Sportbiologie

Dr.Alexander ParizekFacharzt für Unfallchirurgie

Sportarzt

Biologische Grundlagen

Allgemeine Begriffsdefinitionen

• Biologie: Lehre der Lebewesen• Zelle: kleinste selbstständige Einheit

des Lebens• Gewebe: Zusammenschluss von Zellen

mit gleichem Aufbau und Funktion• Organ: Funktionelle Einheit aus

verschiedenen Geweben• Gesamtorganismus (Mensch):

Komplexes System spezialisierter Zellen

Die Zelle

Die elementaren Lebensfunktionen• Energiegewinnung:

– Synthese > Spaltung > Energie (ATP)• Glykolyse – Zuckerspaltung – anaerob – 2 ATP• Oxidation – Verbrennung – aerob – 38 ATP

• Energiespeicherung:– KP, Glycogen,Fett

• Reizantwort:– Elektrischer Impuls, Kontraktion

• Reizanpassung:– Hypertrophie, Hyperplasie

• Regeneration:– Zellteilung, Zellvermehrung (ausgenommen

Nerven, Knorpel)

Biologische Grundlagen des Trainings

• Anpassung des Organismus auf Reize und Erreichen eines höheren funktionellen Trainingsniveaus

• Stresstheorie:• Systematische Steigerung:• Zyklische Trainingsgestaltung:• Ganzjährigkeit:• Anpassung der Belastung

Stressreaktion• Alarmreaktion

– Atmung, Kreislauf, Energiebereitstellung• Anpassung

– Energiegleichgewicht (steady state)• Ermüdung/Erschöpfung

– Energiedefizit, HF- und Laktatanstieg, verminderte LF, Zwangsabbruch

• Erholung und Kompensation– Auffüllen der Enegiespeicher, Laktatabbau

• Überkompensation– In der Erholungsphase Aufbau einer

erhöhten LF (TRAININGSEFFEKT)

Systematische Steigerung

• Anpassung an Trainingsreiz und Zunahme der LF und des Erholungszustandes nach 4-6 Wochen

• D.h. nach Ablauf des letzen Überkompensationszyklus Steigerung des Trainingsreizes (WNTZ)

Zyklische Trainingsgestaltung

Ganzjährigkeit• Geplante Belastungs- und

Erholungsphasen in Abhängigkeit des Trainingszustandes

• Mikrozyklus (1 Woche)• Mesozyklus (4-6 Wochen)• Makrozyklus (Jahresplanung)

– Vorbereitungsperiode– Wettkampfperiode– ÜbergangsperiodeBereits nach 5 trainingsfreien Tagen

Abbauvorgänge (Trainingsverlust) !

Anpassung der Belastung• Intensität

– Trainingsbelastung in % der max.LF– Kraft: Gewicht in % des Maximalgewichtes– Ausdauer: VO2 (HF) in % des VO2max.(max HF)

• Belastungsdauer– Gesamtzeit der wirksamen Belastung

• Belastungshäufigkeit– Anzahl der Trainingseinheiten pro Woche(mind 2x)

• Wöchentl. gesamte Trainingsbelastung (WNTZ)– Gesamtsumme der wirksamen Trainingsbelasungen

• Die Trainingsbelastung muß in einem optimalen Verhältnis zur momentanen individ. LF stehen

Organsysteme• Sind funktionelle Einheiten, die aus mehreren

Organen bestehen

• Atmungssystem• Herz-Kreislaufsystem• Verdauungssystem• Harn- und Geschlechtsorgane• Nervensystem• Sinnesorgane• Bewegungsapparat

Anatomie des Atmungssystem

• Obere Luftwege: (anfeuchten,erwärmen,reinigen)– Nase und/oder Mund– Kehlkopf– Luftröhre (Trachea)

• Untere Luftwege: (Gasaustausch)– Bronchialbaum– Lungenbläschen (Alveolen) ca.80 qm

Atemmechanik

• Einatmung (Inspiration) ist ein aktiver Vorgang wobei der Brustkorb mit Hilfe der Atemmuskulatur erweitert (gehoben) wird.

