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Leistungsphysiologie und Altern

Abstract

Die Leistungsphysiologie beschäftigt sich damit, wie der Körper sich an die spezifischen Herausforderungen körperlicher Arbeit (z.B. Sport) oder auch besondere äußere Bedingungen (z.B. Aufenthalt in Höhe, Tauchen) anpasst. Dafür ist ein Zusammenspiel aller Organsysteme erforderlich, wobei bei körperlicher Arbeit insbesondere eine Steigerung der Durchblutung, der Sauerstoffausschöpfung und der Stoffwechselleistung relevant sind. Durch regelmäßiges Training können diese Parameter verbessert werden – dies ist auch mittels Untersuchungen wie der Spiroergometrie messbar.

Dieses Kapitel enthält zudem Informationen darüber, welche natürlichen Alterungsprozesse im Körper im Laufe des Lebens stattfinden. Diese Veränderungen betreffen alle Organsysteme und führen auch zu einer Verringerung der körperlichen Leistungsfähigkeit (bspw. durch eine Abnahme der Vitalkapazität mit zunehmendem Alter).

Grundlegende Größen der Leistungsphysiologie

Herzzeitvolumen (HZV)

  • Definition: Gesamter Blutfluss durch den Körper in einem Zeitraum (meist in L/min)
  • In Ruhe: Ca. 5 L/min
  • Bei körperlicher Aktivität: Steigerung auf über 30 L/min möglich

Die Verteilung des Herzzeitvolumens auf die verschiedenen Organsysteme kann sich dem jeweiligen Bedarf anpassen!

Spezifische Organdurchblutung

Zur Beurteilung der Durchblutung eines Organs reicht es nicht aus, den Anteil am Herzzeitvolumen zu betrachten. Dieser hängt nicht nur vom Bedarf des jeweiligen Organs ab, sondern auch von seiner Größe. Für viele Fragestellungen benutzt man daher die spezifische Organdurchblutung.

Spezifischer Sauerstoffverbrauch

Der spezifische Sauerstoffverbrauch eines Gewebes korreliert im Allgemeinen mit der Durchblutung - schließlich ist die Sauerstoffversorgung eine wichtige Funktion der Durchblutung. Man kann diese zwei Größen aber nicht gleichsetzen. So ist die Nierenrinde zwar durch die höchste spezifische Organdurchblutung gekennzeichnet, es gibt aber Gewebe mit einem höheren spezifischen Sauerstoffverbrauch, wie z.B. die graue Substanz des Gehirns oder das Myokard.

  • Definition
    • Maß für die oxidative Aktivität eines Gewebes (in erster Linie durch die Mitochondrien)
    • Einheit: mL/(kg×min)
  • Bestimmung: Messung des Sauerstoffgehaltes vor und nach Durchfluss durch ein Organ
    • Sauerstoffverbrauch des gesamten Körpers: Differenz von arteriellem und gemischtvenösem O2-Gehalt
      • Normwert: 180–250 mL O2/min, entspricht einer arteriell-gemischtvenösen Sauerstoffdifferenz von etwa 5 mL O2/100 mL Blut
      • Steigt durch Belastung an
  • Beispiele

Sauerstoffausschöpfung

  • Definition
    • Anteil des Sauerstoffs, der dem Blut während der Perfusion eines Organs entzogen wird
    • Ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen Sauerstoffangebot und -verbrauch
  • Bestimmung: Durch Messung von arteriellem und venösem Sauerstoffgehalt
  • Sauerstoffausschöpfung in Ruhe: Für die meisten Organe um 25%
  • Sauerstoffausschöpfung unter Belastung: Starker Anstieg auf 80% und mehr möglich
  • Interpretation: Ermöglicht Rückschlüsse auf das Verhältnis zwischen Sauerstoffangebot und -verbrauch
    • Wenn das Sauerstoffangebot sinkt, sinkt bei gleichbleibendem Verbrauch auch der venöse Sauerstoffgehalt, die Sauerstoffausschöpfung steigt

