Physiologie

Mehr Kraft und Ausdauer: So überlisten Sie Ihre Gene

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Über Hunderttausende von Jahren entwickelten Menschen entweder möglichst große Kraft oder Ausdauer – aber nie beides. Wie Keith Baar berichtet, geben neueste Untersuchungen Hinweise darauf, wie man evolutionsbedingten Hindernisse überwinden und sowohl Kraft als auch Ausdauer entwickeln kann.

Es ist Tradition, dass der Titel „Weltbester Sportler“  an den Gewinner des Zehnkampfs geht. Der Sieger im Zehnkampf weist nämlich die ultimative Kombination von Kraft und Ausdauer auf. Dem zum Trotz gibt es viele, die behaupten, diese Sportler wären niemals imstande, einen Topathleten in einer der 10 Einzelsportarten des Zehnkampfs zu schlagen. Von daher hätten Zehnkämpfer den Titel „Weltbester Sportler“ nicht verdient. Was Zehnkämpfer jedoch zu Ausnahmesportlern macht, ist die Tatsache, dass sie sowohl die Kraft- als auch die Ausdauerdisziplinen beherrschen.

Kraft- und Ausdauerentwicklung sind eigentlich Vorgänge, die in unserem Körper völlig entgegengesetzt ablaufen. Um beide beherrschen zu können, müssen wir daher die Grenzen überwinden, die uns über Hunderttausende von Jahren genetisch mitgegeben wurden.

Aber nicht nur Zehnkämpfer benötigen beides. In allen Sportarten, die motorische Ausdauer erfordern, z. B. Radfahren, Schwimmen und Rudern, und auch in vielen Spielsportarten, wie Fußball, Basketball und Eishockey, sind sowohl Kraft als auch Ausdauer notwendig. Daher ist es ganz entscheidend für den Erfolg, sowohl den einen, als auch den anderen Aspekt zu optimieren.

Lange Zeit haben hauptsächlich die Trainer Strategien zur Maximierung der Leistung entwickelt. Jetzt gibt es allerdings erstaunliche Fortschritte im Bereich der molekularen Sportphysiologie. Die Grundlagenforschung beschäftigt sich zunehmend damit, wie Kraftund Ausdauer am besten nebeneinander trainiert werden können.

 

Die Prozesse beim von Kraft- und Ausdauertraining

Das Krafttraining wird in kurzen Einheiten nahe der Maximalkraft ausgeführt und dient der Steigerung der Muskelkraft. Die erhöht die Proteinsynthese, fördert das Remodelling der Muskulatur und erhöht die Muskelmasse (Hypertrophie). Die Muskelkraft wird von verschiedenen Faktoren bestimmt. Hierzu gehört die Länge der Extremitäten, der Winkel zwischen den einzelnen Muskelfasern (Federungswinkel), die Kollagenfestigkeit in Muskeln und Sehnen sowie die Anzahl der parallel angeordneten Stränge von Muskelprotein (Muskelquerschnitt).

Das Ausdauertraining wird über einen längeren Zeitraum mit submaximalen Kraftaufwand ausgeführt. Deshalb wird unsere Leistung weitgehend dadurch bestimmt, inwieweit den Muskeln Sauerstoff zur Verfügung steht, um Energie in Form von ATP zu produzieren. Wenn wir trainieren, verbessern wir die aerobe Produktion von ATP (d. h. mit Sauerstoff), indem wir die Anzahl der Fett- und Zuckertransporter sowie die Stoffwechselenzyme und Mitochondrienproteine erhöhen.

Diese 2 Enzyme sollten Sie kennen

Bevor wir uns mit dem gleichzeitigen Kraft- und Ausdauertraining befassen, sollten wir uns zunächst mit den Grundlagen beschäftigen und verstehen, wie unsere Muskeln überhaupt Kraft und Ausdauer aufbauen. Dazu müssen wir 2 Enzyme betrachten, die eine wichtige Rolle bei dem Trainingseffekt auf die Muskeln spielen. Das erste Enzym ist die „AMP-aktivierte Proteinkinase“ (AMPK), das zweite das so genannte „Mammalian target of rapamycin complex 1“ (mTORC1).


AMPK und Ausdauer

Wie der Name schon sagt, wird die AMPK durch das Adenosinmonophosphat (AMP) aktiviert. AMP ist ein Molekül, das in den Muskeln gebildet wird, wenn große Mengen Adenintriphosphat (ATP) zur Energieversorgung während des Trainings benötigt werden. ATP besteht im Wesentlichen aus ADP, anorganischem Phosphat und Energie. Genau diese Energie nutzt der Körper zur Energieversorgung. Um schnell neues ATP herstellen zu können, können 2 ADP Moleküle von dem Enzym Myokinase miteinander verbunden werden. Es entsteht ein neues ATP und zusätzlich ein Molekül AMP. Dieses AMP schalten die AMPK während des Trainings ein.

Bei sportlicher Belastung erhöht dieses Enzym die Geschwindigkeit der Zuckeraufnahme und der Fettverbrennung, so dass wir verstärkt aerobe Energie gewinnen können. Die AMPK hat zudem wichtige Funktionen in der Muskulatur. Neben der kurzfristigen Beschleunigung des Stoffwechsels spielt sie nämlich eine Rolle bei der Steuerung einer Reihe von Genen, die den Muskeln mehr Ausdauer verleihen.

