Leistungs- und ernährungsphysiologische Grundlagen im Sport

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

Abkürzungen

2. Leistungsphysiologische und medizinische Grundlagen
2.1 Energiestoffwechsel
2.1.1 Energiebedarf
2.1.2 Energiebilanz
2.1.3 Energetische Sicherung der Muskelarbeit
2.2 Grundumsatz
2.3 Arbeits- und Leistungsumsatz
2.4 Muskelarbeit
2.4.1 Funktion, Struktur und Aufbau des Muskels

3. Ernährungsphysiologische Grundlagen
3.1 Kohlenhydrate
3.1.1 Die allgemeine Bedeutung der Kohlenhydrate in der Ernährung
3.1.2 Aufbau der Kohlenhydrate
3.1.3 Stoffwechsel
3.1.4 Ballaststoffe
3.1.5 Kohlenhydrate im Sport
3.1.5.1 Kohlenhydrataufnahme vor körperlichen Belastungen
3.1.5.2 Kohlenhydrataufnahme während des Trainings und Wettkämpfen
3.1.5.3 Kohlenhydrataufnahme während der Regeneration
3.2 Fette
3.2.1 Die allgemeine Bedeutung der Fette in der Ernährung
3.2.2 Aufbau der Fette
3.2.3 Fette im Sport
3.3 Proteine
3.3.1 Die allgemeine Bedeutung der Proteine in der Ernährung
3.3.2 Aufbau der Proteine
3.3.3 Biologische Wertigkeit
3.3.4 Proteine im Sport
3.4 Vitamine
3.4.1 Die allgemeine Bedeutung von Vitaminen im Leistungssport
3.4.2 Die Vitamine A, D, E, K
3.4.3 Die Vitamine B1, B2, B6, B
3.4.4 Vitamin C
3.4.5 Biotin, Folsäure, Niacin, Pantothensäure
3.5 Mineralstoffe
3.5.1 Die allgemeine Bedeutung der Mineralstoffe im Leistungssport
3.5.2 Mengenelemente: Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Phosphor, Eisen, Zink
3.5.3 Spurenelemente: Selen, Kupfer, Chrom, Jod
3.6 Flüssigkeitsaufnahme im Sport
3.6.1 Flüssigkeitsaufnahme und Leistungsfähigkeit
3.6.2 Flüssigkeitsaufnahme bei verschiedenen Sportarten
3.6.2.1 Kampfsportarten
3.7 Wirkstoffe
3.7.1 Aminosäuren
3.7.2 L- Carnitin
3.7.3 Coenzym Q
3.7.4 Taurin
3.7.5 Koffein
3.7.6 Kreatin

4. Ernährungsformen im Sport
4.1 Risikogruppen in der Sporternährung
4.1.1 Muskelaufbau
4.1.2 Halten von niedriger Körpermasse
4.1.3 Häufige Masseveränderungen
4.1.4 Langzeitausdauerleistungsfähigkeit
4.2 Ernährungsweisen in verschiedenen Sportartengruppen
4.2.1 Fitnesssport
4.2.2 Ausdauersport
4.2.3 Schnellkraftsport

5. Schlussbetrachtung

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Seit dem Beginn der achtziger Jahre des 20. Jahrhunderts betreibt ungefähr jeder vierte Bundesbürger Sport [GEIß/ HAMM 2000].

Dieser Trend, maßgeblich durch die von den USA nach Europa eingeführte Fitnesswelle beeinflusst, brachte mit der sportlichen Betätigung ebenfalls ein neues Lebensgefühl in Zusammenhang. Somit stand Sport plötzlich in enger Beziehung zu Gesundheit und Wohlbefinden.

Unabhängig davon, aus welchen Gründen Menschen Sport betreiben, sind die ausschlaggebendsten Voraussetzungen für körperliche Aktivität die Leistungs- bereitschaft und die Leistungsfähigkeit des Organismus. Um Erfolge zu erlangen gelten optimales Training, die mentale Einstellung und eine sportartgerechte Ernährung als Grundvoraussetzungen für die bestmögliche Leistungsfähigkeit des Körpers. Gerade durch eine bedarfs- bzw. sportartgerechte Ernährung lassen sich Leistungssteigerungen bis zu 15 % erzielen [GEIß/ HAMM 2000].

Das Wesen der Sporternährung besteht jedoch nicht in der Empfehlung von Nährstoffrelationen, viel wichtiger sind hier die bedarfsgerechte Ernährung (in Hinsicht auf die verschiedenen Anforderungen an einzelne Sportartengruppen) und die Sicherung der Regeneration.

In vorliegender Examensarbeit soll auf wesentliche und für den Sportler nützliche Anhaltspunkte in Bezug auf die Ernährung innerhalb der Trainings- und Wettkampfphasen aufmerksam gemacht werden. Ferner wird auf leistungs- physiologische und medizinische Grundlagen der Sporternährung, insbesondere den Energiestoffwechsel, den Grundumsatz und die Muskelarbeit eingegangen. Im Kapitel der ernährungsphysiologischen Grundlagen der Sporternährung finden die Kohlenhydrate, Fette, Proteine, Vitamine, Mineralstoffe, die Flüssigkeitsaufnahme im Sport sowie verschiedene Wirkstoffe besondere Berücksichtigung; außerdem werden innerhalb dieses Kapitels die allgemeinen Bedeutungen der Kohlenhydrate, Fette und Proteine in der Ernährung dargelegt. Des Weiteren wird auf die verschiedenen Ernährungsformen in verschiedenen Sportartengruppen sowie Risikogruppen in der Sporternährung eingegangen.

Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2. Leistungsphysiologische und medizinische Grundlagen

Folgendes Kapitel dient der Klärung einzelner Grundbegriffe, die in den nachfolgenden Kapiteln in Bezug auf die Sporternährung von Bedeutung sind.

2.1 Energiestoffwechsel

2.1.1 Energiebedarf

Biologisch betrachtet ist der menschliche Körper ein Zusammenschluss von Zellen, die in einem Verband von funktionellen Einheiten im Körper verschiedene Arbeiten verrichten. Hierzu zählen der Aufbau und die Erhaltung von Organ- und Zellstrukturen, die Erhaltung und die Bildung des intra- und extrazellulären Flüssigkeitsmilieus, mechanische Arbeit (verschiedene Bewegungsabläufe), neurogene Koordination (Steuerung verschiedener Bewegungsabläufe im Sinne einer Signalabgabe und die Aufnahme von Reizen und Impulsen aus der Umwelt), chemische Arbeit (zum Beispiel die Biosynthese der Hormone) sowie die osmotische Arbeit.

Um anfangs genannte Arbeitsleistungen verrichten zu können, sind die menschlichen Zellen auf chemische Energie angewiesen, die in Form von Nahrung aufgenommen werden muss. Über komplexe Stoffwechselprozesse wird die über die Nahrung aufgenommene chemische Energie im Organismus in biologische Energie umgewandelt. Das eigentliche Substrat dieser biologischen Energie ist das ATP (Adenosintriphosphat).

Stoffwechselprozesse, die zur Lieferung, also zur Bildung von ATP beitragen, werden in den Energiestoffwechsel eingeordnet; Stoffwechselprozesse, die ATP verbrauchen, werden dem Leistungsstoffwechsel zugeordnet [GEIß/ HAMM 2000].

Der menschliche Energiebedarf setzt sich aus vier Faktoren zusammen:

1. Aus dem Grundumsatz
2. Aus dem Leistungsumsatz
3. Aus der spezifisch- dynamischen Wirkung der Grundnährstoffe
4. Aus dem Verdauungsverlust

Sowohl der Grundumsatz als auch der Leistungsumsatz finden in den Kapiteln 2.2 und 2.3 nähere Erläuterungen.

Unter der spezifisch- dynamischen Wirkung der Grundnährstoffe versteht man

„den infolge der Nahrungsaufnahme erhöhten Sauerstoffverbrauch und Energieumsatz, der je nach Art und Menge der aufgenommenen Grundnährstoffe unterschiedlich ist.“ (KONOPKA 1985, S. 46).

Die spezifisch- dynamische Wirkung wird auch als „kalorigene Wirkung“ bezeichnet. Hierunter versteht man die durch die Verarbeitung von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen entstehende Stoffwechselsteigerung oder den daraus resultierenden Energieverlust. Dieser beträgt bei Kohlenhydraten ca. 6 %, bei Fetten ca. 3 % und bei Proteinen ca. 16-20 % des Brennwertes.

Folglich ist die ATP- Ausbeute nicht bei allen Nährstoffen gleich.

Grundsätzlich kann man bei einer normalen Mischkost ca. 10 % des Grund- umsatzes für die Verarbeitung der aufgenommenen Nährstoffe berechnen. Bei einer Ernährung, die hauptsächlich oder fast ausschließlich aus Proteinen besteht, kann ein Energieverlust bzw. eine Stoffwechselsteigerung von bis zu 20 % des Brennwertes erfolgen. Dieses Effekts bedienen sich einige Reduktionsdiäten bzw. einige Ernährungsformen im Sport [KONOPKA 1985]. Unter dem Verdauungsverlust wird die Nahrungsenergie verstanden, die durch die Verdauungsarbeit (Verdauungs- bzw. Abbauvorgänge und Transport- prozesse) verbraucht wird. Hier handelt es sich bei einer durchschnittlichen Mischkost um ca. 5-6 % der mit der Nahrung aufgenommenen Energie. Bei einer erhöhten Proteinzufuhr (bei einer Abdeckung von mehr als 15 % des täglichen Energiebedarfs durch Proteine) sind die Umsatzsteigerung und die Dauer der Verarbeitung deutlich erhöht. Als Ursache dafür gilt, dass zur Aufrechterhaltung des Betriebsstoffwechsels mehr Energie verbraucht wird, als bei kohlenhydrat- oder fettreicher Ernährung [GEIß/ HAMM 2000].

Die im Rahmen der Sporternährung besonders wichtige muskuläre Leistungs- fähigkeit hängt bei längeren sportlichen oder körperlichen Belastungen von einer konstanten Energieversorgung ab.

Die relevantesten Energieträger stellen hier die Kohlenhydrate und Fette dar, deren unterschiedlicher Verbrauch sich jedoch nach der Intensität und der Dauer der ausgeübten Tätigkeit richtet. Generell liegt der Energiebedarf eines Sportlers bei über 3580 kcal pro Tag, während Trainings- und Wettkampf- phasen kann der Energiebedarf auf ca. 7200 kcal täglich ansteigen. Der Tagesenergiebedarf von Sportlerinnen liegt im Allgemeinen 5 bis 10 % unter dem von Sportlern [SCHLIEPER 1998].

Entscheidend für den Energieverbrauch sind die Intensität und die Anzahl der in Anspruch genommenen Muskelfasern. Eine Belastung der Muskelfasern führt zu einem erhöhten Sauerstoffbedarf, der sich in einer erhöhten Herz- und Atemfrequenz ausdrückt. Das, beispielsweise beim Bodybuilding übliche einseitige und ausdauernde Training gezielter Muskelgruppen, stellt im Sinne des Energieverbrauchs keine Extrembelastung dar und erhöht somit den Energieverbauch nur unwesentlich.

