Skelettmuskel im Fokus

Durchblutung und Energiebereitstellung beim Training

In unserem Forum gibt es bereits mehrere Artikel über den Aufbau, den Kontraktionsablauf oder die unterschiedlichen Arten der Skelettmuskulatur. Heute soll es jedoch in diesem Zusammenhang verstärkt um die Durchblutung und die Energiebereitstellung bei körperlicher Arbeit – also beim Training – gehen.

Durchblutung während körperlicher Ruhe und körperlicher Arbeit


Um sich die Dimensionen, in denen unser Körper optimalerweise die Durchblutung während körperlicher Arbeit anpassen kann, veranschaulichen zu können, ist es sinnvoll, sich einen Überblick über den Durchblutungszustand der Skelettmuskulatur in körperlicher Ruhe zu verschaffen.

Während wir also faul im Bett rumliegen, fällt auf die Skelettmuskulatur 19 % des Herzzeitvolumens ab. Dieses Herzzeitvolumen beschreibt das Volumen an Blut, das das Herz pro Zeiteinheit in den Körperkreislauf pumpt. Beim durchschnittlichen Erwachsenen liegt das in einer Größenordnung von etwa 5 Liter pro Minute. 19 % davon entsprechen 0,95 Liter Blut, welches pro Minute in Ruhe durch unsere Skelettmuskulatur gepumpt wird.

Foto: Andreas Volmari

Bei Anstrengung tragen zahlreiche Mechanismen, auf die im weiteren Verlauf noch näher eingegangen wird, zu einem erhöhten Herzzeitvolumen bei. Somit strömen also pro Minute insgesamt mehr Liter Blut durch unser Körper, als es in Ruhe der Fall ist. Daraus resultiert logischerweise, dass auch die Skelettmuskulatur durchaus stärker durchblutet werden kann – und das in einem nicht gerade geringen Maße. Um sage und schreibe bis zu dem 40-fachen der Ruhedurchblutung kann nämlich eine Durchblutungssteigerung stattfinden.

Doch wie genau kann es dazu kommen?

Voraussetzungen zur Durchblutungssteigerung in der Muskulatur


Die Mehrdurchblutung findet aus dem einfachen Grund statt, dass der aktive Muskel einen erhöhten Sauerstoffbedarf hat. Natürlich müssen hierfür zunächst das Herz, die Atmung und der gesamte Kreislauf adaptieren. Die genauen Mechanismen hierfür würden den Rahmen des Artikels wohl sprengen.

Wir wollen uns hier auf die Mechanismen in der Skelettmuskulatur selbst beschränken, weshalb im Folgenden nur kurz die Anpassungsresultate an körperliche Arbeit der oben genannten Strukturen aufgezählt werden:
  1. In den Blutgefäßen der Haut und der Organgebiete kommt es zur Gefäßverengung.
  2. Die Blutgefäße der Skelettmuskulatur jedoch erweitern sich. Das sich im großen Körperkreislauf befindende Blut wird also zugunsten der Skelettmuskulatur umverteilt.
  3. Der venöse Rückstrom zum Herzen wird verstärkt, indem die Venen sich verengen. In Ruhe speichern diese einen beachtlichen Anteil des sich im großen Körperkreislauf befindlichen Blutes. Durch die Verengung werden einige Blutmengen aus den venösen Speichern mobilisiert.
  4. Am Herzen kommt es zu einer schnelleren Schlagfrequenz und einer erhöhten Kontraktilität. Der Herzmuskel pumpt also stärker.
  5. Punkt 3 und 4 führen zusammen zu einer Erhöhung des Herzzeitvolumens. Bei Hochleistungssportlern kann dies auf bis zu 40 Liter pro Minute ansteigen (zur Erinnerung: In Ruhe beträgt es etwa 5 Liter pro Minute).
  6. Über die Atmung kommt es zu einer um etwa 10- bis 20-fach gesteigerten Sauerstoffaufnahme, indem die Atemfrequenz erhöht und die Atmung an sich tiefer (also das Atemvolumen größer) wird.

Mechanismen der Durchblutungssteigerung im aktiven Muskel

Unser Körper versucht natürlich erstmal, so wenig Energie wie möglich zu verbrauchen, weshalb durch die Durchblutungsmechanismen sichergestellt wird, dass auch wirklich nur die Muskeln eine stärkere Durchblutung erfahren, die auch wirklich aktiv sind.

Dies erfolgt über sogenannte lokal chemische und metabolische Faktoren, die also - wie der Name schon verrät – lokal an der Stelle, an der sie zum Beispiel als Stoffwechselendprodukte (= Metaboliten) anfallen, eine Vasodilatation (= Gefäßweitstellung) bewirken. Vor allem die Metaboliten sind dabei ein Anzeichen dafür, dass die Durchblutung im betroffenen Areal noch zu geringgehalten ist.

Zu den gefäßerweiternden Faktoren gehören:
  • Metaboliten:
    • ein fallender Sauerstoffpartialdruck (= der Druck, den Sauerstoff am Gesamtdruck des sich im Körper befindlichen Gasgemisches ausmacht)
    • ein steigender Kohlenstoffdioxidpartialdruck
    • ein abnehmender – also saurer werdender – pH-Wert
    • steigende Konzentrationen an ADP
  • Vasodilatation:
    • Stickstoffmonoxid (wichtiger chemischer Faktor)
    • die lokale Hemmung der Noradrenalinfreisetzung, welches normalerweise zu einer Gefäßverengung führt
Durch den erhöhten Sauerstoffbedarf (oder auch „Sauerstoffverbrauch“) der arbeitenden Muskulatur ist der Abfall des Sauerstoffpartialdrucks einleuchtend.