• Ausatmung (Expiration) erfolgt passiv, der Brustkorb senkt sich infolge der Schwerkraft, die Lunge zieht sich elastisch zusammen.

• Brustatmung• Bauchatmung

Atemphysiologie• Ventilation (Belüftung)

– Durch Brustkorberweiterung Ausdehnung der Lunge, Einströmen von Luft (Blasbalgprinzip)

– Passives Ausatmen (evtl. aktiv forciert)• Diffusion (Gasaustausch)

– Sauerstoff/Kohlendioxid– Passiver physikalischer Vorgang– äußere Atmung (Alveolen/Lungengefäße)– innere Atmung (Blut/Zellen)

• Perfusion (Durchblutung)– Lungenkapillaren

Spirometrie• Atemzugsvolumen (Vt): 0,5 l• Atemfrequenz (f): 12-18• Atemminutenvolumen (VE): 8-10 l• Vitalkapazität (VK): 3-5 l• Residualvolumen (RV): 1-2 l• Forciertes Expirationsvolumen (FEV 1): 70% VK• Sauerstoffaufnahme (VO2): 300ml• Atemgrenzwert: 120-170 l/min

– Während 1 Minute max.ventilierbares Volumen

Anpassung des Atmungssystems

• Kurzfristige Anpassung– Steigerung der AF und des AV = AMV (-10x)– Steigerung der Perfusion

• Langfristige Anpassung– Organhypertrophie (doppeltes

Lungenvolumen)– VK, AMV (Verdoppelung)– Ökonomisierung der Atemarbeit (d.h. mehr

Volumen, geringere Frequenz)– Erythrozyten ?

Anatomie des Herzens

Physiologie des Herzens• Zentrales Pumporgan• Linkes Herz für Körperkreislauf• Rechtes Herz für Lungenkreislauf• Vorhöfe sammeln Blut • Kammer leistet Pumparbeit• Herzschlag in 2 Phasen (< 1sec.)

– Diastole (Füllungsphase)– Systole (Auswurfphase)

• Systole als Pulswelle tastbar• RR 120/80• Autonomes Reizleitungssystem

Herzphysiologische Begriffe• Herzfrequenz (HF)

– Schläge/min 60-90• Schlagvolumen (SV)

– Auswurfvolumen der Systole ca. 75 ml• Herzminutenvolumen (HMV)

– SVxHF d.s.ca. 70.x75ml = 5l/min• Blutdruck (RR)

– Systolisch/diastolisch 120/80• EKG (Elektrokardiogramm)

– Elektrische Ableitung der Herzmuskelaktion

Anpassung des Herzens• Kurzfristige Anpassung:

– Bei Belastung Erhöhung des HMV(4-5fach)• HF 2-2,5fach (180)• SV 1,5-2fach (150ml)

– Blutdruck steigt bis etwa 200/90• Langfristige Anpassung:

– Hypertrophie des Herzmuskels und Dilatation– HMV kann bis auf das Doppelte des

untrainierten gesteigert werden (Sportlerherz)• SV bis 200ml, max.HF bleibt gleich• D.h.Ökonomisierung der Herzarbeit• Volums- statt frequenzbetontDas Herzkreislaufsystem ist mit der

Energieproduktion der leistungslimitierende Faktor der Ausdauer !

Anatomie der Blutgefäße• Körperkreislauf

– Versorgung– linke Kammer – Aorta (Hauptschlagader)– Hals-,Arm-,Becken-, und

Beinschlagadern– Arterien– Kapillaren– Venen– obere und untere

Hohlvene– rechter Vorhof

• Lungenkreislauf– Gasaustausch– rechte Kammer– Lungenarterien– Lungenkapillaren– Lungenvenen– linker Vorhof– Lungenarterien enthalten

sauerstoffarmes, Lungenvenen sauerstoffreiches Blut

Physiologie der Blutgefäße• Hochdrucksystem

– Arterielles System– Muskelfasern in den Gefäßwänden

ermöglichen Querschnittsveränderungen– Pulse

• Niederdrucksystem (75% d. Volumens)– Venöses System– Auch hier Querschnittsveränderungen– Umverteilung des Blutvolumens

