Anaerobe Schwelle: 4 Fragen und Antworten | Sport + Stoffwechsel
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Die anaerobe Schwelle, auch als aerob-anaerobe Schwelle oder Laktatschwelle bezeichnet, ist eine Schwellwert, welcher beim Sport erhoben wird. Es ist die Markierung, wo die Energieversorgung von aerob (mit Sauerstoff) auf anaerob (ohne Sauerstoff) übergeht. Anhand dieses Schwellwertes lässt sich die Trainingsintensität im Ausdauersport und der Trainingszustand eines Athleten bestimmen. Im Training wird diese Grenze regelmäßig und gezielt überschritten, um neue Reize zu setzen.
Inhalt
Was ist die anaerobe Schwelle: Definition und Bedeutung
Unter der anaeroben Schwelle versteht man in den Sportwissenschaften die höchste Trainings- bzw. Belastungsintensität, die über einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden kann, wobei die Laktatproduktion den Laktatabbau übersteigt. Die Ermittlung der anaeroben Schwelle dient insbesondere der gezielten Trainingssteuerung von Ausdauersportarten.
Grundsätzlich ist der Mensch ein aerobes Tier, das Sauerstoff verwendet, um Energiestoffwechsel betreiben zu können. Dabei werden organische Moleküle wie Zucker oder Fette abgebaut, aus denen die Energie hervorgeht. Wird jedoch mehr Sauerstoff benötigt als zur Verfügung steht, kann der Energiestoffwechsel anaerob (unter Abwesenheit von Sauerstoff) weiterlaufen.
Ein solcher Stoffwechselprozess ist die Laktatgärung. Diese läuft vorwiegend in den Muskelzellen ab. Hierbei werden verschiedene Zucker zu Laktat (Salz der Milchsäure) umgewandelt. Dieser Prozess äußert sich in einem „Brennen“ innerhalb der Muskeln und genereller Ermüdungserscheinung. Wann die anaerobe Schwelle überschritten wird, ist von Individuum zu Individuum unterschiedlich und lässt sich mit verschiedenen Methoden ermitteln.
Was passiert biochemisch an der aerob-anaeroben Schwelle
Lass uns zuvor einige Grundbegriffe klären. Der Energiestoffwechsel dient dem Energiegewinn, indem die Zelle einen universellen Energieträger, namens Adenosintriphosphat herstellt. Abgekürzt wird diese reaktionsfreudige Substanz mit ATP.
Energiegewinn und Einsatzmöglichkeiten des ATP
Dieses ATP besitzt drei Phosphatreste – weshalb das Triphosphat im Namen vorkommt. Außerdem taucht im Namen das Adenosin auf, welches ein organisches Molekül des Adenins ist, das als Base in jeder DNA und RNA vorkommt.
Durch die drei Phosphatreste sind die Adenosinmoleküle miteinander verbunden. Sobald sich ein Phosphatrest löst, wird das Adenosin freigesetzt. Bei der Abspaltung wird zugleich Energie – welche im ATP gebunden war, freigesetzt. Diese Energie wird bei einer körperlichen Anstrengung aber sofort für die Belastung verbraucht, so dass man sich nicht energiereicher fühlt.
Vereinfachte Energiegleichung
Aus dem ATP mit drei Phosphatresten entsteht dann Adenosindiphosphat (kurz: ADP), welches zwei Phosphatreste (di= zwei) besitzt und immer noch ein Energieträger ist, aber lange nicht mehr so gehaltvoll daherkommt. Werden 2 Phosphatreste abgestoßen, wird aus ATP sogar ein Adenosinmonophosphat (AMP) mit nur noch einem Phosphatrest.
Struktur von AMP, ADP und ATP
Unter normalen Bedingungen, also bei gesunden Menschen, bewirkt die Abspaltung eines Phosphatrests, dass Energie in Höhe von 32,3 kJ/mol ausgeschüttet wird. Diese Energie kann dann für Arbeitsleistung genutzt werden.