Klassischerweise wurde der Energieverbrauch durch die direkte Kalometrie ermittelt. Hier stellt eine geschlossene, isoliert und kontrolliert belüftete Kammer ein geschlossenes System dar,

„[…] in dem der Energieerhaltungssatz gilt: Alle erzeugte Energie muß letztlich in Wärme umgewandelt werden.“

(BIESALSKI/ GRIMM 2002, S. 24).

Da diese Messung aufwendig und teuer ist, kommt heutzutage fast nur noch die indirekte Kalometrie zum Einsatz. Diese Messung basiert auf der Grundlage,

„[…] daß zur Produktion einer Energiemenge eine definierte Sauerstoffmenge benötigt wird.“ (edb.).

Der Energieverbrauch lässt sich somit aus der Messung des Sauerstoff- verbrauchs ermitteln.

In folgender Tabelle wird der Energiebedarf von Sportlern (in kcal pro kg Körpergewicht pro Stunde und in kcal pro Tag bei 70 kg Körpergewicht), beim Ausüben verschiedener Sportarten dargestellt.

Tab. 1: Energiebedarf von Sportlern

(eigene Darstellung, in Anlehnung an: SCHLIEPER 1998)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.2 Energiebilanz

Unter der Energiebilanz versteht man das Verhältnis zwischen Energiezufuhr und Energieverbrauch. Über den Konsum von Lebensmitteln nimmt der Mensch energiereiche Nährstoffe auf, die im Organismus mit Hilfe von Sauerstoff zu energieärmeren Stoffwechselprodukten abgebaut werden. Hierbei handelt es sich um den Prozess der Oxidation. Bei der Oxidation ist der physikalische Brennwert eines Lebensmittels (ein im Labor experimentell ermittelter Brennwert, bei dem die gleiche Menge an Wärme und Kohlendioxid freigesetzt wird, die auch im menschlichen Körper bei der Verbrennung einzelner Nährstoffe freigesetzt wird) ausschlaggebend.

Ermittelt wurden folgende Werte: Der durchschnittliche Brennwert eines (durchschnittlichen) Kohlenhydratgemisches liegt bei 4 kcal/ g, der durch- schnittliche Brennwert für ein Fettgemisch liegt bei 9 kcal/ g und der durchschnittliche Brennwert für Proteine liegt bei 6 kcal/ g [GEIß/ HAMM 2000]. Führt man dem menschlichen Körper mehr Energie (in Form von Nahrung) zu, als er täglich verbraucht, wird die Energiebilanz positiv. Im Umkehrschluss dazu führt eine reduzierte Nahrungsaufnahme zu einer negativen Energiebilanz. Die Energiebilanz hat einen wesentlichen Einfluss auf das Körpergewicht: Somit

führt eine positive Energiebilanz zu einer Steigerung des Körpergewichts, unabhängig davon, ob die überflüssige Nahrung in Form von Kohlenhydraten, Fetten oder Proteinen aufgenommen wurde. Wird eine Gewichtsreduktion angestrebt, ist auf eine negative Energiebilanz zu achten. Überschreitet der Verbrauch die durch die Nahrung aufgenommene Energie, greift der Körper die Fettreserven an, um dieses Defizit auszugleichen. Hierbei erweist sich sportliche Betätigung als hilfreiches Instrument, denn durch körperliche Aktivität wird der Grundumsatz des Menschen gesteigert.

Die Energiebilanz ist in der Sporternährung dahingehend von Bedeutung, dass in verschiedenen Sportartengruppen Massenveränderungen zum Tragen kommen, die in Kapitel 6 näher erläutert werden.

2.1.3 Energetische Sicherung der Muskelarbeit

Bei Muskelkontraktionen wird das energiereiche ATP in die energieärmere Phosphatverbindung ADP (Adenosindiphosphat) abgebaut und die bei diesem Abbau frei werdende Energie wird für die Muskelarbeit genutzt. Bei der Resynthese von ADP zu ATP stehen mehrere Substrate zur Verfügung. Bei diesen vorhandenen Substraten handelt es sich um Kreatinphosphat, Glukose, freie Fettsäuren und einige Aminosäuren, die zu Glukose synthetisiert werden können. Bei der Nutzung eines Substrats zur ATP-Resynthese sind die Intensität und die Dauer der Muskelbelastung ausschlaggebend. Zum Beispiel eignet sich bei längeren und intensiveren Belastungen für die schnelle ATP- Resynthese ausschließlich das Muskelglykogen, das über die Glykolyse abgebaut wird.

Der Energiegewinn kann aerob und anaeorb erfolgen, wobei die Muskelarbeit ohne ausreichende Sauerstoffversorgung nur über wenige Sekunden mithilfe der energiereichen Phosphate ausgeführt werden kann. Folglich sind dauerhafte Ausdauerleistungen ohne kontinuierliche Sauerstoffversorgung nicht möglich. Der Sauerstoffbedarf des Körpers steigt mit Beginn der Muskelarbeit stark an. Um einen Ausgleich des Sauerstoffdefizits zu schaffen, gewinnt der Körper aus dem Kreatinphosphat und über den anaeroben Glykogenabbau (die Glykolsye) Energie [NEUMANN 2007].

Die menschlichen Fettreserven lassen sich bei Dauerbelastungen nicht erschöpfen, weil der Athlet zuvor aus anderen Gründen pausiert oder muskulär ermüdet. Der Fettabbau kann nur dann stattfinden, wenn dem Körper ein bestimmter Kohlenhydratanteil zur Verfügung steht. Weil aber bei Extrem- belastungen des Körpers die Glykogenspeicher erschöpft sind, „besteht die Alternative in einer ständigen Nahrungsaufnahme während der Belastung und im Abbau körpereigener Proteine zu Glukose.“ (NEUMANN 2007, S. 18).