Zentralvenöse Sättigung
Als zentralvenöse Sättigung bezeichnet man die Sauerstoffsättigung, die man über einen zentralen Venenkatheter (ZVK) misst, also im Bereich der V. cava superior oder inferior nahe dem rechten Vorhof. Normalerweise liegt sie in Ruhe bei ca. 70%. Eine niedrige zentralvenöse Sättigung korreliert mit einer hohen Sauerstoffausschöpfung im gesamten Körper und deutet daher auf ein zu niedriges Sauerstoffangebot hin, z.B. durch ein zu niedriges Herzminutenvolumen.

Gemischtvenöse Sättigung
Die gemischtvenöse Sättigung wird im Gegensatz zur zentralvenösen nicht in den Hohlvenen, sondern in einer Pulmonalarterie gemessen. Die Werte korrelieren eng, aber die gemischtvenöse Sättigung bildet noch besser den Oxygenierungszustand des ganzen Körpers ab: Hier wird das gesamte Blut beider Körperhälften und das venöse Blut des Herzens miteinbezogen. Problematisch ist jedoch, dass die Messung nur über einen Pulmonaliskatheter erfolgen kann - daher ist in der Praxis die zentralvenöse Sättigung üblicher.

Respiratorischer Quotient

  • Definition: Verhältnis zwischen CO2-Abgabe und O2-Aufnahme
    • RQ = VCO2/VO2
  • Bedeutung: Gibt Aufschluss über die Stoffwechsellage

CO2-Produktion (CO2-Abgabe)

Die Organsysteme in Ruhe und unter Belastung

Das Verhalten der oben eingeführten Größen unter Ruhe und Belastung hängt stark vom betrachteten Organsystem ab. Einige Organe steigern ihren Verbrauch unter Belastung wie z.B. die Skelettmuskulatur, während andere Organsysteme wie das Verdauungssystem eher in körperlicher Ruhe aktiv sind. Die Regulation geschieht zum einen über das vegetative Nervensystem, zum anderen lokal über die metabolische Autoregulation. Es folgt ein Überblick über Durchblutung, Sauerstoffverbrauch und Stoffwechsel in Ruhe und bei Belastung für die einzelnen Organsysteme.

Myokardstoffwechsel

  • Durchblutung
    • In Ruhe
      • Ca. 5% des Herzzeitvolumens
      • Spezifische Durchblutung bereits sehr hoch (zur Pumparbeit und Strukturerhaltung)
    • Bei Belastung: Steigerung der absoluten Durchblutung bis auf das Sechsfache möglich
  • Regulation der Durchblutung
  • Sauerstoffausschöpfung
    • In Ruhe
      • Bereits hoch (50–70%)daraus ergibt sich, dass der koronarvenöse O2-Partialdruck <40 mmHg liegt
      • Bei höherem Bedarf kaum Reserve
    • Bei Belastung
      • Kaum Steigerung möglich → Mehr Perfusion für ausreichende Versorgung
  • Spezifischer Sauerstoffverbrauch
    • In Ruhe ca. 100 mL/(kg×min), und damit sehr hoch!
    • Bei Belastung weitere Erhöhung auf das Fünffache
  • Stoffwechsel
    • Flexibel bezüglich der Energieträger: Verwertet Glucose, Lactat und freie Fettsäuren sowie Ketonkörper
    • Lactatverstoffwechselung möglich: Das Herz kann das von den Muskeln produzierte Lactat verbrauchen
    • Lactatproduktion nur unter hypoxischen Bedingungen (bspw. bei schwerer körperlicher Arbeit)

Lungenstoffwechsel

  • Durchblutung
    • Wird vom gesamten Herzzeitvolumen durchblutet
    • Bei Belastung: Über Zunahme des HZV auch Zunahme der Lungendurchblutung (in gleichem Umfang)
  • Regulation der Durchblutung