Aber die Abspaltung bewirkt auch , dass das Adenosin in den Körper ausgeschüttet wird. Und dieses wirkt bzw. triggert den Hypothalamus. Der Hypothalamus ist eine Hirnregion, welcher sämtliche Gleichgewichtszustände (Homöostase) im Organismus reguliert. Dies sind Blutdruck, Körpertemperatur, Nahrungs- und Wasserausgleich, Schlaf-Wachrhythmus.
Hypothalamus: Kleine Hirnregion mit großer Bedeutung
Durch Zunahme des Adenosins steigt somit das Bedürfnis zu Trinken, zu Essen, die Körpertemperatur und auch die Ermüdung an. Außerdem werden diverse Neurotransmitter durch Zunahme des Adenosins blockiert. Dazu zählen bspw. Dopamin (Glückshormon) oder Acetylcholin, welches für die Aufmerksamkeit zuständig und an der Bildung von Erinnerungen beteiligt ist.
Das bedeutet, dass bei langen Trainingseinheiten – egal ob diese aerob oder anaerob stattfinden -die Konzentration nachlässt, das allgemeine Glücksempfinden sinkt und der Wunsch nach Schlaf erhöht wird.
Beim Schlafen wird das Adenosin wieder zu ATP umgebaut und steht dann wieder als Energieträger zur Verfügung.
Die menschliche Zelle oder der menschliche Organismus als Gesamtheit aller Zellen greift permanent auf ATP zu. Aufgebaut wird das ATP in den Mitochondrien der Zellen. Dies geschieht während der Atmungskette. Diese Atmungskette ist die 3. Prozessstufe bei einer Zellatmung. Ihr voraus gehen die Glykolyse und der Citratzyklus (Zitronensäurezyklus).
Durch Zellatmung entsteht der universelle Energieträger ATP, welcher als Energiewährung in Zellen eingesetzt wird
Bei der Atmungskette werden Protonen aus dem Mitochondrium gepumpt, wodurch ein Ladungsgefälle entsteht. Dieser Konzentrationsunterschied bewirkt, dass eine elektrische Ladung an der Biomembran des Mitochondriums entstehen kann.
Ein Enzym, namens ATP-Synthase – welches sich an der Biomembran befindet, nutzt diese elektrische Ladung als Startenergie – um an ADP oder AMP wieder Phosphatreste anhängen zu können. Somit ist dieses Enzym ein Katalysator dieser chemischen Reaktion.
Da die ATP-Herstellung als Teil der Zellatmung zu verstehen ist und die Glykolyse und der Citratzyklus vorausgehen, wird die Energiebereitstellung in beiden Vorstufen bereits vorbereitet und es werden bereits ATP-Anteile synthetisiert. Bei der Glykolyse werden Glucose (Zucker) und Glykogen als der primäre Reservestoff für Kohlenhydrate verbraucht. Im Citratzyklus werden ebenfalls Sacharide (Zucker) aber auch Fette abgebaut.
Eiweiß bzw. Proteine können als Quelle für die ATP-Bildung ebenfalls dienen, werden aber letztlich vom Organismus nur dann verwendet, wenn keine Kohlenhydrate oder Fette vorhanden sind. Denn ein Proteinabbau ist gleichzusetzen mit Muskel– oder Organabbau. Solchen Raubbau betreibt der Körper nur in Hungerphasen bzw. Fastenzeiten oder greift bei sehr langen Trainingseinheiten darauf zurück.
Drei Energiestoffwechselwege an der aerob-anaeroben Schwelle
Grundsätzlich existieren zwei Formen der Energiegewinnung, welche immer stattfinden. Man unterscheidet die Energiegewinnungswege nach der Sauerstoffnachfrage.
Aerobe Stoffwechselprozesse finden unter Sauerstoffbeteiligung statt. Das Gegenstück bildet der anaerobe Stoffwechsel. Beide Energiestrategien kommen jederzeit gleichzeitig vor, jedoch verändert sich ihr Verhältnis durch die Belastungsintensität. Weiterhin kann man den anaeroben Weg darin unterscheiden, ob Laktat produziert wird oder nicht (alaktazid und laktazid).
