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Sportmedizinische Grundlagen

Physiologie

JC
von Jakub C.

Energielieferanten:

  1. Proteine:

    1. Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff, Schwefel

    2. bestehen aus aufgefalteten Aminosäuren —> Peptide

    3. Polypeptide —> Protein

  2. Kohlenhydrate:

    1. Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff

      1. Monosaccharide

        1. ringförmig, 6 Kohlenstoffatome

      2. Disaccharide

        1. zwei Monosaccharide + H20

      3. Polysaccharide

        1. vielzahl an Monosaccharide

  3. Lipide:

    1. Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff

      1. Öle und Neutralfette

      2. gesättigte und ungesättigte Fettsäuren


Bedeutung der Kohlenhydrate beim Energiestoffwechsel:

  1. Je geringer die Trainingsintensität, desto mehr Fettsäuren werden verbrannt

  2. Anwesenheit von Kohlenhydraten erforderlich da:

    1. Ketonkörper —> Übersäuerung (Acidose) + Glycogenmangel

    2. Hungerast


Energiestoffwechsel

  1. ATP-Spaltung —> Myosinköpfchen lösen sich von Aktin

  2. Geringer ATP-Gehalt in den Muskeln (Mitochondrien) muss erhalten werden


Phosphate:


(KrP) + (ADP) —>

——————————————————————————

(Kr) + (ATP)


anaerobe Glycolyse:


(Glucose) + 2(ADP) + 2(P) + 2(Coenzym NAD) —>

——————————————————————————

2(Pyruvat-) + 2(ATP) + 2(H20) + 2(NADH) + 2(H+)

——————————————————————————

2(Pyruvat-) —> Laktat


aerobe Energiegewinnung:

—> in Mitochondrien:

  1. Zitronensäurezyklus

  2. Atmungskette


Pyruvat + Glucose + Sauerstoff —> (CO2) + (H2O)

Vorteile der Energiestoffwechsel:


Anaerobe Energiegewinnung:


Vorteile:

  • Energiebereitstellung erfolgt relativ schnell

  • die pro Zeiteinheit freigesetzte Energiemenge ist relativ groß


Nachteile:

  • Gesamtenergiemenge ist relativ klein

  • Energie kann nur relativ kurze Zeit anaerob bereitgestellt werden

  • Anreicherung von Laktat


Aerobe Energiegewinnung:


Vorteile:

  • nahezu unbegrenzte Dauer der Energiegewinnung

  • durch Abbau von Fetten möglich

  • die bereitgestellte Gesamtenergiemenge ist relativ groß

  • problemlose Entsorgung der Stoffwechselendprodukte (H2O und CO2)

    • kein Laktat

    • Haut, Harn und Lungen


Nachteile:

  • Energiebereitstellung erfolgt relativ langsam

  • die pro Zeiteinheit freigesetzte Energiemenge ist relativ klein


Atemwege:

—> Sauerstoffbedarf: ~300ml/min - 6000ml/min (20x)

—> Der gesamte Atmungsapparat ist mit Flimmerepithel ausgekleidet (Raucher)


  1. Atemwege:

    1. Obere Atemwege:

      1. Nase, Nasenhöhle, Rachen (Pharynx)

    2. Kehlkopf (Larynx)

    3. Untere Atemwege:

      1. Larynx, Luftröhre (Trachea), Bronchen, Bronchiolen, Alveolen


  1. Nase:

    1. ausgekleidet von mehrschichtigem Flimmerepithel (Kinozilien)