Gehirnstoffwechsel

  • Durchblutung
    • In Ruhe
      • Hohe Durchblutung: Hohe Stoffwechselaktivität, Betrieb von Ionenpumpen, Strukturerhaltung
      • Trotz geringem Gewicht hoher Anteil am Herzzeitvolumen (ca. 15%)
    • Bei körperlicher Belastung
      • Nur gering variabel: Maximal 4-fach gesteigerte Durchblutung möglich
      • Durchblutung wird nicht gesenkt (empfindlichstes Organ!)
  • Regulation der Durchblutung
    • Ausgeprägte Autoregulation der Durchblutung durch die Arteriolen: Perfusion relativ unabhängig vom Kreislauf
  • Spezifischer Sauerstoffverbrauch
  • Stoffwechsel
    • Normalerweise fast nur Glucose
    • In Mangelsituationen auch Ketonkörper
    • Andere Energieträger kaum verwertbar

Stoffwechsel des Verdauungssystems

  • Durchblutung
    • In Ruhe: Hohe Durchblutung bei starker Stoffwechselaktivität und zur Nährstoffresorption (ca. 30% des HZV)
    • Bei körperlicher Belastung: Reduktion der Durchblutung durch Vasokonstriktion: Umverteilung auf andere Organsysteme!
  • Regulation der Durchblutung

Ischämische Colitis
Eine ischämische Colitis ist eine Entzündung der Darmschleimhaut, die durch einen Sauerstoffmangel ausgelöst wird. Sie tritt im Allgemeinen bei älteren Menschen mit Gefäßkrankheiten auf. Man beobachtet sie aber auch bei jungen Menschen unter starker Belastung, z.B. bei einem Marathonlauf - durch die Umverteilung des Herzzeitvolumens zugunsten der Muskulatur kommt es zu einer Mangeldurchblutung des Darms.

Nierenstoffwechsel

Stoffwechsel der Skelettmuskulatur

  • Durchblutung
    • In Ruhe
      • Geringe spezifische Durchblutung (kaum Aktivität, nur Strukturerhaltung)
      • Wegen der großen Masse relevanter Anteil am HZV (grob 15-20% je nach Konstitution)
    • Bei Belastung
      • Extreme Steigerungsfähigkeit: Durchblutung bis zu 20-mal höher unter Maximallast!
      • Unter Maximallast größter Anteil am HZV
  • Regulation der Durchblutung
    • Metabolische Autoregulation: Unter Belastung anfallende Stoffwechselprodukte (u.a. Adenosin, CO2) → Lokale Vasodilatation → Durchblutung↑
    • Aktivierung des sympathischen Nervensystems und Erhöhung des HZV
  • Spezifischer Sauerstoffverbrauch
    • In Ruhe gering (nur zur Strukturerhaltung)
    • Unter Belastung massive Zunahme durch oxidativen Energieträgerabbau: O2-Bedarf bis auf das 50-Fache erhöht!
  • Stoffwechsel

Stoffwechsel der Haut

Die Haut verbraucht nur wenig Sauerstoff und Energieträger, ihre Durchblutung dient vordergründig der Wärmeregulation.

  • Durchblutung
    • In Abhängigkeit von Körper- und Umgebungstemperatur
    • Keine direkte Belastungsabhängigkeit
    • Starke Steigerungen möglich in Extremsituationen (wie Sauna): Bis auf 5 L/min
  • Regulation der Durchblutung: Bei Belastung bewirkt das sympathische Nervensystem eine Vasokonstriktion in der Haut über α1-Adrenozeptoren
    • Durchblutung der Haut hat niedrige Priorität
    • Bei erhöhtem Bedarf wird das Blut in andere Organe umverteilt (Zentralisierung) → Blasse Haut
  • Spezifischer Sauerstoffverbrauch
    • Sehr gering: Kaum Stoffwechselaktivität
Anteil am Herzzeitvolumen in Ruhe in %

