Aerobe Schwelle: 6 Fragen und Antworten | Sport + Stoffwechsel

Die aerobe Schwelle bezeichnet einen Zustand während einer sportlichen Belastung, bei dem die Muskulatur nicht ausschließlich durch aerobe Stoffwechselprozesse mit Energie versorgt werden kann, was zu einem Anstieg des Laktat-Spiegels innerhalb der Muskeln führt.

Der wirkliche Schwellenwert ist die minimale Intensität, bei der die Muskulatur bereits anfängt, anaerobe (ohne Verwendung von Sauerstoff stattfindende) Stoffwechselprozesse einzuleiten.

Die mittlerweile geläufige Bezeichnung für diesen Schwellenwert ist das minimale Laktatäquivalent. Dieser Begriff beschreibt ebenfalls den Prozess, der zu einer minimalen Laktatausschüttung nach andauernder sportlicher Aktivität führt. Bis zu diesem Schwellenwert werden die Muskeln durch aerobe Stoffwechselprozesse mit Energie versorgt.

Was bedeutet aerobe Schwelle: Definition und Bedeutung

Oft wird die anaerobe Schwelle als Synonym zur aeroben Schwelle verwendet. Aber die aerobe Schwelle kann als erster Schwellwert bezeichnet werden, bei dem ein Anstieg von Laktat gegenüber dem Ruhewert gemessen wird. Daher kommen die Bezeichnungen: minimales Laktatäquivalent oder Basislaktat.

Was passiert an der aeroben Schwelle

Im Körper werden permanent zwei Stoffwechselsysteme aufrechtgehalten, welche entweder auf Sauerstoff basieren oder nicht.

Der erste Stoffwechselweg wird als aerob bezeichnet, bei welchem Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet wird, um Fette, Kohlenhydrate oder Proteine aufzuspalten. Dies geschieht während der Zellatmung in den Mitochondrien, den sogenannten Kraftwerken der Zellen.

Der zweite Stoffwechselweg nennt sich anaerob und findet unter Ausschluss von Sauerstoff statt. Und zwar immer dann, wenn Sauerstoff kurzzeitig nicht verfügbar ist oder der Körper schnell Energie benötigt.

Das Herz als Indikator für die sportliche Leistung wird bei beiden Stoffwechselwegen herangezogen. Denn um Leistung zu erbringen, benötigt der Körper einen Treibstoff – welcher über das Blut schnell zum Zielorgan (z.B. Muskel) oder zur Zielzelle transportiert werden muss. Wird mehr Treibstoff verbraucht, fließt das Blut schneller und der Herzschlag erhöht sich – weshalb man den Herzschlag als guten Indikator für Leistung und Intensität heranziehen kann.

Die aeroben und anaeroben Bereich im Pulsbereich zwischen 110 und 180 Herzschlägen pro Minute

In der Grafik siehst du, dass der aerobe Bereich im Pulsbereich bis 160 Herzschläge liegt. In diesem Bereich kommt es zu einer chemischen Reaktion, welche man als Verbrennung bezeichnet. Umgangssprachlich sagt man: Kalorien werden verbrannt.

Verbrannt werden allerdings Fettsäuren und Kohlenhydrate (Zucker). Dazu wird Sauerstoff benötigt. Kein Sauerstoff – keine Verbrennung.

Um Sauerstoff in die Muskeln zu transportieren, braucht es einen gutfunktionierenden Blutkreislauf und ein Herz, welches als Pumporgan fungiert. Je mehr Sauerstoff benötigt wird, desto höher der Herzschlag.

Erhöht sich die Intensität ist irgendwann die Sauerstoffkapazität der Muskulatur erschöpft und es braucht einen anderen Weg, um Energie herzustellen. Nun wechselt der Organismus vom aeroben in den anaeroben Bereich. Fortan wird Energie ausschließlich aus Kohlenhydraten gewonnen.

Eine Verbrennung der Kohlenhydrate findet ab einer gewissen Belastung allerdings nicht mehr statt. Denn es fehlt auch dafür der Sauerstoff, welcher für jeden Verbrennungsprozess die Grundlage stellt. Stattdessen werden Kohlenhydrate vergärt. Auch bei der Gärung werden die Kohlenhydrate abgebaut und Energie kann daraus geniert werden. Als Abfallprodukt entsteht allerdings Milchsäure und Laktat.

Wird dieser anaerobe Stoffwechselweg über lange Zeit verfolgt, wird immer mehr Milchsäure produziert. Die Muskeln übersäuern somit sprichwörtlich und auch faktisch, da die Milchsäure lediglich unter Sauerstoffzufuhr (aerob) wieder abgebaut werden kann – welche aber bei langanhaltenden Hochintensitäten ausbleibt.

