Bitte atmen!

Optimierung der Sauerstoffversorgung im (Kraft-)Sport

Seit den Olympischen Sommerspielen 1968 in Mexiko, welche in 2200 m Höhe ausgetragen wurden, ist die Vorbereitung von Athleten durch das sogenannte Höhenanpassungstraining populär geworden. Das Austragen der Spiele im bergigen Land führte spontan zu einer Reihe von neuen Rekorden auf der Mittelstrecke und einer messbaren Verbesserung der Leistungen in einer Zahl von sportlichen Beiträgen. Heute gibt es zahlreiche Höhentrainingszentren in 1900 - 2500 Metern Höhe, welche Sportler aus Disziplinen wie Sprint- und Mittelstrecke, Teamsport aber auch Speer- und Diskuswerfen wochenlang für eine Optimierung ihrer sportlichen Leistungen beherbergen1,5.

Das Ruderergometer ist ein sinnvolles Cardiogerät für Kraftsportler. | Foto: Frank-Holger Acker

Alternativ werden Sportler in Druckkammern eingeschlossen oder mit einem künstlichen Gasgemisch beatmet, um sich den Trip in die Berge zu sparen aber eine ähnliche Atmosphäre zu erzeugen. Wirkungsvoll ist hierbei nicht nur der verminderte Sauerstoffpartialdruck (pO2), sondern auch die Reduktion des Gesamtdruckes. Der Nachweis eines positiven Effektes auf die aeroben Sportarten wurde mehrfach in Studien diskutiert und belegt.

Über den Effekt von Höhentraining auf das Bewegen von Gewichten ist bis heute nur wenig bekannt. Passiert wirklich etwas, wenn wir bei den letzten Reps die Luft anhalten? Und wenn ja, ist es etwas Gutes, das meinen Trainingseffekt steigert? In diesem Artikel sollen nun die Auswirkungen von Sauerstoff- und Atemvolumenreduktion im Hinblick auf eine Verbesserung der Performance im Kraftsport diskutiert werden.

Weniger Sauerstoff – was passiert im Körper?


Steigen wir spontan auf eine Höhe von 1500 Metern und mehr, ist der erste Effekt, der sofort beobachtet werden kann, die erhöhte Atemfrequenz. Landläufig wird davon gesprochen, dass die Luft „da oben dünner ist“. Das ist nur am Rande richtig. Sie Zusammensetzung der Luft ist identisch, reduziert ist nur der Gesamtdruck (von 1013 bar Meeresspiegel auf 740 bar auf 2500 Metern Höhe).

Da sich der Gesamtdruck aber aus den Teildrücken der einzelnen Gase zusammensetzt (Physikkurs lässt grüßen), ist dort oben der Sauerstoffdruck erniedrigt. Unsere Lunge ist jedoch auf den Sauerstoffdruck im Flachland ausgelegt und die Druckrezeptoren melden: Mehr atmen, der Druck reicht nicht, dass genug O2 ins Blut übergeht!“. Dem Körper droht die Gefahr einer Hypoxie, einer Unterversorgung mit Sauerstoff (O2).

Ein extrem gefährlicher Prozess. Unser Körper ist dieser Gefahr jedoch nicht schutzlos ausgeliefert. Wäre das so, würden wir bei jedem Ausflug auf den Stubaier Gletscher spontan auf der Hälfe der Auffahrt ernsthafte Probleme bekommen. Zunächst beginnt sich die Lunge an die reduzierte Verfügbarkeit von Sauerstoff anzupassen. Wir atmen mehr, hyperventilieren gar etwas, um mit mehr Luft auch mehr O2 zu erhalten1,2.

Das Herz beginnt gleichzeitig die Schlagfrequenz zu erhöhen. Der venöse Druck erhöht sich. Dies führt zu einer verstärkten Dehnung des Herzens in der Füllungsphase (Diastole) und erhöht damit die Menge an Blut, welches vom Herz in den Körper gepumpt wird. Da der Übergang von O2 in der Lunge ins Blut zunächst verschlechtert ist, muss mehr Blut durch den Kreislauf transportiert werden, um die Versorgung von Organen und Muskeln zu sichern1,2.