2.2 Grundumsatz

Als Grundumsatz bezeichnet man die Energiemenge, die ein Mensch bei völliger Ruhe, im Liegen, 12 Stunden nach der letzten Nahrungsaufnahme, leicht bekleidet (in einem Raum mit einer Temperatur von 20° C) durchschnittlich benötigt. Der Grundumsatz wird auch als „Ruhe- Nüchtern- Umsatz“ bezeichnet und normalerweise für 24 Stunden berechnet.

Es handelt sich hier um diejenige Energiemenge, die benötigt wird, um bei den eingangs erwähnten Faktoren, beispielsweise den Grundstoffwechsel, die Atmung, die Herztätigkeit und die Körpertemperatur aufrecht zu erhalten [SCHLIEPER 1998].

Bei dem Grundumsatz handelt es sich um keine konstante Größe, sondern um einen Wert, der individuellen und zeitlichen Schwankungen unterliegt. Er stellt

„ […] mit seinem prozentualen Anteil von 60-75 % des täglichen Energieverbrauchs den größten Energieblock dar.“

(FINZEL 2004, PP- Folie Nr. 27).

Beispielsweise sinkt der Grundumsatz im Schlaf um ca. 10 %. Hitze über 30° C bewirkt einen Anstieg des Grundumsatzes um 0,5 % pro Grad Temperatur- anstieg; starke Kälte führt zu einer Grundumsatzsteigerung von 2-5 %.

Bei Frauen ist der Grundumsatz generell niedriger anzusetzen als bei Männern, da sie einen höheren Anteil an Fettgewebe besitzen und deshalb weniger Wärme nach außen abgeben. Schwangere und Sportler haben grundsätzlich einen erhöhten Grundumsatz.

Bezogen auf das Körpergewicht nimmt der Grundumsatz bis zum 4. bzw. 5. Lebensjahr prägnant zu und sinkt bis zum 20.- 25. Lebensjahr wieder ab. Mit fortschreitendem Alter reduziert sich das stoffwechselaktive Gewebe

(insbesondere das Muskelgewebe), was zu einer weiteren Abnahme des Grundumsatzes beiträgt.

Die gängige Redewendung des „guten und schlechten Futterverwerters“ lässt sich durch individuelle Unterschiede des Gesamtumsatzanteils an der Wärmebildung, beziehungsweise der ATP- Synthese, erklären [BIESALSKI/ GRIMM 2002].

Der Grundumsatz wird durch das Alter, das Geschlecht und die Körpergröße bzw. das Körpergewicht bestimmt. Außerdem sind eingangs erwähnten Faktoren sowie die körperliche Aktivität (sehr leichte bis erschöpfende Tätigkeiten) zu berücksichtigen.

Der Grundumsatz pro Tag beträgt 24 kcal je Kilogramm Körpergewicht [SCHLIEPER 1998].

2.3 Arbeits- und Leistungsumsatz

Der Leistungsumsatz ist im Gegensatz zum Grundumsatz jene Energie, die für körperliche Aktivitäten umgesetzt wird.

Der Leistungsumsatz wird durch die die Muskeltätigkeit (Arbeitsleistung) bestimmt, denn mit der Muskeltätigkeit ist ein zusätzlicher Energiebedarf verbunden.

Um den Leistungsumsatz zu ermitteln, wird in der Leistungsumsatzmessung die Steigerung des Sauerstoffverbrauchs gemessen. Eine Leistungsumsatz- steigerung ist durch einen höheren Sauerstoffverbrauch, eine verstärkte Bildung von Kohlenstoffdioxid und eine höhere Wärmeabgabe gekennzeichnet [BROCKHAUS 2004, SCHLIEPER 1998].

Um die Leistungsumsatzberechnung zu vereinfachen, wird generell zwischen Arbeitsumsatz und Freizeitumsatz unterschieden. In Bezug auf den Arbeitsumsatz unterteilt man verschiedene Berufe, dem jeweiligen Leistungsumsatz entsprechend, in leichte, mittelschwere, schwere sowie schwerste Arbeit.

Die folgende Tabelle zeigt die, für die Berechnung des Energiebedarfs, von der DGE festgelegten Werte für den Arbeitsumsatz.

Tab. 2: Arbeitsumsatz pro Stunde (DGE)

(eigene Darstellung, in Anlehnung an SCHLIEPER 1998)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für den Leistungsumsatz, im Zeitraum in der keine berufliche Tätigkeit erfolgt, wird um Einzelberechnungen zu vermeiden, der Freizeitumsatz mit einem Energiebedarf von 191 kcal bis 287 kcal angesetzt. Für sportliche und andere körperliche Betätigungen mit höherem Energieumsatz sind Zuschläge im Bereich des Energiebedarfs erforderlich.

Während des Wachstumsalters ist, neben dem höheren Grundumsatz, zusätzlich der erhöhte Energiebedarf für das Wachstum zu berücksichtigen. Als zwei weitere Faktoren, die den Leistungsumsatz beeinflussen, sind die Wärmeregulation und die Verdauungstätigkeit zu nennen.

Die im Kapitel des Grundumsatzes erwähnte und zur Berechnung des Grundumsatzes festgelegte Umgebungstemperatur von 20° C ist im Alltag natürlich nicht immer gegeben. Bei einer Umgebungstemperatur unter 20° C muss der Körper Energie aufwenden, um die Körpertemperatur von 37° C konstant zu halten. Allerdings bedingt eine höhere Umgebungstemperatur eine verstärkte Schweißbildung und die daraus resultierende Verdunstungskälte bewirkt wiederum eine Senkung der Körpertemperatur, die ausgeglichen werden muss. Beispielsweise werden dem Körper für die Verdunstung von einem Liter Schweiß ca. 570 kcal entzogen.