      1. rachenwärts gerichtete Wellenbewegung

    2. schleimabsondernde Drüsen in subepithelialem Bindegewebe

      1. Reinigung, Befeuchtung und Epithelerneuerung

    3. hohe Kapilardichte

      1. Erwärmung der Atemluft

  2. Larynx:

    1. bei Schlucken oder Erbrechen durch Kehldeckel (Epiglottis) verschlossen

    2. Verschlucken (Aspiration)

    3. Stimmbildung (Phonation)

  3. Trachea:

    1. Von Larynx zu Bifurcatio tracheae (Aufzweigung, Höhe T4)

    2. von hyalinen Knorpelringen aufgespannt

    3. Hinterwand aus Bindegewebe und glatter Muskulatur

      1. Lumen Verkleinerung um bis zu 25%

      2. Luftröhrenquerschnitt(-) -> Strömungsgeschwindigkeit(+) -> besseres Abhusten

  4. Bronchien:

    1. Stammbronchien <-> Bronchiolen

      1. Knorpeleinlagen <-> glatte Muskulatur,

  5. Lunge:

    1. rechts: drei Lappen

    2. Mediastinum

    3. links: zwei Lappen (Herz)

    4. Hauptmasse: Alveolen

      1. einschichtiges Epithel

      2. sehr hohe Kapilardichte

      3. Große Oberfläche: 70-120qm [40-60x A(Körper)]














Atemwege

mechanik

Volumina

Gasaustausch,transport

atemregulation

Atmung:

  1. äußere Atmung:

    1. An Alveolarmembran

  2. Innere Atmung:

    1. Im Körpergewebe


  • Atmung (Respiration) [muskuläre Effektverstärkung möglich]

    • Einatmung (Inspiration) [aktiv]

    • Ausatmung (Expiration) [passiv]


—> 21% O2 + 0,03% CO2 —> 16% O2 + 4% CO2

—> Partialdruck —> Diffusion

Atemmechanik:

Es wird unterschieden zwischen der Atmung in Ruhe und der bewussten (forcierten Atmung):


Inspiration:

  1. Ruheatmung:

    1. Zwerchfell (Diaphragma)

    2. Scaleni

    3. (externe) Intercostalmuskeln

  2. Forcierte Atmung (Atemhilfsmuskulatur):

    1. s.o.

    2. sternocleidomastoideus (Sternum, Clavicula)

    3. pectoralis major

    4. pectoralis minor

    5. seratus posterior superior

    6. latissimus dorisi (Rippe 9-12)

    7. errector spinae

    8. seratus posterior inferior

    9. quadratus lumborum

Expiration:

  1. Passive Erschlaffung (o.g. Muskeln)

  2. Aktive Expiration:

    1. (interne) Intercostalmuskeln

    2. obliquus internus, externus abdominis

    3. rectus abdominis

    4. transversus abdominis

      1. Bauchpresse:

        1. Bauchhöhle wird kompremiert

        2. Rippen senken sich

        3. Zwerchfell wird in Richtung Brustkorb gedrückt

        4. Stabilisation Wirbelsäule + Pelvis


Exkurs Intercostalmuskeln:

/ -> exhale

\ -> inhale


  • Musculi intercostales externi

  • Musculi intercostales interni

  • Musculi intercostales intimi

  • Musculi subcostales

  • Musculus transversus thoracis


Aufgaben des Blutes:

Blut kann aus funktioneller Sicht als flüssiges Organ bezeichnet werden.


  1. Transportfunktion:

    1. Sauerstoff / Kohlenstoffdioxid (Atmungsfunktion)

      1. Lunge

      2. Zielorgane

    2. Stoffwechselendprodukte

      1. Wasser, Harnstoff, überschüssige Salze

      2. Darm, Nieren, Leber, Haut

    3. Nährstofftransport (Vitalfunktion)

      1. Kohlenhydrate, Lipide, Proteine, Wasser, Salze

      2. Hormone

    4. Wärmetransport

      1. Regulation der Körpertemperatur

    5. Imunabwehr

      1. Leukozyten

    6. Regulation des Säure-Basen-Haushalts

      1. Protonenkonzentration <-> pH-Wert (7,35 - 7,45)


Bestandteile des Blutes:

  1. 55% Plasma:

    1. Wasser, Salze, Proteine, Kohlenhydrate, Lipide, Hormone

  2. 42-45% Hämatokrit:

    1. Erythrozyten (Hämoglobin), Leukozyten, Thrombozyten

  3. 5% Serum:

    1. Plasma - Fibrinogen (Gerinnungsfaktoren) = Serum



Plasma:


  1. Wasser (90%)

    1. ständiger Austausch mit Interzellularraum (70% / min)

      1. konstantes Milieu

  2. Plasmaproteine (7-8% )

    1. Albumine (60%)

      1. Synthese -> Leber

      2. Verhinderung des Rückstroms des Wassers aus den Interzellulärräumen in die Blutgefäße (osmotische Wirkung) —> Blutdruck

      3. Hormonbindung und -transport (Vehikelfunktion)

    2. Globuline (40%)

      1. Transportfunktion (Alpha-1, Alpha-2, Beta)

      2. Immungloboline (Gamma)


Hämatokrit:


Erythrozyten (95%):

—> große Oberfläche (Hantelform)

—> hohe Elastizität

—> keine Organellen/Zellkern, dafür Membran

—> O2 und CO2 - Transport durch Fe2+

—> ~4 Monate Lebensdauer


  1. Anämie (Mangel)

    1. Eisen-, Vitamin-B12- oder Folsäuremangel

    2. Blutverlust, Leukämie

  2. Polyglobulie (Überschuss)

    1. Blutdoping

    2. Höhenpolyglobulie

    3. Aggregation + Flüssigkeitsmangel = Thrombose


Leukozyten:

—> kernhaltig und formvariabel

—> Eigenbewegung durch Zellfortsätze

—> ~1 Woche Lebensdauer


  1. Granulozyten (50-60%)

    1. neutrophile Granulozyten

      1. Phagozytose (Aufnahme kleinerer Zellen z.B. Bakterien)

    2. eosinophile Granulozyten

      1. Phagozytose (artfremdes Eiweiß)

    3. basophile Granulozyten

      1. Histamin/Heparin-Synthese (Blutgerinnung)

  2. Lymphozyten (20-40%)

    1. spezifische Imunabwehr (bakteriell und viral)

    2. Antikörper-Synthese

    3. sehr variable Lebensdauer < 100 Tage

  3. Monozyten (4-8%)

    1. Phagozytose (abgestorbene/beschädigte Zellen)


Thrombozyten:

  1. Blutgerinnung

  2. 7-14 Tage Lebensdauer


Gastransport im Blut:

Blutgerinnung Hämostase:

  1. primäre Hämostase:

    1. wenige Sekunden

      1. Vasokonstriktion + Thrombozytenaggregation —> weißer Thrombus

      2. instabil

  2. sekundäre Hämostase:

    1. einige Minuten

      1. komplexes enzymatisches Wechselwirken der Plasmaproteine

      2. (Prothrombin —> Thrombin) —> (Fibrinogen —> Fibrin)

      3. Stabilisierung des Thrombus durch Fibringerüst indem sich Erythrozyten fangen


Herzkreislaufsystem:


Gefäßarten:

  1. Arterien

    1. Blut vom Herzen weg

  2. Kapillaren

    1. Haargefäße —> Stoff/Gasaustausch im Gewebe

  3. Venolen:

    1. venöse Kapillar-Äquivalente

  4. Venen

    1. Sammeln Blut und führen es zum Herzen

Blutreislauf:



Herzwand:



—> Perikardhöhle gefüllt mit seröser Flüssigkeit

—> Außen verlaufen die beiden Coronarien in der Herzkrankzfurche

—> Großteil des venösen Blutes läuft in den Sinus Coronarius -> rechten Vorhof

Herztätigkeit:

  1. Systole: (120 mmHG) —> Klappen öffnen

  2. Diastole: (80 mmHG) —> Klappen schließen


Systole + Diastole = Herzschlag (~1s)

Herzschläge / Minute = Herzfrequenz (HF) (60-80bpm)

220 - Lebensalter = HF(max) (197bpm)


Blutmenge / Herzschlag = Schlagvolumen (SV) (liter)

SV * HF = Herzminutenvolumen (HZV) (~5l)


Sportlerherz:

Herzvolumen(+), Kammervolumen(+) —> HZV(+), HF(-)


Physiologie der Herzkontraktion:

