Dreiphasigkeit der Energiebereitstellung

In der Leistungsdiagnostik werden üblicherweise submaximale und maximale Kennwerte der Leistungsfähigkeit über ergometrische Stufentests ermittelt. Historisch gesehen gabt es mehrere Konzepte die versuchten mit fixen Kenngrößen die Übergänge zwischen den unterschiedlichen metabolischen Phasen unter Belastung zu beschreiben. Keine dieser Fixkonzepte haben sich jedoch bewährt.

Man geht aktuell davon aus, dass der Energiestoffwechsel und die daraus resultierende Substratutilisation in drei Phasen abläuft:

• Phase I: muskulär metabolisch balancierte Phase
• Phase II: systemisch metabolisch balancierte Phase
• Phase III: nicht mehr metabolisch balancierte Phase

Die individuelle Bestimmung dieser Phasen spielt eine wichtige Rolle in der Leistungsdiagnostik und Trainingssteuerung. Nur durch eine genaue Bestimmung mittels exakter Messmethoden kann eine sinnvolle Trainingssteuerung stattfinden. Hierfür wird in der Regel das Verhalten der belastungsabhängigen Blut-Laktat-Konzentration, der Atemgase und der Herzfrequenz in einem stufenförmigen Ergometertest bestimmt. (Hofmann u. Tschakert 2011).

Laktat-Shuttle Theorie

Begründet werden diese Zustände anhand der Laktat-Shuttle-Theorie nach Brooks. Sie besagt, wird in einem Muskel in einer schellen Muskelfaser mehr Laktat produziert als diese Faser selbst intrazellulär metabolisieren kann, so wird das Laktat aus der Faser eliminiert und von nahe gelegenen langsameren Typ-I-Fasern aufgenommen und oxidativ verwertet. Solange diese oxidative Fähigkeit der langsamen Fasern ausreichend hoch ist, gelangt kein Laktat aus dem Muskel ins System. Wird diese Kapazität jedoch überschritten, kommt es zur Elimination von Laktat in die Gefäßbahn und taucht damit messbar im System auf. Laktat kann dann über den Kreislauf zu anderen Geweben und Organen wie z.B. Herz, Gehirn, Leber oder ein ruhender Muskel, transportiert und dort weiter oxidativ verwertet oder aber wieder in Glukose umgewandelt und als Glykogen gespeichert werden. (Cori-Zyklus in der Leber)

Schwellenpunkte und Laktat-Steady-State

Im Rahmen von körperlicher Beanspruchung können mit Hilfe von z.B. ergometrischen Stufentests bestimmte energetische Übergangszustände erkannt werden, in denen es zu verschieden hoher Inanspruchnahme von aeroben und anaeroben Prozessen sowie deren Balance auf lokaler und systemischer Ebene kommt. Im Mittelpunkt der Leistungsdiagnostik steht die Bestimmung sogenannter Schwellenpunkte oder Umstellpunkte, an denen ein Wechsel von einem lokal balanciertem zu einem systemisch balanciertem und einem nicht mehr balancierten metabolischen Systemzustand zu erkennen ist.

Dreiphasigkeit der Energiebereitstellung

In der ersten Phase wird Laktat, welches im Muskel anfällt auch innerhalb des Muskels wieder oxidativ verwertet. Sie wird als muskulär metabolisch balancierte Phase bezeichnet. Es tritt kein Laktat ins System über und die systemische Laktatkonzentration bleibt auf einem Ruhe- bzw. Ausgangsniveau.

Kommt es im Verlauf zu einer Steigerung der Belastung, wird nun im Muskel vermehrt Laktat produziert, da auch der Anteil der anaeroben Prozesse steigt. Kann das angefallene Laktat nicht mehr im Muskel selbst verstoffwechselt werden, so diffundiert ein Teil des entstandenen Laktats in das System. Dort wird es dann getreu der Laktat-Shuttle-Theorie zu anderen Geweben und Organen transportiert wird, die Laktat nun oxidativ verwerten, oder es zur über den sogenannten Cori-Zyklus zur Glukoneogenese nutzen.

Der Übergang von Phase I zur Phase II wird als erste Laktat Turn Point (LTP₁) bezeichnet. Mit weiterer Steigerung der Belastung steigt die Laktatproduktion weiter und mit ihr auch die Laktat-Konzentration im Blut. Die systemische Eliminationskapazität von Laktat ist allerdings in Phase II noch hoch genug um das anfallende Laktat zu kompensieren. Man nennt die Phase II deshalb systemisch metabolisch balancierte Phase. Ist die systemische Eliminationskapazität für Laktat jedoch ausgeschöpft und wird überschritten, kommt es in der Phase III zu einem exponentiellen Anstieg der systemischen Laktat-Konzentration. einer Azidose (Übersäuerung) führt, Im Verlauf kommt es zum Abbruch der Belastung da die dadurch entstandene Azidose (Übersäuerung) nicht mehr kompensiert werden kann. Man nennt diese Phase III deshalb nicht mehr metabolisch balancierte Phase. Der Übergang von Phase II zu III wird als zweiter Laktat Turn Point (LTP₂) bezeichnet. (Binder et al. 2008; Hofmann et al. 1992, 1994, 1997)

Durch die erhöhte Protonenfreisetzung wird die zelluläre Pufferkapazität ausgeschöpft und es kommt zunehmend zu einer Azidose. Dadurch entsteht eine güstigere bioenergetische und biodynamische Situation für die LDH-Reaktion. Somit wird die Laktat-Produktion weiter erhöht. Daraus folgt dass die Laktat-Produktion in Phase III eher eine Konsequenz als eine Ursache diese zellurären Bedingungen ist.

Quellen

Wonisch, M., Hofmann, P., Förster, H., Hörtnagl, H., Ledl-Kurkowski, E., & Pokan, R. (2017). Kompendium der Sportmedizin – Physiologie, Innere Medizin und Pädiatrie. In Journal of Chemical Information and Modeling (Vol. 53, Issue 9).

Binder RK, Wonisch M, Corra U, Cohen-Solal A, Vanhees L, Saner H, Schmid JP (2008) Methodological approach to the first and second lactate threshold in incremental cardiopulmonary exercise testing. Eur J Cardiovasc Prev Rehabil 15: 726–734

Hofmann P, Pokan R, von Duvillard SP, Seibert FJ, Zweiker R, Schmid P (1997) Heart rate performance curve during incremental cycle ergometer exercise in healthy young male subjects. Med Sci Sports Exerc 29(6): 762–8

Leitner H, Hofmann P, Leitner K (1992) Software zur Auswertung von Herzfrequenz und Laktatwerten in der Leistungsdiagnostik. Österr J Sportmed 22: 115–118

Leitner H, Hofmann P, Leitner K (1994) Anwendung der Fuzzy Logik zur Schwellenbestimmung in der Leistungsdiagnostik. In: Liesen H, Weiss M, Baum M (Hrsg) Regulations- und Repairmechanismen. 33. Deutscher Sportärztekongress
Paderborn 1993. Deutscher Ärzte Verlag, Köln, S 197–199

Tschakert G, Hofmann P (2013) High-intensity intermittent exercise: methodological and physiological aspects. Int J Sports Physiol Perform 8(6): 600–10