Da die aerobe Energiegewinnung auf Fettsäuren basiert, wird bei zunehmender Intensität diese Fettschwelle überschritten und nur noch auf leichter aufspaltbare Kohlenhydrate gesetzt. Fette im höheren Intensitätsbereich zu verbrennen oder zu gären, wäre für den Körper wenig sinnvoll – da die Fettverbrennung mehr Phasen durchläuft als die Kohlenhydratverbrennung. Stattdessen greift der Körper nun auf die durchaus schnelle Energieversorgung durch Kohlenhydrate zurück, verbrennt diese zuerst noch, um in höheren Pulsbereichen auf Gärung umzustellen.

Neben Fetten und Kohlenhydraten können auch Eiweiße abgebaut werden, um Energie zu erzeugen. Aber diesen Weg wählt der Organismus wirklich nur im Notfall, bspw. in längeren Hungerphasen.

Bei der Energieerzeugung nimmt der Organismus die Fettsäuren entweder aus der Nahrung oder aus dem Depotfett. Und bei Kohlenhydraten findet der Stoffwechsel ähnlich statt – entweder aus dem Zucker der Nahrung oder dem Glykogen als Reservestoff. Zucker kann als Einfachzucker (Monosaccharide), Mehrfachzucker (Oligosaccharide) oder Vielfachzucker (Polysaccharide) vorliegen. Da die Aufspaltung der verschiedenen Zuckertypen unterschiedlich lange dauert, ist ein Energiegewinn aus Einfachzucker deutlich effizienter gegenüber Mehrfachzuckern. Typische Einfachzucker sind Glucose und Fructose (Fruchtzucker).

Anhand des Stoffwechselweges, lässt sich ein Training in drei Bereiche einteilen. Unter der Fettschwelle findet das Training im Ausdauerbereich statt. Dort wird neben der körperlichen Ausdauerleistung auch der Fettstoffwechsel trainiert. Menschen, welche primär abnehmen wollen, absolvieren sehr lange Ausdauereinheiten in diesem Bereich. Dies führt zu einem nachhaltigen Fettstoffwechsel, welcher anhaltenden Gewichtsverlust garantiert. Deshalb wird dieses Training auch als Fettstoffwechseltraining bezeichnet. Für Ausdauersportler entspricht dies dem Trainingsbereich der Grundlagenausdauer.

Anhand der aeroben und anaeroben Schwelle lässt sich die Trainingsintensität bestimmen

Welche molekularen Prozesse laufen an der aeroben Schwelle ab

Prinzipiell werden Muskelzellen bis zu dem Schwellenwert der aeroben Schwelle durch aerobe Stoffwechselprozesse mit Energie versorgt. Beispiele hierfür sind die Fettsäure-Oxidation oder der Citratzyklus. Nach Überschreiten der aeroben Schwelle ist die Gluconeogenese ein weiterer Stoffwechselprozess, der den Abbau des Lactats vorantreibt. Angetrieben und gebremst werden die verschiedenen Stoffwechselprozesse durch Enzyme.

Die Oxidation von Fettsäuren

Grundsätzlich sind Fettsäuren immer auch Moleküle, deren Reaktionsbereitschaft gering ist. Aus diesem Grund müssen die Fettsäuren, die sich im Zytosol (der innere Bereich der Zelle, der zwischen den Organellen liegt) befinden, eine Aktivierungsphase durchlaufen.

Aktivierungsphase von Fettsäuren an der aeroben Schwelle

Das Ziel der Aktivierung liegt in der Bildung des Moleküls Acyl-CoA, indem eine Fettsäure auf das Coenzym A übertragen wird. Durch diese Übertragung wird eine energiereiche Bindung ausgebildet, eine sogenannte Thioesterbindung, die die Energie für weitere Reaktionsschritte liefert. Somit ist die Startenergie geschaffen, um weitere Reaktionsschritte einleiten zu können.

Zunächst muss hierfür Adenosintriphosphat (ATP) in Pyrophosphat und Adenosinmonophosphat (AMP) gespalten werden. Das AMP dient hierbei zur Bildung von Acyl-AMP.

Während das Pyrophosphat durch das Enzym Pyrophosphatase in Phosphat gespalten wird, wird die Fettsäure mit dem Coenzym A verestert, da das AMP abgespalten wird, woraufhin Energie frei wird. Die Veresterung der Fettsäure wird durch das Enzym Fettsäure-CoA-Ligase katalysiert.

Die mitochondriale Phase

Damit der Transport in die Mitochondrien erfolgen kann, muss zunächst das Coenzym A abgespalten werden und die daraus entstandene Acylgruppe mithilfe des Enzyms Carnitin-Acyltransferase 1 auf das Molekül Carnitin transferiert werden.