Das Herz schlägt autonom, durch das Reizbildungs- und Reizleitungssystem:

—> Aktionspotentiale


  1. Sinuskonoten:

    1. physiologischer Schrittmacher des Herzens

    2. spezielle Herzmuskelfasern

  2. AV-Knoten:

    1. Verzögerung der Überleitungszeit

    2. Ersatzschrittmacher

  3. His-Bündel:

    1. Tawara-Schenkel (bifurcation)

    2. Purkinje-Fasern (baumartiges Netz)

      1. Innen

      2. Außen


Elektrokardiogramm (EKG):

  1. Extremitätenableitung

  2. Brustwandableitung (genauer)



Venen und Arterien:

  1. Tunica intima

  2. Tunica media

    1. Vasokonstriktion

    2. Vasodilatation

  3. Tunica adventitia



  1. Arterien:

    1. Hochdruck

    2. Windkesselfunktion

    3. muskuläre Lumenregulation

  2. Venen:

    1. Niedrigdruck (Muskel-Venen-Pumpe)

    2. Venenklappen

    3. dicke Adventitia (Stabilität)


Arterien:

Venen:


Kapillaren:



  1. kontinuierliche:

    1. Standard

  2. Fenestrierte:

    1. große Sekretions-/Resorptionsleistung (Durchtritt von Wasser)

    2. Dünndarm, Niere und endokrine Drüsen

  3. diskontinuierliche:

    1. Durchtritt von Makromolekülen

    2. Leber, Knochenmark


kardiovaskuläre Anpassungen:

  1. Herzfrequenz

  2. Schlagvolumen

  3. Herzminutenvolumen

  4. Blutdruck

  5. Durchblutungsrate

  6. Blut

  7. Ventilation


Sauerstoffaufnahme:

VO2 = HZV * avDO2

—> Sauerstoffaufnahme ist abhängig von der Durchblutung, sowie der Menge an Sauerstoff welche dem Gewebe entnommen wird


Maximale Sauerstoffeinnahme:

(1,5 / 3 / 6) liter/min


Aerob-anaerobe Schwelle:

Sauerstoffbedarf = Sauerstofflieferung —> Steady State

Herzfrequenz —> Steady State (HF / %VO -> linear)


Anpassung des Schlagvolumens:

  1. Frank-Starling-Mechanismus:

    1. Größerer Blutrückstrom -> stärkere Kammerdehnung (preload) -> größerer Auswurf

  2. höhere Sympathikusaktivität -> gesteigerte Kontraktilität


Anpassung Blutdruck:

  1. Systolischer Blutdruck:

    1. linearer Anstieg (120-200 mmHg)

  2. Diastolische Blutdruck

    1. konstant (80-90 mmHg)


Vasokonstriktion und Vasodilatation:


Blut:

—> Sauerstoffgehalt in den Muskeln sinkt -> avDO2 steigt

—> Plasmavolumen des Blutes sinkt -> Wassermangel


Ventilation:

Ventilations steigt linear zur Belastungsintensität bis zur aerob-aneroben Schwelle

  1. ventilatorische Schwelle:

    1. Übergang in den aneroben Stoffwechsel

    2. Anstieg H+ und CO2

    3. pH Regulation durch Abatmung (Puffer-Funktion)

    4. plötzlicher linearisch-abweichender Anstieg




Unspezifische Abwehrreaktionen:

unspezifische humorale Abwehrreaktion:

  1. Komplementsystem

    1. Von Makrophagen ausgeschiedene Proteinkörper

    2. erleichtern Phagozytose, beschleunigen absterben

  2. Lysozym

    1. zersetzt Membran bestimmter Bakterien

  3. Interferon

    1. hemmt Vermehrung von Viren


unspezifische zelluläre Abwehrreaktion (Fresszellen):

