Umstellung bei körperlicher Arbeit

• Unter Belastung steigen die Konzentrationen von Katecholaminen, ACTH (Adrenocorticotropin), STH (Somatotropin), Cortisol und Glukagon, während der Insulin-Spiegel fällt
• Für die Kontraktionsvorgänge muss den Muskelzellen Energie in Form von ATP zur Verfügung stehen
• ATP kann durch einen intrazellulären Vorrat, Kreatinphosphat, die anaerobe und aerobe Glykolyse und durch die aerobe Fettsäureoxidation gewonnen werden
• Der intrazelluläre Vorrat an ATP reicht für die ersten Sekunden starker Muskelaktivität aus
• Kreatinphosphat liefert Energie für weitere 20-25 Sekunden, bei maximaler Leistung (z.B. bei einem 100-Meter-Sprint)
• Die anaerobe Glykolyse ist ineffizient und deckt den Energiebedarf nur für etwa 1 Minute
• Die aerobe Glykolyse wird zunehmend wichtiger, da pro Molekül Glucose ca. 32 Moleküle ATP hergestellt werden können
• Die aerobe Fettsäureoxidation findet während einer Ausdauerleistung statt und kann über mehrere Stunden hinweg große Mengen ATP herstellen

Energiegewinnung aus Laktat

• Bei sehr schwerer körperlicher Arbeit reicht der niedrige O₂-Partialdruck nicht aus, um Pyruvat vollständig abzubauen und ATP oxidativ zu resynthetisieren
• Das Endprodukt der anaeroben Glykolyse ist Laktat
• Laktat und Protonen werden ins Blut abgegeben, was zu einem Anstieg der Laktatkonzentration und einem Absinken des pH-Wertes führt
• Bei einem Laktatspiegel von über 15 mmol/l kann es zu einer metabolischen Azidose kommen
• Laktat kann jedoch weiter zur Energiegewinnung genutzt werden und ist ein möglicher Ausgangsstoff der Gluconeogenese
• Die Energiegewinnung aus Laktat findet in der Skelettmuskulatur und im Herzen statt, wobei Laktat während der Arbeit der wichtigste Energielieferant des Herzens ist
• Die Verwendung des Laktats zur Gluconeogenese findet in der Leber statt

Anpassungsvorgänge der Durchblutung

• Skelettmuskulatur: die Durchblutung kann um den Faktor 20 oder mehr ansteigen. Dies erfolgt durch eine chemische und humorale Dilatation der Muskelgefäße und eine Umverteilung von Blut zugunsten der aktiven Muskulatur
• Haut: zu Beginn der Belastung vermitteln α1-Adrenorezeptoren eine Konstriktion der Gefäße in der Haut, später kommt es durch eine Vasodilatation zu einer Durchblutungssteigerung, wenn vermehrt Wärme abgegeben werden muss
• Splanchnikusgebiets (ausgenommen Niere): Durchblutung wird durch α1-adrenerge Rezeptoren reduziert
• Niere und Gehirn: die Perfusion bleibt nahezu konstant, unabhängig von dem Grad der körperlicher Belastung (Autoregulation durch den Bayliss-Effekt)
• Herz:die Koronardurchblutung kann auf das 4-5-Fache des Ruhewerts ansteigen (Koronarreserve) durch lokale Faktoren wie pO₂, Adenosin und NO, sowie Vasodilatation durch Adrenalin über β2-Adrenorezeptoren
• Venöser Rückstrom: der venöse Rückstrom wird durch eine Tonisierung der Venen und eine sinkende venöse Compliance verstärkt. Dies führt zur verstärkten Füllung des Herzens und einer erhöhten Vorlast

Anpassungsvorgänge am Herzen

Herzfrequenz:

