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