Im Hinblick auf die Verdauungstätigkeit ist die „spezifisch- dynamische Wirkung“, die bereits in Kapitel 2.1.1 näher erläutert wurde, zum Leistungs- umsatz hinzuzurechnen [SCHLIEPER 1998].

2.4 Muskelarbeit

Der Aspekt der Muskelarbeit hat bei der Ausübung von Sportarten eine herausragende Bedeutung und wird deshalb im folgenden Kapitel dargestellt.

2.4.1 Funktion, Struktur und Aufbau des Muskels

Die Vorgänge bzw. die aktiven Bewegungsabläufe des Körpers werden durch Kontraktion und Relaxation des Muskelgewebes ermöglicht. Man unterscheidet (aufgrund physiologischer Eigenschaften und histologischer Kriterien) drei verschiedene Muskelgewebstypen:

Erstens die glatte Muskulatur, die einer unwillkürlichen Steuerung des Nervensystems unterliegt und sich hauptsächlich in den Gewebsstrukturen der Eingeweide und den arteriellen Gefäßstrombahnen befindet.

Zweitens die Herzmuskulatur, die einer regelmäßigen und rhythmischen Kontraktion und Relaxation unterliegt sowie drittens die Skelett- bzw. die quergestreifte Muskulatur, die in Kraft, Geschwindigkeit und Dauer der Kontraktion beeinflussbar ist. Die Skelettmuskulatur der Arme, der Beine und des Rumpfes kann als „Motor“ des gesamten menschlichen Bewegungs- apparates angesehen werden, wobei die einzelnen Muskelzellen die Fähigkeit besitzen, chemische Energie direkt in mechanische Arbeit und Wärme umzuwandeln.

Die quergestreifte Muskulatur besteht, makroskopisch betrachtet, aus einzelnen langen Fasern, die von einem dünnen Bindegewebe umhüllt sind und durch eine dickere Bindegewebsschicht zu Bündeln zusammengefasst sind. Zwischen den Muskelbündeln befinden sich Nerven und Blutgefäße, ebenso kleinere Fettpolster. An den Muskelenden befinden sich Sehnen, die aus festem Bindegewebe bestehen und direkt mit den Knochen verbunden sind. Der Ansatz und der Ursprung eines Muskels befinden sich gewöhnlich nie an dem gleichen Knochen und somit kommt es bei einer Kontraktion über das Gelenk zu einer Beugung, Streckung oder einer Rotationsbewegung [GEIß/ HAMM 2000, HAMM/ SCHOLZ 2002].

Abbildung 1 zeigt einen Querschnitt durch die Muskulatur.

Abb.1: Querschnitt durch die Muskulatur

(aus: http://www.horsana.ch/images/info_wissen/muskel.jpg, vom 18.04.2008)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3. Ernährungsphysiologische Grundlagen

Ein Anliegen vieler Sportler ist es, durch geeignete Trainingsmethoden und gezielte Ernährung, ihre Leistung zu steigern.

Beispielsweise profitieren Ausdauersportler von einer kohlenhydratreichen Ernährung; in kraftbetonten Sportarten hingegen, kommt der Höhe der Eiweißzufuhr eine besondere Bedeutung zu.

Um die Ernährungsprinzipien im Sport zu verdeutlichen, werden in Kapitel 3 neben den sportspezifischen Ernährungsprinzipien die ernährungs- physiologischen Grundlagen behandelt. Denn die richtige Ernährung zählt zu den wesentlichen trainings- und wettkampfbegleitenden Maßnahmen im Sport. Daher muss bei sportlicher Betätigung eine bedarfsangepasste und vollwertige Ernährung folgenden Anforderungen genügen:

Eine bedarfsangepasste und vollwertige Ernährung muss alle ernährungs- abhängigen Stoffwechselleistungen sicherstellen. Hierzu zählen die Energie- bereitstellung und –freisetzung, die substanzielle Versorgung für die Erhaltung und den Aufbau körpereigener Strukturen und Wirkstoffe, die Gewährleistungen der Enzymaktivitäten, die Sicherstellung der Stoffwechselleistungen von hormonellen Steuersystemen und Regelkreisen sowie der Nerven-, Muskel- und Herz- Kreislauffunktionen.

Des Weiteren soll eine bedarfsangepasste und vollwertige Ernährung einen Schutz vor leistungsmindernden Mangelerscheinungen bieten und einen Nährstoff- bzw. Substanzverlust ausgleichen. Die Stabilisierung und Förderung der Abwehrkräfte, der Leistungsmotivation und des Wohlbefindens sowie die Stabilisierung eines leistungsgerechten Körpergewichts stehen ebenfalls bei einer bedarfsangepassten Ernährung im Vordergrund. Weiterhin geht es hier um eine optimale Energiespeicherung, das heißt, es geht um die für eine betreffende Sportart vorteilhafte Glykogeneinlagerung und die Verminderung bzw. Vermeidung der Zufuhr von stoffwechselbelastenden Substanzen, wie beispielsweise Fette, Cholesterol und Purine. Der Förderung und Regeneration (auch nach Unfällen und/ oder Verletzungen) wird ebenfalls eine hohe Bedeutung beigemessen [GEIß/ HAMM 2000].

Da der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Ernährung im Sport liegt, werden die ernährungsphysiologischen Grundlagen nicht solch einer ausführlichen Betrachtung unterzogen wie die sporternährungsrelevanten Kapitel.