Neben dem Übergang des O2 von den Lungenbläschen (Alveolen) ins Blut ist die Transportfähigkeit von Gasen darin ein weiterer limitierender Faktor. Im Blut wird Sauerstoff an das Hämoglobin gebunden und so im Körper verteilt. Der rote Blutfarbstoff befindet sich in den Erythrozyten, den Blutkörperchen, welche maßgeblich den zellulären Anteil unseres Blutes ausmachen. Je mehr Erythrozyten wir haben, desto mehr Hämoglobin ist vorhanden und umso mehr O2 kann transportiert werden. Eine ganz einfache Rechnung!

Fällt der O2 Druck im Körper länger als vier Stunden ab, beginnt dieser mit dem Ausschütten des Hormons Erythropoetin1, auch kurz Epo genannt, welches dem einen oder anderen Fan der Tour de France schon einmal untergekommen sein könnte. Epo regt die Freigabe von Stammzellen an, die später zu Erythrozyten ausreifen und führt somit zur Bildung neuer kleiner Sauerstofftransporter. Dieser sogenannte Prozess der Blutbildung (obwohl sich ja nicht wirklich neues Blut bildet, sondern nur der zelluläre Anteil des Blutes erhöht wird) resultiert in einer effizienteren und schnelleren Versorgung des Körpers mit O2.

Neben einem kleinen Anteil in der Leber wird das meiste Epo in der Niere gebildet. Doch die Niere hat noch ein weiteres Ass im Ärmel, um den Körper vor Schäden von Hypoxie zu schützen. Die verstärkte Atmung führt nämlich nicht nur zu einer erhöhten Aufnahme von O2, sondern auch zu einem vermehrten Abatmen von Kohlendioxid. Dadurch entsteht eine respiratorische Alkalose, eine Anreicherung von Basen im Blut im Bereich der Lunge. Schon eine kleine Abweichung des pH Wertes im Blut ist für den Körper enorm gefährlich. Der pH-Wert beeinflusst zum Beispiel die Aktivität von Enzymen oder den O2-Transport massiv. Um das zu vermeiden regelt die Niere dagegen, spart Protonen und scheidet Basen über den Urin aus. Der pH-Wert des Blutes wird so wieder auf den normalen Wert reguliert1.

Nach etwa einer Woche dauerhaften Aufenthalts am Berg reduzieren sich die Atem- und Herzfrequenz wieder, es wird eine höhere Permeabilität der Lungenbläschen für Sauerstoff und eine bessere Durchblutung des Lungengewebes gemessen. Auch das Ausscheiden der Basen über die Niere ist nun wieder reduziert. Der zelluläre Anteil des Blutes bleibt erhöht. Dies ist eine langfristige Adaption des Körpers. Was bedeutet das nun für unseren Sportler? Sollte man ihn nun spontan wieder vom Berg ins Flachland setzen, kann seine Lunge den verfügbaren O2 besser nutzen und resorbiert mehr davon ins Blut als ein „Flachlandmensch“ es im Vergleich könnte. Mehr O2 aus der Lunge in Kombination mit mehr Erythrozyten bedeutet eine bessere Versorgung der Muskeln und Organe, also eine gute Sache für alle Arten der sportlichen Betätigung. Dieser Effekt hält zwischen 2-3 Wochen nach Rückkehr auf Meereshöhe an. Danach stellt sich schrittweise der Normalzustand wieder ein6,8.

Die Muskulatur in der Hypoxie


Nun kommen wir nach all den physiologischen Reaktionen zum Eingemachten: Was passiert denn mit meinen Muskeln bei weniger Sauerstoffdruck?