Außerdem kann man Stoffwechsel auch nach den beteiligten Energieträgern unterscheiden, weshalb es einen Fettstoffwechsel oder Kohlenhydratstoffwechsel gibt. Aber auch hier finden beide Wege immer gleichzeitig statt, nur deren Verhältnis ändert sich mit zunehmender Intensität und Zeit.
aerobe Energiegewinnung unterhalb der anaeroben Schwelle
Während Ruhephasen erfolgt die Energiegewinnung hauptsächlich aerob. Dabei wird ATP hauptsächlich aus Kohlenhydraten gewonnen (etwa 2/3). Der restliche Teil (1/3) geschieht über Fette. Alle anderen Energieträger – wie Eiweiße – werden zwar ebenfalls verstoffwechselt, aber deren Anteil ist verschwindend gering.
Verschiebung des Stoffwechsels von Kohlenhydrate auf Fette anhand der Zeitdauer
Bei Aktivitätsphasen unterhalb der anaeroben Schwelle findet der Kohlenhydrat- und Fettstoffwechsel ebenfalls statt, verschiebt sich aber mit zunehmender Belastungsdauer. Werden in den ersten 45 Minuten hauptsächlich Kohlenhydrate verstoffwechselt, nimmt deren Anteil zugunsten der Fettverbrennung ab. Der Abbau von Proteinen setzt erst nach Stunden ein.
anaerob alaktazide Energiegewinnung an der Laktatschwelle
Alaktazid bedeutet ohne Laktatproduktion. Sobald eine Belastung einsetzt, stellt sich die Energiebereitstellung von aerob auf anaerob um. Dies geschieht in den ersten Sekunden und bei gleichbleibender geringerer Intensität springt der Energiestoffwechsel dann zurück in den aeroben Bereich.
In diesen ersten Sekunden der Anstrengung wird allerdings kein Laktat produziert, sondern die Energiebereitstellung geschieht über ATP und Kreatinphosphat (KP).
Kreatin ist ein Stoff, welcher in Fisch und Fleisch vorkommt. In Muskelzellen liegt er besonders stark in den sogenannten Sprintmuskeln – also den weißen glycolytischen Muskelfasern vor. Bei den roten bzw. oxidativen Ausdauermuskeln ist der Anteil des Kreatins deutlich geringer.
Sobald die Intensität einsetzt, muss permanent ATP im Muskel nachgelegt werden. Denn das vorgespeicherte ATP in Muskelzellen reicht bei Belastung gerade einmal 2 Sekunden. Somit muss eine schnelle Erstversorgung einsetzen, damit die Muskelarbeit erhalten bleiben kann. Und den schnellstmöglichen Nachschub bietet das Kreatinphosphat – welches eine Phosphatgruppe abgibt.
Dadurch wird aus Adenosindiphosphat (ADP) und Kreatinphosphat (KP) wieder das energiereichere ATP aufgebaut. In der sogenannten Lohmann-Reaktion wird dieser Neuaufbau dargestellt.
Einsatz von Kreatinphosphat (KP) bei der ATP-Synthese
Das Enzym Myokinase kann Ähnliches. Dieses stellt aus 2 ADP ein ATP und ein AMP her. Dabei wird Ammoniak freigesetzt.
Bei der Myokinase-Reaktion wirkt das Enzym Myokinase. Es wird ATP aus ADP aufgebaut, allerdings unter der Freisetzung von Ammoniak und Inosinmonophosphat (IMP)
Wie schon beschrieben, ist der ATP-Gewinn durch Kreatinphosphat am Anfang einer Belastung gegeben. Den Höhepunkt erreicht dieser Energiestoffwechsel nach circa 10 Sekunden. Dann beträgt der Anteil der Kreatinphosphat-Aktivität etwa 90% an der ATP-Gesamtproduktion.
Allerdings reichen die Vorräte nur etwa 20 Sekunden aus, weshalb dieser Energiegewinnung hauptsächlich bei hochintensiven Sprints, Stößen und Sprüngen zum Einsatz kommt. Prädestinierte Sportarten sind dann Weitsprung, Hochsprung und Ballsportarten – in denen kurze intensive Sprints oder Sprungkraft gefordert wird.
Anaerob laktazide Energiegewinnung oberhalb der anaeroben Schwelle
Bleibt die Intensität hoch, stellt sich der Organismus von alaktazider auf laktazide Bereitstellung um. Fortan wird Energie als Laktat gewonnen.