3.1 Kohlenhydrate

Für alle körperlichen und geistigen Leistungen stellen Kohlenhydrate die bevorzugte Energiequelle dar. Bei einer entsprechenden Ernährungsgestaltung sollten nicht nur die durch einen hohen Energieumsatz gekennzeichneten Sportarten Berücksichtigung finden, sondern auch Sportarten, die durch neuromuskuläre und mentale Größen bestimmt werden. Beispielsweise sind bei Sportarten wie Fallschrimspringen oder Autorennen mental gesteuerte koordinative und konzentrative Vorgänge von erheblicher Bedeutung. Aus diesem Grunde wird das Kapitel der Kohlenhydrate genauer betrachtet als die Kapitel der Fette und der Proteine.

Der Anteil der Kohlenhydrate am Energieumsatz überwiegt bei kurzfristigen Belastungen. Nimmt die Belastungsdauer zu, bilden die Fette die bevorzugte Energiequelle. In Abhängigkeit von der Dauer der Belastungen nimmt der Anteil des Eiweißes am Energieverbrauch zu, der jedoch bei Belastungen, die unter der Dauer einer Stunde liegen, vernachlässigt werden kann [GEIß/ HAMM 2000].

3.1.1 Die allgemeine Bedeutung der Kohlenhydrate in der Ernährung

Pro Tag sollten dem Organismus mindestens 50 % der Energiezufuhr in Form von Kohlenhydraten bereitgestellt werden. Dieser Richtwert entspricht den aktuellen Nahrungsempfehlungen der Deutschen Gesellschaft für Ernährung [http://www.dge.de/modules.php?name=News&file=article&sid=404,vom 18.04.2008].

Um die Folgen eines Kohlenhydratmangels im Stoffwechsel zu vermeiden (z.B. Hypoglykämie, verminderte Glukosetoleranz, Störungen des Wasser- und Mineralstoffhaushaltes), wird die Mindestmenge an Nahrungskohlenhydraten mit ca. 100 g pro Tag veranschlagt.

Kohlenhydrate haben, bezüglich des für den Baustoffwechsel relevanten Proteins, einen Spareffekt. Das heißt, dass bei ausreichender Kohlenhydrat- zufuhr die Glukoneogenese aus Aminosäuren nicht beansprucht wird.

Kohlenhydratreiche Lebensmittel sind Träger unverzichtbarer Mineralstoff-, Vitamin- und Ballaststoffquellen (z.B. Obst, Gemüse, Getreide). Sie sind außerdem für die Muskel-, Nerven- und Gehirnzellen sehr gut verwertbare Energiequellen, die dem Sportler (bei einem hohem Kohlenhydratanteil der täglichen Energiebilanz) eine günstige Stoffwechselsituation infolge reichlicher Glykogenbevorratung und somit eine gute Voraussetzung für eine schnelle Erholung nach körperlichen Belastungen verschaffen können [BIESALSKI 1995, GEIß/ HAMM 2000, KASPER 1996].

3.1.2 Aufbau der Kohlenhydrate

Unter der Stoffgruppe „Kohlenhydrate“ werden zahlreiche organische Ver- bindungen zusammengefasst, deren Gemeinsamkeit in ihrem chemischen Grundaufbau (CnH2nOn) besteht, der dieser Stoffgruppe ihren Namen gab. Die Elemente Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) sind so miteinander verbunden, dass ein Atom Kohlenstoff formelmäßig jeweils von einem Molekül Wasser (H2O) begleitet wird.

Der Name „Hydrat“ entspringt daher, dass eine Verbindung, die Wasser chemisch gebunden hält, als Hydrat bezeichnet wird.

Nahrungskohlenhydrate sind sehr energiereiche Verbindungen, die sich in Mono-, Di-, und Polysaccharide untergliedern. Sie unterscheiden sich zum einen durch die Art ihrer Komponenten (durch die Monosaccharidbausteine) und zum anderen durch ihre Molekülgröße. Beispielsweise ist das Disaccharid

„Saccharose“ aus den Monosacchariden Glukose und Fruktose aufgebaut. Das Polysaccharid „Stärke“ hingegen, besteht aus einer sehr langen Kette von Glukosebausteinen und befindet sich, als Reservekohlenhydrat, überwiegend in pflanzlichen Lebensmitteln, wie in Hülsenfrüchten, Getreide und Kartoffeln. Das Glykogen, auch tierische Stärke genannt, findet sich in der Leber und der Muskulatur wieder [GEIß/ HAMM 2000].

Im Folgenden wird zur näheren Erläuterung auf die Mono-, Di-, Poly-, und Oligosaccharide im Einzelnen eingegangen.

Monosaccharide

Monosaccharide können als Grundbausteine der Kohlenhydrate betrachtet werden. Ihr Kohlenstoffgerüst liegt unverzweigt vor. Je nach Kettenlänge der Kohlenstoffatome werden sie als Tetrosen (C4), Pentosen (C5), Hexosen (C6), Heptosen (C7) und Octosen (C8) bezeichnet. Am häufigsten liegen Hexosen vor, allerdings sind einige Pentosen wichtige Bestandteile der Nukleinsäure. Monosacchharide enthalten eine Carbonylgruppe (C=O) und können hydrolytisch nicht weiter gespalten werden. Befindet sich die Carbonylgruppe am Ende einer Kette, so ist das Monosaccharid chemisch als Aldehyd zu betrachten und als Aldose zu bezeichnen. Befindet sich die Carbonlygruppe allerdings an einem anderen Kohlenstoffatom, ist das Monosaccharid als Keton zu betrachten und als Ketose zu bezeichnen.

Abbildung 2 zeigt die Einteilung der Monosaccharide in Ketosen (links: D(-)- Fruktose) und in Aldosen (rechts: D(+)- Glukose).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Einteilung der Monosaccharide in Ketosen und Aldosen (links Ketose: D(-)- Fruktose; rechts Aldose: D(+)- Glukose).