  1. Microphagen (neutrophile Granulozyten)

    1. schnelle Bereitstellung, große Menge

    2. kurze Lebensdauer

  2. Makrophagen

    1. Gewebsmakrophagen (Organgewebe)

    2. Blutmakrophagen (Monozyten)

      1. Eigenbewegung, können Gefäßwande passieren

      2. Phagozytose + Lyse = Eiterkörper


spezifische Abwehrreaktionen:

spezifische humorale Abwehrreaktion (Antigen-Antikörper):

  1. B-Lymphozyten —> Antigen

  2. Gedächtniszellen und Plasmazellen

    1. Gedächniszelle (gespeicherte Determinante) —> Plasmazellen —> Antikörper

    2. Plasmazelle —> Antikörper

  3. Antikörper (gamma-Globuline) —> Antigen —> Lyse


B-Lymphozyten/Plasmazellen:

—> Somatische Hypermutation

—> hypervariable Regionen der Antikörper ändern sich ständig (Determinante)


spezifische zelluläre Abwehrreaktion:

  1. Makrophagen sind überfordert

  2. Interleukin —> T-Lymphozyten, Gedächniszellen

  3. T-Lymphozyten aktivieren Makrophagen (Lymphokine)


Lymphsystem:

  • Transportfunktion:

    • nimmt Interzellularflüssigkeit auf (Lymphe)

      • Blutplasma aus den Kapillaren im Gewebe

      • Nährstoffversorgung

  • Schutz-/Filterfunktion

    • Stoffwechselendprodukte, tote Zellen, Bakterien

    • Lymphknoten (vgl. Milz)

  • mündet in Halsvene


Nervensystem:

—> Es integriert Reize (außen/innen), koordiniert Motorik, alle Systeme untereinander


  1. zentrales Nervensystem:

    1. Gehirn und Rückenmark

    2. graue Substanz (Somata)

    3. weiße Substanz (Axone)

  2. peripheres Nervensystem:

    1. Nervengewebe außerhalb des Gehirns und des Rückenmarks

    2. efferente und afferente Fasern

  3. vegetative Nervensystem (unwillkürlich / Organe):

    1. Sympathikus (Fight or Flight)

    2. Parasympathikus (Rest and Digest)



Gehrin:

Exkurs

endokrines System:

—> Botenstoffe mit Schlüssel-Schloss-Prinzip

—> Multidimensionale Wirkung (Insulin Bsp.):

  1. steigerung Zellpermeabilität

  2. beinflussen Kohlenhydrat-, Protein- und Lipidstoffwechsel


molekularer Aufbau:


  1. Proteohormone (Peptid- / "Proteinhormone”)

    1. Insulin -> Aufnahme von Glucose in Körperzellen

    2. Glucagon -> steigert Blutzuckerspiegel

  2. Steroidhormone (“Cholesterinhormone”)

    1. Estradiol [w] (kardioprotektiv, osteoporosehemmend)

    2. Testosteron [m] (Erythropoese, Proteinstoffwechsel)

  3. Katecholamine (Tyrosinderivate, “Aminosäurehormone”)

    1. (Nor-)Adrenalin -> Sympathikus

    2. Dopamin -> Sympathikus

  4. Eicosanoide (“Fettsäurehormone”)

    1. Prostaglandin -> Schmerzvermittlung, Fieber


Syntheseort:


Drüsenhormone:

  1. Nebennieren

  2. Hirnanhangdrüse

  3. Zierbeldrüse

  4. Schilddrüse

  5. Keimdrüsen


Gewebshormone:

  1. Fettgewebe:

    1. Angiotensin (Blutdruck) [vgl. Adipositas]

    2. Estradiol (s.o.)

    3. Adiponectin (Glucose-/Lipidstoffwechsel)

  2. Verdauungsapparat (Enterohormone):

    1. Gastrin, Sekretin, Pankreozymin (Verdauung)

  3. Niere:

    1. Renin, Angiotensin (Blutdruck)

    2. Erythropoetin (Erythrozytensynthese)

  4. Nervenzellen (Neurohormone)

  5. Thrombozytenzerfall:

    1. Serotonin (Vasokonstriktion)

  6. basophile Granulozyten:

    1. Histamin (Vasodilatation)


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Author

Jakub C.

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