Spezifische Durchblutung in mL/(kg×min)

Maximal mögliche Steigerung der Durchblutung auf %

Verdauungssystem 30 400 600
Nieren 20 4000 200
Skelettmuskulatur 20 30 2000
Gehirn 15 500 (Kortex: 1000) 400
Myokard (Koronararterien) 5 800 600
Haut 5 100 1500
Fettgewebe 5 80 400

Training und Leistungsdiagnostik

Trainingseffekte

Durch regelmäßiges Training kann sich der Körper an erhöhte Anforderungen anpassen. Durch aerobes Training (Ausdauertraining) verbessern sich vor allem die Herzkreislaufparameter, bei anaerobem Training (Krafttraining) in erster Linie die Koordination und Anzahl der Aktin- und Myosinfilamente. Diese Trainingseffekte zeigen sich insbesondere bei körperlicher Arbeit, einige sind jedoch auch in Ruhe sichtbar.

Herz

Kreislauf

  • Blutdruck sinkt
  • Plasmavolumen steigt
  • Erythrozytenzahl bleibt konstant

Lunge

  • Maximale Sauerstoffaufnahme kann um bis zu 20% steigen
  • Atemzeitvolumen kann sich bei Belastung noch weiter steigern, gleichzeitig ist es durch die bessere Sauerstoffaufnahme bei gleicher Leistung niedriger als bei Untrainierten

Skelettmuskulatur

  • Verbesserung der Kapillarisierung
  • Zunahme der Mitochondriendichte

Leistungsdiagnostik

Die Leistungsdiagnostik umfasst verschiedene Testverfahren, mit denen man die Belastbarkeit und den Leistungsstand ermitteln kann. Sie wird häufig in der Sport- und Arbeitsmedizin eingesetzt. Auch bei kardiopulmonalen Erkrankungen kann eine Leistungsdiagnostik sinnvoll sein, um eine Belastungsempfehlung geben zu können. Die wichtigste Methode ist dabei die Spiroergometrie.

Spiroergometrie

Zur Erfassung der Leistungsfähigkeit eignet sich besonders die Spiroergometrie. Bei diesem Verfahren wird eine Spirometrie vor, während und nach einer körperlichen Belastung (meistens Radfahren auf einem Ergometer) durchgeführt. So können die Auswirkungen der Belastung auf Herz, Kreislauf, Atmung und Stoffwechsel untersucht werden.

Bestimmung der Dauerleistungsgrenze

Dauerleistungsgrenze nennt man die Schwelle, bis zu der statische oder dynamische Arbeit ohne muskuläre Ermüdung über 8 Stunden aufrecht erhalten werden kann. Die Herzfrequenz bleibt dabei konstant auf einem Plateau ("steady state"). Bei einer Belastung, die oberhalb der Dauerleistungsgrenze liegt, treten Ermüdungserscheinungen auf und die Herzfrequenz steigt kontinuierlich an.

  • Möglichkeiten zur Bestimmung
    • Ermittlung der anaeroben Schwelle
      • Größte Leistung, die gerade noch in einem Lactatgleichgewicht bewältigt werden kann
      • Methode: Messung des Lactatwerts im Blut unter ansteigender Belastung
    • Ermittlung des respiratorischen Kompensationspunktes
      • Abfall der CO2-Fraktion in der Exspirationsluft
      • Methode: Spiroergometrie

Unterschiede zwischen Untrainierten und Sportlern in Ruhe und unter Belastung

Durch regelmäßiges Training lässt sich nicht nur die Leistungsfähigkeit steigern, auch in Ruhe macht sich die höhere Belastbarkeit der Sportler gegenüber Nicht-Sportlern bemerkbar.

