇒ Typ-I )Kapillardichte ↑, Mitoch.-Dichte ↑, aerobe Enzyme ↑• Laktat-Clearance ↑ (Laktatdehydrogenase ↑)• etc.

Steigerung der Leistungsfähigkeitpauschale TrainingseffekteKrafttraining (verbessert anaerobe Leistungsfähigkeit)• Muskelkraft ↑ - Verbesserung der neuromuskulären Koordination[vermehrte Rekrutierung von motor. Einh. {EMG}],- Hypertrophie der Typ-II-Fasern[Trainierbarkeit Testosteron-abhängig!!!!])

LeistungsgrenzenDauerleistungsgrenze (⇒ Arbeit über einen längeren Zeitraum [z.B. 8 h]ohne muskuläre Ermüdung)(Cave: Ermüdung ≠ Müdigkeit)Dauerleistungsgrenze für dynamische ArbeitErholungszeit < 5 min (HF), Erholungspulssumme < 100⋅ ⋅Laktat < 2 mmol/l, V O2< 50% V O2maxO 2-Schuld < 4 l, HMV < 10 l(bei Arbeit mit mind. 1 / 6der Gesamtmuskelmasse)Dauerleistungsgrenze für statische Arbeit5 - 10% der Maximalkraft

Leistungsgrenzen5-10{Dauerleistungsgrenze bei dynamischer Arbeit >> Dauerleistungsgrenze für statische Arbeit

Der SpiroTiger - Ausdauertraining für die Atmungidiag AGMülistrasse 18CH-8320 Fehraltdorfwww.idiag.ch1.150,00 €inklusive MwSt.idiag GmbHSchaubingerstrasse 7D-79713 Bad Säckingenwww.idiag.deProf. Dr. Urs Boutellier, Institut für BewegungsundSportwissenschaften, ETH Zürich, Schweiz

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Ermüdung (zwingt zur unfreiwilligen Reduktion der Leistung)Folgen:- Koordinations- und Aufmerksamkeitsstörungen- Tremor- Beeinträchtigung der Feinmotorik-etc.Ursachen:- muskulärer K + -Mangel- lokaler pH-Abfall- muskulärer Temperaturanstieg- „Treibstoff“-Mangel (Glykogen)- Flüssigkeitsmangel- psychische Komponenten (Motivationsmangel durchHypoglykämie!)- zentrale Ermüdung

Erschöpfung (zwingt zum unfreiwilligen Abbruch der Leistung)Steigerungsform der Ermüdungsowohl Ermüdung wie auch Erschöpfung sind durch Ruhe reversibel(im Ggs. zur Schwäche)

Übertrainingsympathikotones Übertraining- „zu viel und zu intensiv“parasympathikotones Übertraining - „Ruhe: ‚JA‘ / Belastung: ‚NEIN‘“Parameter• erhöhte Ruheherzfrequenz• verminderte Herzfrequenzvariabilität• Kreatinkinase > 300E/l• Serum-Harnstoff > 40 mg% / 8 mM• Anstieg (Testosteron) oder Abfall (hGH)von HormonkonzentrationenTherapie• Ruhe, Ruhe, Ruhe („aktive Regeneration“)• Abwechslung

Übereifer!??Andreas Klöden (T-Mobile; jetzt: RadioShak)*1975; 1,83 m; 63 kg; 18,8 kg/m 2(normal: 21,6 kg/m 2 ⇒ 73 kg)Fabian Wegmann (Gerolsteiner)*1980; 1,76 m; 59 kg; 19,0 kg/m 2(normal: 21,4 kg/m 2 ⇒ 67 kg)Viktoria Beckham*1974; 1,70 m, 50 kg, 17,3 kg/m 2(normal: 23,4 kg/m 2 ⇒ 68 kg)Ana Carolina Reston† 2006 (18 J.); 1,74 m, 40 kg, 13,2 kg/m 2(normal: 19,5 kg/m 2 ⇒ 59 kg)

© R.Meutgens, 2006Hoffentlich glaubtman mir dieNummer mit demThomy-Testfahrer …

Vielen Dank für dieAufmerksamkeit !