• Steigerung bei körperlicher Belastung
• Bei einer leichten und mittleren Arbeit erreicht sie einen konstanten Wert (steady-state)
• Ein Anstieg bei schwerster Arbeit zeigt ein Überschreiten der Dauerleistungsgrenze (= Ermüdungsanstieg)
• Nach einer Belastung fällt die Frequenz mit einer Verzögerung auf ein Ruheniveau ab (die Summe der Pulse über der Ruheherzfrequenz während der Erholungsperiode wird als Erholungspulssumme bezeichnet)

Herzzeitvolumen und Schlagvolumen:

• Das Herzzeitvolumen steigt durch einen verstärkten venösen Rückstrom an
• Es kann um den Faktor 3-4 gesteigert werden, bei Hochleistungssportlern bis zu 30-40 Litern/Minute
• Die Steigerung ist hauptsächlich auf die Erhöhung der Herzfrequenz zurückzuführen
• Das Schlagvolumen steigt nur zu Beginn der Belastung leicht an. Danach bleibt es konstant

Blutdruck:

• Der arterielle Blutdruck steigt durch ein erhöhtes Herzzeitvolumen an
• Die Wirkung auf den systolischen Blutdruck ist stärker als auf den diastolischen Blutdruck
• Der systolische Blutdruck kann bei dynamischer Belastung um 20 mmHg oder mehr ansteigen
• Der diastolische Blutdruck bleibt fast unverändert oder sinkt sogar etwas
• Die Blutdruckamplitude wird größer, der arterielle Mitteldruck steigt nur leicht an
• Bei einer isometrischen Belastung steigt der Blutdruck durch einen erhöhten peripheren Widerstand an
• Bei einer dynamischen Belastung entspannen sich die Gefäße zwischen den Kontraktionen, der periphere Widerstand wird in diesen Phasen wieder gesenkt

Anpassungsvorgänge des respiratorischen Systems

• Die Sauerstoffaufnahme kann um den Faktor 10 bis 20 gesteigert werden, wenn der Körper belastet wird
• Das Atemzeitvolumen steigt fast linear mit der Belastung an, erreicht bei Ausdauertrainierten bis zu 200 Litern/Minute und resultiert aus tieferen Atemzügen und einer erhöhten Atemfrequenz
• Lokale Effekte an der Lunge erleichtern die Steigerung der Sauerstoffaufnahme, wie die Bronchodilatation und die Eröffnung zusätzlicher Lungenkapillaren und Alveolen
• Die gesteigerte Atmung bei intensiver Belastung und anaerober Energiegewinnung ist notwendig, um sowohl den alveolären als auch den arteriellen CO2-Partialdruck ausreichend zu senken (durch die körperliche Belastung entsteht mehr CO2 und die arteriovenöse Sauerstoffdifferenz steigt an)
• Die Sauerstoffaufnahme benötigt bis zu 5 Minuten, um sich an den gesteigerten Bedarf anzupassen und einen "steady-state" zu erreichen
• Bei längeren Belastungen erfolgt die Energiegewinnung aerob, wodurch der Verbrauch von Sauerstoff linear zum Anstieg der Belastungsintensität pro Watt um ca. 10 ml O₂/min steigt

Sauerstoffschuld:

• Nach Ende der Belastung muss das respiratorische System weiterhin vermehrt Sauerstoff aufnehmen, um die verbrauchten Energiespeicher wieder aufzufüllen
• Die vorübergehende anaerobe Energiegewinnung während der Belastung führt zur Aufnahme einer Sauerstoffschuld
• Die gesteigerte Sauerstoffaufnahme nach der Belastung gleicht die Sauerstoffschuld wieder aus
• Nach schwerer körperlicher Arbeit mit einer Überschreitung der Dauerleistungsgrenze ist die arteriovenöse Sauerstoffdifferenz erhöht
• Bei Belastungen oberhalb der Dauerleistungsgrenze ist die Nachatmung von Sauerstoff besonders ausgeprägt

• Der zusätzlich aufgenommene Sauerstoff wird nicht nur zur Bildung energiereicher Phosphate genutzt, sondern auch zum Abbau von Laktat