Typische Sportarten sind Sprintläufe, welche länger als 20 Sekunden dauern – wie etwa 400 Meter Läufe. Aber auch Ausdauerläufer absolvieren Intervallläufe, in denen sie mehrere Minuten in einem hohen Tempo oder auf Berganstiege laufen. In diesen Bereichen wird Energie aus Laktat gewonnen. (Siehe Kraftausdauer, Schnelligkeitsausdauer)
Sportanfänger mit wenig Ausdauer kommen auch in diesen Bereich. Ein Beispiel ist der Schulsport, wenn verlangt wird – einen Kilometer oder mehr zu laufen. Da die Kinder und Jugendlichen nicht über die nötigen Grundlagenausdauer verfügen, springt die Energieversorgung dann in den anaeroben Bereich und spätestens beim Endspurt ist die Laktatgrenze erreicht.
Diese Form der Energiebereitstellung ist allerdings ineffizient, da aus einem Glucose-Molekül lediglich 2 ATP-Moleküle gewonnen werden können. Zum Vergleich bei aerober Energiegewinnung werden aus einem Glucose-Molekül insgesamt 38 ATP-Moleküle gewonnen, wodurch die Leistungskapazität deutlich länger gehalten werden kann.
Vereinfachte Darstellung der laktaziden Energiegewinnung oberhalb der anaeroben Schwelle
Aufgrund dieser Ineffizienz kann die Energiebreitstellung auch nicht lange erfolgen, weshalb die Laktat-Höchstgrenze nach einer Minute erreicht ist. Und schon nach 45 Sekunden beträgt der Laktat-Anteil im Hochintensivbereich rund 70 %. Zwar kann ein trainierter Sportler die Belastung im Laktatbereich für mehrere Minuten halten, jedoch nimmt die Laktatproduktion nicht weiter zu. Irgendwann übersteigt der Laktatverbrauch auch die Laktatproduktion, was als maximales Laktat-Steady-State bezeichnet wird.
Anhand des Laktatanteils im Blut wird auch bestimmt, wie das allgemeine Leistungsniveau eines Sportlers ist. Dazu wird bei mittleren Intensitätseinheiten der Laktatspiegel im Blut regelmäßig gemessen, um festzustellen – wann die anaerobe Ausdauer unter Laktatbedingungen einsetzt. Solche Laktattests werden bspw. im Profifußball vor der Saison durchgeführt. Bei reinen Ausdauersportarten wird über den Laktattest die Trainingsintensität beurteilt.
Wie lässt sich die anaerobe Schwelle bestimmen
Die einfachste Methode, die anaerobe Schwelle zu bestimmen, bieten verschiedene Faustformeln. Um die maximale Herzfrequenz zu bestimmen, kann man bspw. das eigene Lebensalter von 210 subtrahieren und erhält die Herzfrequenz, bei der die anaerobe Schwelle überschritten wird. Eine andere Faustregel besagt, dass bei 85-90% der maximalen Herzfrequenz die anaerobe Schwelle überschritten wird, wobei die maximale Herzfrequenz der Subtraktion 220 – Lebensalter entspricht.
Solch pauschale Aussagen liefern zwar einen Näherungswert, sind jedoch wenig wissenschaftlich und berücksichtigen lediglich das Alter als Faktor. Doch ein trainierter 50-Jähriger kann eine deutlich höhere anaerobe Schwelle aufweisen als ein 20-Jähriger, der unter diversen Krankheiten leidet.
Um die anaerobe Schwelle exakter zu bestimmen, empfiehlt es sich, verschiedene Praxistests durchzuführen. Eine der bekanntesten Methoden, um die anaerobe Schwelle optimal zu bestimmen, ist der Blutlaktattest. Dieser ist zwar sehr genau, jedoch auch sehr aufwendig. Hierbei wird die Trainingsintensität stufenweise gesteigert und bei jeder Steigerung eine Blutentnahme aus dem Finger oder Ohrläppchen vorgenommen.