Sinkt der Sauerstoffpartialdruck, steigt der Kohlenstoffdioxidpartialdruck hingegen an, was übrigens auch in einem leicht saurer werdendem pH-Wert resultiert, der allerdings bei körperlicher Arbeit durch physiologische Vorgänge im Körper im Rahmen gehalten werden kann und keinesfalls als pathologisch zu werten ist.

Auch der steigende Spiegel an ADP ist ganz logisch: Im arbeitenden Muskel wird stets ATP zur Energiegewinnung verbraucht, welches sich dabei zu ADP und freiwerdendem Phosphat verwandelt.

Wo auf einmal dieses Stickstoffmonoxid (NO) herkommt, kann wiederum über einen komplizierteren Mechanismus, welcher den Rahmen des Artikels sprengen würde, erklärt werden. Es fällt jedenfalls in Gebieten, die eine verstärkte Durchblutung erfahren müssen, vermehrt an und wirkt über eine Relaxation der glatten Muskulatur, die die Blutgefäße umgibt, vasodilatierend. Von diesen lokal-chemischen Faktoren, zu denen NO gezählt wird, gibt es noch eine ganze Reihe mehr im menschlichen Körper. Speziell für die Skelettmuskeldurchblutung ist jedoch Stickstoffmonoxid das mit Abstand bedeutsamste.

Somit ist also klar, wie genau der Körper eine Mehrdurchblutung nur da veranstalten kann, wo sie auch wirklich von Nöten ist, nämlich beim Training im beanspruchten Muskel.

Foto: Andreas Volmari

Energiebereitstellung im aktiven Muskel


ATP ist nach dem oben bereits erwähnten Mechanismus (ATP -> ADP + P) ein wichtiger Bestandteil der Energiegewinnung für die Muskelarbeit. Für die ersten Sekunden der Anstrengung reicht unser ATP-Speicher in den Muskelzellen auch aus. Dauert die Belastung länger an, so wird die im Muskel in Form von Kreatinphosphat gespeicherte Energie in ATP umgewandelt.

Dazu spalten Enzyme (sogenannte Kreatinkinasen) das Phosphat aus dem Kreatinphosphat heraus und übertragen es auf ADP (also ADP + P -> ATP). Auch diese Form der Energiebereitstellung reicht allerdings nur für weitere etwa 20 Sekunden aus. Dies würde in etwa für die Dauer eines 100-Meter-Sprints ausreichen. Wie wir jedoch wissen, ist Bodybuilding ein Marathon und kein Sprint.

Während wir also fröhlich weiterbeugen, muss sich unser Muskel jetzt irgendwie anderweitig weiterhelfen: Dies tut er über die sogenannte anaerobe Glykolyse. Aus den muskulären Zuckervorräten („Glykogenspeicher“) holt er sich also jetzt Glucose, um diese zu Milchsäure (Lactat) abzubauen. Dabei werden pro mol Glucose ganze 3 Moleküle an ATP frei. Klingt nicht so viel, aber ist immerhin mehr, als wenn der Muskel anstatt der im Glykogen gespeicherten Glucose nur die sich im Blut frei befindliche Glucose nehmen würde. Aus letzterer würde er nämlich pro mol Glucose nur 2 ATP herstellen können.

Dennoch ist die anaerobe Glykolyse viel zu ineffizient, als dass sie für schwere körperliche Arbeit ausreichend Energie liefern könnte.

Wer also seit etwa einer Minute am Beugen ist, bei dem wird der Muskel auf die aerobe Glykolyse zur Energiegewinnung umschalten. Vereinfacht gesagt versteht man darunter den Glucoseabbau mit Hilfe von Sauerstoff (während „anaerob“ ohne Sauerstoff bedeutet) zur ATP-Gewinnung. Dieser Mechanismus ist mit 32 ATP pro mol Glucose äußerst effizient, weshalb er uns zu Dauerleistungen befähigt.

Beim Beugen jedoch – genau wie bei jeglicher anderer Form der Muskelkontraktion – findet ein ständiger Wechsel zwischen Kontraktion und Erschlaffung des Muskels statt. Bei jeder Kontraktion werden die Gefäße im angesteuerten Skelettmuskel verengt, wodurch dieser kurzzeitig unter einer Minderdurchblutung und einem damit einhergehenden Sauerstoffmangel leidet. Dies ist unter anderem der Grund, weshalb unser Skelettmuskel im Training immer wieder auf die Form der anaeroben (energieärmeren!) Form der Glykolyse zurückgreifen muss und im Laufe des Satzes immer weiter ermüdet. Das bekannte Brennen im Muskel wird dabei durch die Anhäufung des Lactats ausgelöst.

Fazit


Insgesamt ist dieses Thema natürlich sehr theoretisch. Dennoch kann man sich daraus bei genauerem Lesen und weiterem Nachdenken einige weitere für den Kraftsport relevante Themen/Mechanismen besser erklären.

So möchte ich an dieser Stelle für alle Interessierten die Empfehlung aussprechen, sich nochmal auf den Absatz über das Kreatinphosphat zu stürzen. Daraus lässt sich nämlich beispielsweise ganz logisch ableiten, weshalb eine Kreatin-Supplementation wirklich sinnvoll sein kann.

Ein Blick auf den Anfang der Energiegewinnung des Muskels wiederum verrät, warum diese Supplementation aber vor allem für kurze explosive Anstrengungen hilfreich ist. Auch erklärt sich anhand des Artikels, was genau alle immer meinen, wenn sie von „aufgebrauchten Glykogenspeichern“, die nach dem Training wieder aufgefüllt werden müssen, reden.

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