(nach: BARON/ BERG 2005)

Wie in Abbildung 2 zu erkennen ist, besitzt jedes Monosaccharid ein oder mehrere Kohlenstoffatome, an denen sich vier unterschiedlich aufgebaute chemische Gruppen befinden. Solche Kohlenstoffatome werden als asymmetrische Kohlenstoffatome bezeichnet. Verbindungen mit einem asymmetrischen Kohlenstoffatom sind optisch aktiv. Das heißt, dass sie die Eigenschaft besitzen, in wässriger Lösung die Schwingungsebene polarisierten Lichts nach rechts (+) oder nach links (-) zu drehen. Deshalb werden sie teilweise auch als optische Antipoden bezeichnet.

Da Monosaccharide mehr als ein asymmetrisches Kohlenstoffatom besitzen, gibt es mit Zuckern gleicher Zahl von Kohlenstoffatomen verschiedene Varianten. Die sogenannten Steroisomere.

Die Mehrzahl der natürlichen Zucker zählt zur D- Reihe. Die D- Reihe zeichnet sich dadurch aus, dass in der Kettenformel das von der Carbonylgruppe am weitesten entfernte asymmetrische Kohlenstoffatom eine OH- Gruppe trägt, die nach rechts zeigt.

Zeigt die OH- Gruppe nach links, so handelt es sich um einen L- Zucker [BARON/ BERG 2005].

Disaccharide

Disaccharide sind Zweifachzucker, die aus einer glykosidischen Verbindung von zwei Monosacchariden entstanden sind. Am populärsten sind die Saccharose, die Laktose und die Maltose.

Die Saccharose (Rübenzucker, Rohrzucker, Weißzucker) besteht aus Glukose und Fruktose und ist bekannt als „der Zucker“ schlechthin. Saccharose wird überwiegend aus Zuckerrüben und Zuckerrohr gewonnen, kommt jedoch ebenfalls in anderen Pflanzen wie Zuckermais, Süßkartoffeln, Zuckerahorn und Steinobst vor.

Die Laktose (Milchzucker) besteht aus den Monosacchariden Galaktose und Glukose. Laktose ist in der Milch aller Säuger zu finden und kommt in der Natur weiter nicht vor.

Die Maltose (Malzzucker) besteht aus zwei Glukosemolekülen und ist insbesondere in keimenden Getreidesamen enthalten. Maltose entsteht durch das Ferment Amylase, welches im menschlichen Organismus als Mund- und Bauchspeichelamylase vorhanden ist.

Oligosaccharide

Oligosaccharide entstehen aus Verbindungen von drei bis neun Mono- sacchariden. In Pflanzensamen und Wurzeln findet man insbesondere Tri-, Tetra- und Pentasaccharide. Durch die Hydrolyse können Oligosaccharide wieder in Monosaccharide gespalten werden.

Polysaccharide

Polysaccharide setzen sich aus mehr als zehn Monosacchariden zusammen. In der Natur liegen die meisten Kohlenhydrate als Polysaccharide vor und dienen als Gerüst- und Speichersubstanz. Zu den Speicherpolysacchariden zählen die pflanzliche Stärke (Amylose und Amylopektin) sowie die tierische Stärke (Glykogen), wobei das Amylopektin und das Glykogen aus verzweigten Ketten von Glukosemolekülen bestehen und die Amylose ein unverzweigtes Polysaccharid ist.

Die Glukose ist im Gegensatz zum Glykogen osmotisch inaktiv und wird überwiegend in der Leber und der Skelettmuskulatur gespeichert. Je nach Trainings- und Ernährungszustand liegt die Speicherkapazität von Glykogen bei 300 bis 800 g, wobei bei einem Durchschnittswert (bei normalen Ernährungs- und Arbeitsbedingungen) von 350 g ca.150g Glykogen in der Leber (die Speicherung in der Leber dient der Blutzuckerregulation bei Abfall des Blutzuckerspiegels zwischen den Mahlzeiten) und ca. 200 g Glykogen in der Muskulatur (die Speicherung in der Muskulatur dient als Energiereserve für körperlich- muskuläre Leistungen) gespeichert werden [BARON/ BERG 2005, SCHLIEPER 1998].

3.1.3 Stoffwechsel

Die Kohlenhydratresorption erfolgt ausschließlich in Form von Mono- sacchariden. Das hat zur Folge, dass alle anderen Kohlenhydrate (Disaccharide, Oligosaccharide und Polysaccharide) vorab enzymatisch verdaut werden müssen, bevor sie für die Energiegewinnung verwendet werden können.

Glukose und Galaktose werden sehr schnell resorbiert, Fruktose und Zucker- alkohole (z.B. Sorbit und Xylit, die als diätetische Zuckeraustauschstoffe Verwendung finden) hingegen werden langsamer resorbiert. Die Resorption von Glukose und Galaktose erfolgt aktiv (auch gegen ein Konzentrationsgefälle) im Dünndarm, während die Fruktose in Form der erleichterten Diffusion und die Zuckeraustauschstoffe Sorbit und Xylit alleinig durch Diffusion in den Blutkreislauf resorbiert werden. Diese Tatsache hat folgende Bedeutung für die Ernährungspraxis: Glukose wird so schnell vom Körper aufgenommen, sodass selbst bei Einzeldosen bis zu 100 g kein osmotisch bedingter Durchfall verursacht wird. Bei der Fruktose können bereits Einzeldosen von 50-80 g abführend wirken, während beim Sorbit und beim Xylit Einzeldosen von 20-40 g bereits für Durchfälle verantwortlich sein können [GEIß/ HAMM 2000].