Steigt ab einer gewissen Intensität der Laktatspiegel immer weiter, ist die anaerobe Schwelle überschritten und dieser Intensitätswert kann dann als anaerober Schwellwert angesehen werden. Da dieser Test, wie eingangs erwähnt, sehr aufwendig ist, gibt es einen ähnlichen Laktattest, den sog. Mader-Test. Bei diesem Test wird lediglich die Lauf- oder Radfahrgeschwindigkeit ermittelt, bei welcher der Blutlaktatwert von 4 mmol/l erreicht wird.
Ein Test, bei dem keine Blutentnahme nötig ist, stellt der sog. Conconi-Test dar. Hierbei wird lediglich die Herzfrequenz und die Intensität bestimmt. Werden beide Werte miteinander verglichen und graphisch dargestellt, so folgt ab einem gewissen Punkt ein Abflachen der Kurve. Dieser Punkt, ab dem das Abflachen eintritt, wird als Deflektionspunkt bezeichnet. Dieser entspricht der anaeroben Schwelle.
Wie lässt sich die anaerobe Schwelle durch Training verbessern
Um die anaerobe Schwelle nach oben zu verlagern, empfehlen sich zwei verschiedene Trainingstypen. Einerseits das Laktatschwellentraining und andererseits das Intervalltraining. Beide Trainingsformen zielen darauf ab, die anaerobe Schwelle nach oben zu verlagern, wodurch eine Erhöhung der Trainingsintensitäten ermöglicht wird, ohne dass eine Laktatsteigerung entsteht.
Das Laktatschwellentraining beschreibt sämtliche Formen des Ausdauertrainings, die auf dem Niveau der anaeroben Schwelle absolviert werden. Durch diese Form des Trainings kann die Dauer der jeweiligen Trainingseinheiten an der anaeroben Schwelle gesteigert werden, was im Umkehrschluss bedeutet, dass die anaerobe Schwelle inkl. der Laktatanreicherung nach oben verschoben wird.
Das Intervalltraining stellt eine weitere Form des Trainings dar, um die anaerobe Schwelle nach oben zu verlagern. Hierbei werden längere aerobe Trainingsphasen von kürzeren anaeroben Phasen durchkreuzt. Ein Beispiel hierfür wäre ein normaler Dauerlauf, bei dem kurzzeitige Sprints eingebaut werden. Darüber hinaus kann auch eine gemischte Form aus Laktatschwellentraining und dem Intervalltraining erfolgen. Hierbei werden einzelne Intervalle an der individuellen anaeroben Schwelle absolviert, die von kurzen Pausen unterbrochen werden. So kann man bspw. 4×1000 m joggen, wobei nach jedem Intervall eine dreiminütige Pause folgt.
Zusammenfassung
- Die anaerobe Schwelle, die teilweise auch als aerob-anaerobe Schwelle bezeichnet wird, bezeichnet den Punkt, ab dem der Körper unter Abwesenheit von Sauerstoff Energie bereitstellt.
- Verschiedene Methoden dienen zur Ermittlung der individuellen anaeroben Schwelle, wobei die Praxistests die aussagekräftigeren Ergebnisse hervorbringen.
- Diese sind insbesondere bei Spitzensportlern durchzuführen, da die gezielte Trainingssteuerung zwischen Sieg und Niederlage entscheiden kann.
- Durch gezieltes Training kann die anaerobe Schwelle nach oben verlagert werden, wodurch der aerobe Bereich, in dem das Training absolviert werden kann, vergrößert wird. Somit steigt auch die Grundlagenausdauer.
- Eine bessere Ausdauer sorgt weiterhin für ein gesünderes Herz-Kreislauf-System, da das Herzschlagvolumen steigt. Hierdurch sinkt die Ruheherzfrequenz, wodurch das Risiko einer späteren Herzerkrankung sinkt.
Literatur
- Marcus Lüpke (Autor), Ausdauertraining: Trainingsteuerung: Training im Bereich der aerob-anaeroben Schwelle mittels Pulsfrequenz beim Schwimmtraining, ISBN: B076Q67WHZ*
- Heiko Staller (Autor), Identifikation der geeigneten Methodik zur Bestimmung der individuellen anaeroben Schwelle beim Walking: Diplomarbeit, ISBN: 978-3656461623*
- Die anaerobe Schwelle und die Bedeutung für die Trainingssteuerung, ISBN: 978-3656045090*
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