Zunächst klingt die körperliche Reaktion auch eine Verringerung des O2 erstmal ganz gut. Mehr Zellen für den O2-Transport, mehr Durchblutung, mehr Kreislauf.

Untersucht man nun Menschen, welche sich etwa zwei Monate im Rahmen einer Expedition im Himalaya aufhielten, stellt man fest, dass eine chronisches (also langfristige) Hypoxie den Muskeln gar nicht gut tut. Ausnahmslos alle Teilnehmer/innen wiesen ein kleineres Muskelvolumen, einen kleineren Durchmesser der Muskelfasern und eine Reduktion im Volumen der Mitochondrien auf. Es werden zwar mehr Blutgefäße im äußeren breiten Oberschenkelmuskel gefunden, das Verhältnis von Gefäßen zu Muskelfasern verändert sich jedoch nicht.

Die einzige Größe, welche sich positiv verändert hatte, ist die Sauerstoffaufnahmefähigkeit der Teilnehmer/innen. Setzt man also den Menschen längerfristig einer Hypoxie aus, führt dies eher zu einem Muskelschwund (Atrophie). Sauerstoff wird in großer Menge für die Synthese von Proteinen, den Bausteinen der Muskeln gebraucht. Vor dem Hintergrund der begrenzten O2-Verfügbarkeit am Berg also ein plausibles Ergebnis9,10. Der Aufenthalt von Wochen in Höhencamps, wie man es bei aeroben Sportarten pflegt, ist also für den motivierten Pumper keine Option. Was haben wir von einer besseren Sauerstoffverfügbarkeit, wenn gleichzeitig der Bizeps schrumpft?!4

Aber halt! Es ist nicht alles schlecht und hier kommt der Lichtblick am Horizont: Es existieren bis jetzt nur wenige Studien, welche die maximale Kraft in Kniebeugen und Bankdrücken in großen Höhen untersuchen7. Die Probandenzahl dieser Studien sind klein und die entsprechenden Kontrollgruppen teilweise nicht vorhanden. Diese Studien haben jedoch eines gemeinsam: Das Erfolgsgeheimnis liegt anscheinend darin, Sportler nur in kurzen Trainingseinheiten der Hypoxie auszusetzen! Der generierte Effekt der sogenannten Intermittierenden Hypoxie ist nämlich noch auf einer ganz anderen Ebene hilfreich für den Sportler und in diesem Zusammenhang auch für das Krafttraining.

Das Assault Bike fordert auch die Ausdauer von Kraftsportlern. | Foto: Frank-Holger Acker

Die Anaerobe Schwelle


In dem Moment, in dem unser Körper nicht mehr genug O2 zur Verfügung hat, um seine Energie über aerobe Glykolyse zu gewinnen (ich verweise hierbei für Details auf den Artikel Biochemie für Sportler IX), schaltet er auf die wesentlich ineffizientere anaerobe Glykolyse um. Diese produziert nicht nur signifikant weniger ATP, sondern auch Laktat als Nebenprodukt. Reichert sich Laktat im Muskel an, führt dies zu dem bekannten brennenden Schmerz, der irgendwann jede weitere Bewegung unmöglich macht.

Wie schnell sich Laktat anreichert ist also ein Kriterium dafür, wie lange wir unseren Muskel belasten können. Spannt man einem Radfahrer beim Training einige Wochen ein Bein in eine Druckkammer ein und lässt ihn mit dem anderen Bein bei normalem Druck radeln, zeigt das Bein aus der Kammer beim späteren Trainingseinheiten eine höhere Aktivität der Citrat-Synthase, einem Schlüsselenzym der aeroben Glykolyse, einen längeren Belastungszeitraum bis zur Ermüdung und eine höhere Konzentration von Myoglobin, dem Muskelsauerstofftransporter. Das Bein des Radfahrers hat also gelernt, länger O2 für seine Muskeln zur Verfügung zu stellen. Länger O2 bedeutet, länger aeroben Stoffwechseln, später Laktat und damit später Brennen und Limit4.