Der finale Transport der Acylgruppe, die auf das Carnitin übertragen wurde, findet aktiv unter Energieverbrauch statt. An diesem Transport sind sogenannte Carnitin-Acylcarnitin-Transporter beteiligt. Sie transportieren das Acyl-Carnitin in die Mitochondrienmatrix hinein, während sie Carnitin aus dem Mitochondrium herausbefördern, das dann wieder für die Übertragung der Acylgruppe im Zytosol bereit ist.

Innerhalb des Mitochondriums wird der Acylrest mithilfe des Enzyms Carnitin-Acyltransferase 2 von dem Carnitin abgespalten und auf das Coenzym A übertragen. Die aktivierte Fettsäure wird daraufhin abgebaut. Die einzelnen Reaktionen der Beta-Oxidation (Oxidation von Fettsäuren) sind äußerst komplex und sind nicht für das Verständnis der aeroben Schwelle von Nöten.

Während den verschiedenen Reaktionen der Beta-Oxidation fällt an manchen Stellen Acetyl-CoA oder Succinyl-CoA an, das für den Citratzyklus zur Verfügung steht.

Citratzyklus

Der Citratzyklus stellt einen Stoffwechselweg dar, der sowohl beim Abbau von Fetten als auch beim Abbau von Kohlenhydraten eine essenzielle Rolle spielt. Das notwendige Ausgansprodukt für diesen Prozess ist das Acetyl-CoA, das im weiteren Verlauf zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut wird.

Die hierbei entstandenen Zwischenprodukte können entweder direkt beim Aufbau neuer Moleküle helfen, aber auch die freiwerdende Energie kann in Form von ATP gespeichert werden, um zu einem späteren Zeitpunkt genutzt zu werden. Ebenso wie die Beta-Oxidation findet auch der Citratzyklus beim Menschen in der Matrix der Mitochondrien statt.

Die Beta-Oxidation und der Citratzyklus sind Stoffwechselwege, die aerob verlaufen. Bei unzureichender Sauerstoffversorgung beginnen anaerobe Prozesse wie z.B. die Milchsäuregärung, bei der insbesondere das Salz der Milchsäure, das Lactat, gebildet wird. Dieses Lactat wird in das Blut abgegeben, woraufhin es in die Leber gelangt. Dort wird die sogenannte Gluconeogenese gestartet.

Gluconeogenese

Während der Gluconeogenese (Neubildung von Glucose) wird Glucose unter anderem aus den Molekülen Pyruvat und Oxalacetat gebildet. Diese Stoffe können entweder aus dem Aminosäureabbau hinzugezogen werden, aber auch durch die Verarbeitung des anfallenden Lactats während der Milchsäuregärung.

Im Folgenden wird die Gluconeogenese anhand des Lactats näher erläutert, da das entstehende Lactat ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der aeroben Schwelle ist.

Laktatbildung

Lactat wird zunächst mithilfe des Enzyms Lactat-Dehydrogenase und unter Übertragung eines Wasserstoffatoms auf NAD+, das zu NADH reduziert wird, zu Pyruvat. Das Pyruvat wird unter Verbrauch eines Moleküls ATP und der katalytischen Aktivität des Enzyms Pyruvat-Carboxylase zu Oxalacetat. Hierzu wird noch ein Hydrogencarbonat aufgenommen.

Im nächsten Schritt entsteht aus Oxalacetat Phosphoenolpyrvat. Dabei wird ein GTP (Guanosintriphosphat) verbraucht und ein Molekül CO2 freigesetzt. Katalysiert wird diese Reaktion vom Enzym PEPCK (Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase).

Daraufhin wird ein Molekül Wasser verbraucht und mithilfe des Enzyms Enolase wird das Phosphoenolpyruvat zu D-2-Phosphoglycerat. Das Enzym Phosphoglycerat-Mutase lagert daraufhin das Molekül so um, dass D-3-Phosphoglycerat entsteht.

Weiterhin wird ein ATP verbraucht und das Enzym Phosphoglycerat-Kinase fügt ein Phosphatrest dem D-3-Phosphoglycerat hinzu, wodurch ein Molekül D-1,3-Bisphosphoglycerat entsteht. Dieses wird über die Zwischenprodukte D-Glycerinaldehyd-3-Phosphat und Dihydroxyaceton-Phosphat zu Beta-D-Fructose-1,6-bisphosphat.

Unter Aufnahme eines Wassermoleküls und Abgabe eines Phosphatrestes katalysiert das Enzym Fructose-1,6-bisphosphatase nun die Reaktion zu Beta-D-Fructose-6-phosphat.