Anpassung des Gefäßsystems

• Blutumverteilung– Begrenztes Blutvolumen macht

Mechanismus notwendig– Luxusversorgung der beanspruchten Organe

zu Lasten anderer.• Gefäßneubildungen (Kapillarsprossung)

– Bildung neure Haargefäße in trainierten Organen bewirkt bessere Sauerstoffversorgung

– Gesamtwiederstand der Gefäße nimmt ab

Anatomie des Blutes

• Gesamte Blutmenge etwa 1/13 des Körpergewichtes (5-6 l)

• 40% Blutzellen (HK)• 5 Mio. Rote Blutkörperchen (Erythrozyten)• 5000 Weiße Blutkörperchen (Leukozyten)• 150-350000 Blutplättchen (Thrombozyten)• Rest Plasma

Physiologie des Blutes• Gastransport (Erythrozyten)• Stofftransport• Infektionsabwehr (Leukozyten,AK)• Blutgerinnung (Thrombozyten,

Gerinnungsfaktoren)• Pufferung (pH)• Wärmeregulation• Wasserhaushalt

Anpassung des Blutes• Kurzfristig

– Pufferung v.a. Milchsäure (Laktat)– Abnahme der Viskosität bei Belastung

• Langfristig– Zunahme der Gesamtblutmenge

(Hyperphosie)– Zunahme der Erythrozyten beim

Höhentraining (Hypoxietraining)– Hält aber höchsten 2-3 Wochen an

Verdauungssystem

Physiologie der Verdauung• Zerkleinerung und Einspeicheln• Verdauungssäfte aus Magen, Leber,

Bauchspeicheldrüse, Dünndarm• Aufnahme der Nährstoffe durch die

Dünndarmzotten• Pfortaderkreislauf• Speicherung in Leber, Muskeln,

Fettzellen• Wasserresorption im Dickdarm• Ausscheidung über Mast- und Enddarm

Ernährung• 3 Hauptmahlzeiten, 2 Zwischenmahlzeiten• Kohlehydratreiche Kost• 4-5 h vor Wettkampf keine großen Mahlzeiten• Energiebilanz

– 1g KH, EW = 4kcal, 1g Fett = 9kcal– GU=KGx24kcal, AU, TU (Gesamtenergiebedarf)– TU = TI(in%) x VO2max. x min x 5

• Nährstoffbilanz– 55% KH, 30% Fett, 15% Eiweiß (Protein)

• Flüssigkeitsbilanz(Wasser und Elektrolyte)• Vitaminbilanz

Harnsystem

Physiologie des Harnsystems

• Ausscheidung– Nieren filtrieren aus dem Blut Wasser,

Schadstoffe, Schlackenstoffe, Medikamente (Dopingkontrolle)

– 1-1,5 l Harn werden in der Blase gesammelt• Regulation

– Wasserhaushalt– Mineralstoffhaushalt

Männliche Geschlechtsorgane

Weibliche Geschlechtsorgane

Physiologie der Geschlechtsorgane

• Reifung in der Pubertät• Hormone: Testosteron bzw. Östrogen• Menstruationszyklus

– Beginn in der Pubertät– Normalerweise 28 Tage– Unregelmäßigkeiten im Leistungssport– Schwankungen der LF– Höhere LF in der 1. Hälfte des Zyklus– Regelverschiebungen möglich

Anatomie des Nervensystems

• Zentrales NS (ZNS)– Gehirn und Rückenmark (Zellkörper)– Schaltzentrale

• Peripheres NS (PNS)– Verbindung mit Organen (Zellfortsätze)

• Sensomotorisches NS– Kontakt zur Umwelt (Information/Reaktion)

• Vegetatives NS– Koordiniert Organfunktion (unwillkürlich)– Sympatikus (Lebens- oder Leistungsnerv)– Parasympatikus(Vagus) Schonnerv