Was bedeutet dieser Befund für den Kraftsport?


Nun fahren wir kein Rad aber auch im Kraftsport kann das Herabsetzen der anaeroben Schwelle, also dem Zeitpunkt, an dem der Körper von aerobem zu anaerobem Stoffwechsel umstellt von Vorteil sein. Je besser wir uns mit Sauerstoff versorgen können, desto länger dauert es bis wir uns dem bösen Limit durch zu viel Laktat im Muskel nähren. Es gibt zahlreiche Studien, die klar zeigen, dass ein regelmäßiges aerobes Ganzkörpertraining den Laktatspiegel im Blut senkt10. Was heißt das?

Cardio! Was das Zeug hergibt! Wie wir es drehen und wenden, es muss anscheinend sein. Nicht nur, um ein paar zusätzliche Kalorien in der Strandfiguraktion zu verbrennen, sondern auch um die böse Anaerobe Schwelle herabzusetzen. Wir generieren nämlich während unserer Cardioeinheit eine Art Intermittierende Hypoxie, sehr ähnlich derer, die das Bein des Radfahrers in der Druckkammer erfährt, nur in kleiner4. Der Effekt, den das kurzfristige aerobe Zusatztraining auf die Maximalkraft hat, ist erstmal überschaubar. Studien zeigen eine Verbesserung von vier und sechs Prozent im Vergleich zur Kontrollgruppe ohne aerobes Training11.

Bevor jedoch der aufmerksame Leser nun sagt: „Was soll ich denn mit sechs Prozent?“ - bedenken wir: Wirklich ins Gewicht fallen hier die langfristigen Effekte, die aerobes Training auf den Körper hat. Eine Verbesserung der Herzleistung, Verbesserung der Durchblutung, auch für die aktive Regeneration, und eine Stärkung des Atmungsapperates sind nur drei der Vorteile. Und was das auf Dauer für unsere Trainingsperformance heißt, haben wir ja oben im Artikel gelernt. Also rauf aufs Laufband und nicht nur eins-zwei Mal, sondern regelmäßig.

Maske drauf und Laufband raus?


Als eine Alternative oder Ergänzung zur Cardioeinheit wird seit einiger Zeit die Optimierung der Atmung über ein Training der involvierten Muskulatur, das sogenannte Resistance Breathing (Atmen gegen einen Widerstand) beworben. Zu diesem Zwecke werden auf dem Markt Trainingsmasken angeboten, welche immerhin schon einmal optisch gut was her machen. Wer möchte nicht wie Bane aus Batman mit einer BadAss-Maske im Gesicht den Lauch von der Lieblingsbank wegjagen!?

Zunächst einmal muss man festhalten, dass diese Maske den Sauerstoffgehalt der Luft nicht verändert. Sie macht es dem Tragenden alleinig schwerer einzuatmen. Um die Lungen zu füllen muss damit mehr Kraft aufgewendet werden, als ohne Maske im Gesicht. Diese Bemühung soll einen kräftigenden Effekt auf die involvierten Muskeln haben. Nimmt man nun die Maske ab, soll es die Kräftigung der respiratorischen Muskulatur möglich machen, mehr Atemluft, somit auch mehr Sauerstoff in den Körper zu pumpen. Die Hypothese hierbei ist, dass die bessere Verfügbarkeit von Sauerstoff zu einer späteren Anreicherung von Laktat führt3.

Bringt diese Maske was? Bezieht man sich rein auf Studien zur Leistungsfähigkeit, ist die Antwort: Keine Ahnung! Studien existieren nämlich nicht für die Verwendung der Masken im Krafttraining. Getestet wurden sie ausgiebig an Menschen mit Chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD), Asthma und Lungenkrebs. Hier misst man eine deutliche Verbesserung der Atemfunktion. Bezüglich der Verwendung dieser Masken in Ausdauer- und Kraftsport besteht hier noch Nachholbedarf. Eine Verwendung der Masken von zwei kleinen Gruppen Studenten aus Wisconsin und Wesleyan ergab nach einem sechswöchigen Radtraining mit angeblich hoher Intensität keine Unterschiede12, 13.