Mithilfe der Glucose-6-phosphat-Isomerase wird dies nun zu alpha-D-Glucose-6-phosphat umgelagert. Unter Aufnahme von einem Molekül Wasser und der Abspaltung eines Phosphatrests katalysiert das Enzym Glucose-6-Phosphatase die Reaktion zu alpha-D-Glucose – dem Endprodukt der Gluconeogenese.

Wo sind die Grenzbereiche der aeroben Schwelle

Prinzipiell ist der abgrenzende Bereich der aeroben Schwelle ein sehr individueller Wert und hängt insbesondere vom allgemeinen Trainingszustand des jeweiligen Menschen ab.

Als grobe Richtwerte kann man die individuelle anaerobe Schwelle, den Lactatspiegel im Blut und die Herzfrequenz heranziehen. Wenn etwa 70-80% der individuellen anaeroben Schwelle erreicht sind, oder der Blutlactatspiegel etwa 2mmol/l beträgt, wird die aerobe Schwelle überschritten.

Allgemein werden diese Werte ab einer Herzfrequenz von ca. 160 Schlägen pro Minute erreicht. Dies sind jedoch nur grobe Richtwerte, die nicht auf jeden Menschen pauschal anwendbar sind. Zur genauen Bestimmung der aeroben Schwelle gibt es mehrere Möglichkeiten.

Wie lässt sich die aeroben Schwelle bestimmen bzw. messen

Um die aerobe Schwelle bestimmen zu können bieten sich in der Praxis zwei gängige Methoden an – der Bluttest und der Atemtest. Beim Bluttest wird die Intensität des Trainings kontinuierlich gesteigert, während bei jeder Intensitätssteigerung kleine Mengen Blut über den Finger oder das Ohrläppchen entnommen werden.

Die Veränderung des Lactatspiegels im Blut gibt Ausschluss darüber, ab welcher Intensität die aerobe und anaerobe Schwelle überschritten werden. Diese beiden Schwellenwerte werden auch als LT1 und LT2 bezeichnet.

Beim Atemtest hingegen wird ebenfalls ein Training unter steigenden Intensitäten durchgeführt, während eine Atemmaske getragen wird. Dies kann entweder auf dem Laufband oder dem Ergometer geschehen. Die Atemmaske enthält Sensoren, die die Sauerstoffaufnahme und den Kohlenstoffdioxid-Gehalt der ausgeatmeten Luft messen.

Während der Blutlactatspiegel steigt, erhöht sich automatisch der CO2-Gehalt der Atemluft und die Atemfrequenz. Aufgrund dieser Tatsache lässt sich anhand der sensorisch ermittelten Daten berechnen, ab welcher Trainingsintensität die aerobe Schwelle überschritten wird. Hierbei wird die aerobe Schwelle auch als VT1 und die anaerobe Schwelle als VT2 bezeichnet.

Welchen Nutzen hat das Training im Bereich der aeroben Schwelle

Verbleibt man während des Trainings unterhalb der aerob-anaeroben Schwelle, so wird zu wenig Lactat gebildet, um einen Trainingseffekt zu erzielen. Trainiert man jedoch genau der aerob-anaeroben Schwelle, sozusagen im „steady-state“ zwischen Lactat-Bildung und Lactat-Abbau, kann ein Trainingsfortschritt erfolgen. Somit kann die Schwelle des Übertretens zur anaeroben Schwelle nach oben verschoben werden, was zu einer verbesserten Ausdauer führt.

Trainiert man oberhalb der aerob-anaeroben Schwelle bzw. oberhalb der anaeroben Schwelle, führt dies zu einer schnellen Muskelermüdung, weshalb die optimale Trainingsintensität nicht aufrechterhalten werden kann.

Zusammenfassung

Die aerob-anaerobe Schwelle beschreibt den Bereich der Belastungsintensität während des Trainings, bei dem die Sauerstoffaufnahme und der Sauerstoffverbrauch gerade noch im Gleichgewicht gehalten werden können. Somit bleibt auch die Lactatbildung mit dem Lactatabbau im Gleichgewicht.

Um in diesem Bereich trainieren zu können, sollte als Anhaltspunkt der Puls nicht über 80% der maximalen Herzfrequenz steigen. Die grundlegenden Stoffwechselprozesse, die im aeroben Bereich die Muskulatur mit Energie versorgen, sind die Beta-Oxidation von Fettsäuren und der Citratzyklus (als Bestandteil der Zellatmung). Der Abbau des entstehenden Lactats erfolgt hingegen mittels Gluconeogenese.

Da die aerob-anaerobe Schwelle ein sehr individueller Wert ist, empfiehlt es sich, diese mithilfe eines sportmedizinischen Lactattests zu ermitteln, um das Training optimal gestalten zu können.

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