Werte

In Ruhe

Unter Belastung

Untrainierter Sportler Untrainierter Sportler
Herzminutenvolumen 5 L/min 20–25 L/min 35 L/min
Schlagvolumen 70 mL 140 mL 100 mL 190 mL
Herzfrequenz 70/min 50/min Bis etwa 200/min
Herzgewicht 300 g 500 g Diese beiden Werte verändern sich unter akuter Belastung nicht, sondern nur im Rahmen von dauerhaftem Training
Blutvolumen 5,3 L 5,9 L
Atemminutenvolumen 6–8 L/min >100 L/min bis zu 200 L/min
O2-Aufnahme 0,25 L/min 3,5 L/min 5 L/min

Das Herzminutenvolumen wird unter Belastung sowohl über eine Zunahme der Herzfrequenz als auch über eine Zunahme des Schlagvolumens gesteigert. Das Schlagvolumen nimmt hierbei jedoch relativ gesehen nur geringfügig zu!

Anpassung an besondere Druckverhältnisse

Sowohl beim Tauchen unter Wasser als auch in großer Höhe muss der Körper mit besonderen Druckverhältnissen zurecht kommen. Dazu muss sich insbesondere die Atmung anpassen (vermehrte Atemarbeit), was bei Aufenthalten in der Höhe die körperliche Belastungsfähigkeit und beim Tauchen die Tauchtiefe einschränkt. Bei ungenügender Anpassung kann es in beiden Fällen zu schweren Schäden vor allem an Lunge und Gehirn kommen.

Tauchen

Im Wasser steigt der Umgebungsdruck um ca. 1bar (= 100 kPa) je 10 m Wassertiefe. Dadurch nimmt das Lungenvolumen ab . Auch die Partialdrücke steigen, weshalb in großer Tiefe nicht nur Sauerstoff besonders gut aufgenommen wird, sondern auch andere Gase wie bspw. Stickstoff. Dies kann beim Gerätetauchen zum Tiefenrausch und zur Dekompressionskrankheit führen .

  • Apnoetauchen
    • Tauchreflex: Kältereiz an Mund und Nase löst Schluss der Stimmritze aus und eine reflektorische Bradykardie
    • Verlängerung der Apnoezeit möglich durch Hyperventilation vor dem Abtauchen
  • Schnorcheltauchen
    • Pendelatmung durch den Schnorchel erhöht den funktionellen TotraumAtemzugvolumen steigt (dies limitiert jedoch nicht die Tauchtiefe!)
    • Über den Schnorchel entspricht der intrapulmonale Druck dem atmosphärischen Druck von 100 kPa, während von außen der hydrostatische Druck auf den Thorax einwirkt
      • Ab ca. 40 cm Tauchtiefe: Druckdifferenz kann zu Schäden an den Alveolen führen
      • Ab 1 m Tauchtiefe: Die Atemmuskulatur kann die auf den Thorax wirkende Kraft nicht mehr überwinden
      • Venöse Gefäße werden durch den Wasserdruck komprimiert → Der venöse Rückfluss zum Herzen wird verringert → Auswurfleistung des Herzens sinkt

Höhe

Der Standardluftdruck auf Meereshöhe beträgt 100 kPa = 1 bar. Mit steigender Höhe nimmt er jedoch kontinuierlich ab (ca. um die Hälfte alle 5500 m) und damit auch der Partialdruck der einzelnen Gasfraktionen .

In mittleren Höhen überwiegt die Rechtsverschiebung der Sauerstoffbindungskurve durch 2,3-BPG, in extremen Höhen die Linksverschiebung durch die respiratorische Alkalose!

Veränderungen im Alter

Alle Körperzellen unterliegen einem natürlichen Alterungsprozess. Dieser entsteht durch die DNA-Schädigung und DNA-Reparaturmechanismen. Diese Veränderungen betreffen alle Organsysteme und führen auch zu einer Verringerung der körperlichen Leistungsfähigkeit.