Wie vorteilhaft es ist, die Masken beim Krafttraining zu tragen, bleibt offen. Man würde die gesamte Zeit schlichtweg wie durch einen Strohhalm atmen. Inwiefern das als angenehm empfunden wird, ist jedem selbst überlassen. Ob das Training mit Maske und das anschließende Training ohne sie einen Effekt auf die Maximalkraft hat, ist ebenso noch nicht untersucht. Da muss man sich noch auf Erfahrungsberichte verlassen.

Fazit


Höhentraining verhilft in aeroben Sportarten nur unter ganz bestimmten Bedingungen zu einer Verbesserung der Leistung. Am wirkungsvollsten ist hierbei das Prinzip „live high, train low“ – lebe in größerer Höhe und trainiere auf Höhe des Meeresspiegels. Wochenlanges Höhentraining führt bei Menschen zur Muskelatrophie und ist somit keine Option für die Steigerung der Maximalkraft oder Muskelzuwachs.

Kraftsportler profitieren jedoch von dem Herabsetzen der anaeroben Schwelle. Durch regelmäßiges aerobes Training kann die Muskulatur langfristig besser mit Sauerstoff versorgt werden, was zu einer späteren Anreicherung von Laktat und Ermüdung der Muskulatur führt. Die Verwendung von Trainingsmasken verfolgt diesen Zweck, ist aber noch nicht ausreichend in ihrer Wirksamkeit untersucht.

Quellen

  1. Morteza Khodaee, MD, MPH, Athletes at High Altitude, Sports Health. 2016 Mar-Apr;8 (2):126-32.
  2. Wayne M. Weil, M.D., High-Altitude Illness and Muscle Physiology, Bulletin of the NYU Hospital for Joint Diseases 2007;65(1):72-7.
  3. M. JEFFERY MADOR, Effect of respiratory muscle fatigue on subsequent exercise performance, Division of Pulmonary Medicine, State University of New York at Buffalo.
  4. Hans Hoppeler, Muscle tissue adaptations to hypoxia, The Journal of Experimental Biology 204, 3133–3139 (2001).
  5. Robert J Aughey, Yin and yang, or peas in a pod? Individual-sport versus team-sport athletes and altitude training, Aughey RJ, et al. Br J Sports Med 2013;47.
  6. Robert S. Mazzeo, Ph.D., Altitude, exercise and immune function, Exerc Immunol Rev. 2005;11:6-16.
  7. Amador García-Ramos, The Effect of Acute and Chronic Exposure to Hypobaric Hypoxia on Loaded Squat Jump PerformanceJournal of Human Kinetics volume 56/2017, 149-158.
  8. Robert F. Chapman, Timing of Return From Altitude Training for Optimal Sea Level Performance, Articles in PresS. J Appl Physiol (December 12, 2013).
  9. James Uniacke,An oxygen-regulated switch in the protein synthesis machinery, 7 JUNE 2012 | VOL 486 | NATURE | 129.
  10. Alberto E. Minetti, Himalayan porter’s specialization: metabolic power, economy, efficiency and skill, Proc. R. Soc. B (2006) 273, 2791–2797.
  11. Christina M. Spengler, Decreased exercise blood lactate concentrations after respiratory endurance training in humans, Eur J Appl Physiol (1999) 79: 299±305.
  12. John P. Porcari, Effect of Wearing the Elevation Training Mask on Aerobic Capacity, Lung Function, and Hematological Variables, J Sports Sci Med. 2016 Jun; 15(2): 379–386.
  13. NICOLE C. BIGGS, Effects of Simulated Altitude on Maximal Oxygen Uptake and Inspiratory Fitness, Int J Exerc Sci. 2017; 10(1): 127–136.

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