Die hormonelle Regulation der Blutzuckerkonzentration

Der Blut- Glukose- Spiegel eines gesunden Erwachsenen liegt zwischen 70 mg/ dl im Nüchternzustand und 120 mg/ dl postprandial.

Der Blutzucker dient der Versorgung der Zellen (über das Blut) mit Glukose.

Eine konstante Blutzuckerkonzentration gilt als eine relevante Voraussetzung für die Leistungsfähigkeit. Schwankungen des Blut- Glukose- Spiegels betreffen hauptsächlich die mentale Leistungsfähigkeit, insbesondere die Koordination und die Konzentration. Eine in Sportlerkreisen bekannte Erscheinung ist ein zu rascher Abfall des Blut- Glukose- Spiegels. Dieser Zustand einer relativen Hypoglykämie wird als „Hungerast“ bezeichnet. Er macht sich durch Schweißausbrüche, Zittern und Schwächegefühle bemerkbar und zwingt den Sportler schließlich zum Abbruch seiner Tätigkeit.

Bei einem Blut- Glukose- Spiegel unterhalb von 50-70 mg/ dl macht sich die Mangelversorgung über das zentrale Nervensystem in Form von Schwäche oder Müdigkeit bemerkbar. Bei weiteren Abfällen kann es zu Krämpfen, Schocksymptomatiken und schließlich zum Tod kommen [BIESALSKI/ GRIMM 2002].

Auf die Höhe der Blutzuckerkonzentration wirken sich die Nahrungsaufnahme, der Energieverbrauch und die hormonelle Regulation aus.

Das bekannteste Hormon in diesem Zusammenhang ist das Insulin, welches in den β- Zellen der Langerhansschen Inseln gebildet wird. Der Hauptaspekt der Insulinsekretion ist der über den Tag variierende Blut- Glukose- Spiegel. Nach der Nahrungsaufnahme findet eine Insulinsekretion statt, bevor erhöhte Blut- Glukose- Spiegel diese auslösen könnten. Dafür sind sowohl das vegetative Nervensystem als auch nahrungsinduzierte, gastrointestinale Hormone verantwortlich.

Das Insulin fördert die Aufnahme von Glukose in die Leber- und Muskelzellen sowie in das Fettgewebe. Durch das Insulin wird die Permeabilität der Zellmembran erhöht und somit der Stofftransport vom Extrazellulärraum in den Intrazellulärraum begünstigt. Somit wird der Blutzuckerspiegel gesenkt. Allerdings können das Nervengewebe und die Erythrozyten auch unabhängig vom Insulin Glukose aufnehmen.

Das Hormon zeigt allerdings nicht nur Wirkungen auf den Kohlen- hydratstoffwechsel, es fördert neben der Glykogensynthese auch die Aufnahme von Fettsäuren und Aminosäuren in die Zelle sowie die Lipidbiosynthese und die Proteinbiosynthese.

Da der menschliche Organismus lediglich in der Lage ist, eine bestimmte Menge an Zucker in Form von Glykogen zu speichern, werden darüber hinausgehende Mengen in der Leber in Form von Fett gespeichert, von dort aus ins Fettgewebe transportiert und dort als Depotfett gespeichert.

Da das Insulin die Abgabe von freien Fettsäuren an das Blut hemmt, dient es gleichzeitig der Bevorratung der bei den Mahlzeiten im Überschuss zugeführten Energie. Für Sportler und insbesondere für Nichtsportler gilt daher die Empfehlung einer energetisch bedarfsangepassten Ernährung, um den nachteiligen Effekt der Depotfettspeicherung zu vermeiden [GEIß/ HAMM 2000].

Der Gegenspieler des Insulins

An der Regulation des Blut- Glukose- Spiegels ist neben dem Insulin auch das in den α- Zellen der Langerhansschen Inseln sezernierte Glukagon beteiligt. Das Glukagon gilt als Gegenspieler des Insulins, da es sich vorwiegend auf die Leber und das Fettgewebe auswirkt und eine Leberglykogen mobilisierende und somit eine Blutzuckerkonzentration erhöhende Wirkung ausübt. Es fördert ebenfalls die Glukoneogenese aus Laktat und besitzt eine proteinkatabole Wirkung, indem die glukoplastischen Aminosäuren unter dem Einfluss von Glukagon zu Glukose umgewandelt werden.

Neben dem Glukagon stellt das Adrenalin ein weiteres blutzuckererhöhendes Hormon dar, welches die Glykolyse steigert. Das Adrenalin, umgangssprachlich auch als „Stresshormon“ bezeichnet, führt genau wie das Glukagon zu einer Erhöhung des Laktatspiegels und der freien Fettsäuren im Blut. Dieses Phänomen kann auch als Energiemobilisierung für Angriffs- oder Fluchtreaktionen angesehen werden [BIESALSKI/ GRIMM 2002, GEIß/ HAMM 2000].

Stoffwechselverfügbarkeit

In Abhängigkeit von Menge, Art, Darreichungsform und Konzentration der mit der Nahrung aufgenommenen Kohlenhydrate sowie begleitender Nährstoffe, zum Beispiel Fett, Protein und Ballaststoffe, kommt es zu einer unterschiedlich schnellen Magenentleerung und Darmresorptionsrate und folglich zu einem unterschiedlich schnellen Blut- Glukose- Spiegelanstieg.

Durch schnell verfügbare Kohlenhydratverbindungen wird der Blut- Glukose- Spiegel rasch erhöht, was eine Insulinausschüttung zur Folge hat. Eine Verzögerung der Kohlenhydratverdauung kann durch Ballaststoffe und/ oder durch die gleichzeitige Aufnahme von Fetten und Proteinen erzielt werden.

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