Knochenskelett

  • Veränderungen im Calciumstoffwechsel führen zu einer Abnahme der Knochenmasse und dadurch zu einer höheren Brüchigkeit

Muskulatur

Herz

  • Die Wanddicke des linken Ventrikels nimmt zu, die Herzgröße ändert sich dabei nicht
  • Schlechteres Ansprechen auf β-adrenerge Reize

Kreislauf

  • Der systolische Blutdruck steigt und dadurch auch der mittlere arterielle Blutdruck
    • Ursache: Sklerosierung und Elastizitätsverlust der Arterien

Lunge

  • Zunahme der Steifheit des Thoraxskeletts und Abbau an elastischen Fasern in der Lunge → Elastizität (Compliance) nimmt ab, Vitalkapazität nimmt ab, Atemwegswiderstand nimmt zu, Residualvolumen steigt
  • Abnahme der Alveolarsepten und dadurch Zunahme der Alveolengröße → Die Gasaustauschfläche wird kleiner und die maximale Sauerstoffaufnahme ist geringer
  • Hustenreflex und Abwehrmechanismen sind abgeschwächt → Erhöhte Anfälligkeit für Infekte

Niere

Nervenzellen und Sinnesphysiologie

  • Verringerte Nervenleitgeschwindigkeit und verzögerte synaptische Übertragung → Reaktionsvermögen nimmt ab
  • Presbyakusis: Hohe Frequenzen werden immer schlechter wahrgenommen; auch das Sprachverständnis sinkt
  • Presbyopie (Altersweitsichtigkeit): Die Elastizität der Linse nimmt ab, die Akkomodationsbreite sinkt, weshalb sich der Nahpunkt vom Auge weg verschiebt

Wiederholungsfragen zum Kapitel Leistungsphysiologie und Altern

Grundlegende Größen

Wie berechnet man den Sauerstoffverbrauch des Körpers und wie hoch ist dieser normalerweise in Ruhe?

Wodurch steigt die arteriell-gemischtvenöse O2-Differenz an?

Wie berechnet man den respiratorischen Quotienten und was lässt sich aus ihm ableiten?

Was bezeichnet man als Sauerstoffausschöpfung und ist diese immer gleichbleibend?

Wie kann man die CO2-Produktion des Körpers mithilfe der alveolären Ventilation berechnen?

Organsysteme in Ruhe und unter Belastung

Welche Anpassungen ergeben sich bei der Durchblutung und dem Stoffwechsel des Herzens unter Belastung?

Wodurch werden die Koronararterien unter Belastung erweitert?

Durch welchen Mechanismus kann in der Lunge der Gefäßwiderstand gesenkt werden?

Wie wird die Durchblutung des Gehirns reguliert?

Welchen Anteil des Herzzeitvolumens macht die Durchblutung der einzelnen Organe aus?

Wie stark kann die Durchblutung der Skelettmuskulatur erhöht werden?

Warum ist das Blut der Nierenvenen kaum entsättigt?

Wie verändert sich der Stoffwechsel der Skelettmuskulatur bei anhaltender Belastung?

Was bezeichnet man als Trainingseffekt? Nenne Beispiele dafür!

Welchen Effekt haben das bei Belastung erhöhte Herzzeitvolumen und die dadurch erhöhte Lungenperfusion auf den Gasaustausch?

Wodurch wird das Herzzeitvolumen bei Belastung gesteigert?

Anpassung an besondere Druckverhältnisse

Wie stark steigt der Umgebungsdruck pro 1 m Tiefe beim Tauchen?

Warum kann Schnorcheltauchen nicht mit einem längeren Schnorchel durchgeführt werden?

Wie verändert sich der O2-Partialdruck der Inspirationsluft in großer Höhe?

Wie und warum verändert sich der pH-Wert des Blutes in großer Höhe? Beschreibe dazu den Pathomechanismus der Höhenkrankheit!

Veränderungen im Alter

Wodurch nimmt der systolische Blutdruck mit dem Alter meist zu?

Wie verändern sich Lungenvolumina mit dem Alter?

Warum nimmt die maximale Sauerstoffaufnahme mit zunehmendem Alter ab?