In Versuchen mit Medikamenten und verschiedenen Muskelmodellen hat sich in der molekularen Sportphysiologie gezeigt, dass eine wiederholte Aktivierung der AMPK in den Muskeln vielfach zu Adaptionen führt, wie sie auch nach dem Ausdauertraining auftreten. Hierzu gehörten der verbesserte Transport von Fett und Zucker in den Muskel und die Erhöhung der Mitochondrien-Dichte. Dies bewirkt eine längere Ausdauer. Aufgrund dieser Ergebnisse wird jetzt weithin angenommen, dass die Aktivierung der AMPK im Muskel eines der Hauptziele des Ausdauertrainings sei.

AMPK im Sporttraining

Eine gut konzipierte Studie von Shin Terada zeigte, dass lange Trainingseinheiten zwar die AMPK-Aktivität erhöhen, aber kurze hochintensive Sprints einen größeren Effekt auf die AMPK haben (siehe Abb. 1). Dies macht deutlich, dass, zumindest was die Muskeln anbelangt, wiederholte hochintensive Sprintübungen die beste Trainingsart zur Verbesserung der Ausdauer sind.

Das bedeutet allerdings nicht, dass für eine optimale Verbesserung der Ganzkörper-Ausdauerleistung wiederholte Sprintübungen alleine ausreichen. Bei einer ganzen Reihe von Geweben, wie z. B. dem Herz oder dem Kreislaufsystem, ist ebenfalls eine Anpassung erforderlich, damit das Ausdauertraining zu einer Leistungsverbesserung führt. Für die Muskeln gilt indes Folgendes: Je höher die Intensität ist, desto größer ist die AMPK-Aktivität und desto besser die anschließende Ausdaueranpassung.

Abbildung 1



mTORC1 und Kraft

mTORC1 wird – anders als die AMPK – nicht durch das Ausdauertraining aktiviert. Dieses Enzym wird nach einem Widerstandstraining eingeschaltet. Seine Aktivität ist daher der bislang beste Marker für Muskelwachstum und Kraftsteigerung. Jeder Versuch mit Säugetieren, von Mäusen bis zu Menschen, zeigt, dass die mTORC1 Aktivität nach einer einzelnen Trainingseinheit der beste Indikator für Muskelhypertrophie und Kraftanstieg ist (siehe Abb. 2). Die Aktivität von mTORC1 korreliert nicht nur mit dem Kraftgewinn. Wird dieses Enzym durch das Medikament Rapamycin blockiert, bewirkt der normale Wachstumsstimulus kein Muskelwachstum.

Das mTORC1 ist also für Muskelwachstum und Kraftgewinn notwendig. Dies funktioniert folgendermaßen: Damit unsere Muskeln größer und kräftiger werden, müssen wir mehr Protein im Muskel bilden. Das Enzym mTORC1 beeinflusst die Steuerung der Proteinsynthese. Nach dem Krafttraining sind die mTORC1-Aktivität und somit auch die Proteinsynthese, die für Wachstum und Kräftigung der Muskeln sorgt, erhöht. Diese Ergebnisse zeigen, dass Krafttrainer, die bei ihren Sportlern eine Kräftigung der Muskeln erreichen wollen, eine maximale mTORC1-Aktivierung anstreben sollten.

Abbildung 2

Aminosäuren und Kraft

Viele Krafttrainer und Kraftsportler unterstützen diese Aktivierung, ohne es zu wissen, indem sie Aminosäuren zuführen. Genau wie Kraftübungen, so bewirken auch Aminosäuren, insbesondere verzweigtkettige Aminosäuren wie Leucin, eine mTORC1-Aktivierung und somit eine Verbesserung der Kraft. Das bedeutet, dass die Kombination von Aminosäuren-Supplementierung und Krafttraining zu einer größeren mTORC1-Aktivierung und folglich auch zu mehr Kraftgewinnen führt.

Aber wenn Aminosäuren Muskelgröße und Muskelkraft steigern können, warum nehmen wir dann nicht einfach Nahrungsergänzungsmittel zu uns und sorgen damit für einen permanent hohen Aminosäurenspiegel? Das funktioniert nicht, weil mTORC1 einen Bremsmechanismus besitzt. Wenn zu lange zu hohe Aminosäure-Konzentrationen im Blut sind, werden die mTORC1-Aktivität und Proteinsynthese abgeschaltet. Entscheidend ist daher die zeitliche Steuerung der Aminosäuren und nicht die Gesamtmenge.

Die Aktivierung von mTORC1 kann auch über Wachstumsfaktoren wie Insulin und das insulinähnliche IGF-1 erfolgen. Beide sind in der Lage, mTORC1 sowohl direkt als auch indirekt über eine erhöhte Aufnahme von Aminosäuren zu aktivieren. Aus diesem Grund hat das IOC (International Olympische Komitee) Insulin und IGF-1 als leistungssteigernde Medikamente eingestuft. Der Insulinspiegel kann jedoch über die Nahrung ganz legal erhöht werden. Dazu isst der Sportler zusätzlich zu seinem Aminosäuren-Nahrungsergänzungsmittel einige Kohlenhydrate. Die Kombination dieses Nahrungsergänzungsmittels mit Krafttraining kann die mTORC1-Aktivierung erhöhen und folglich zu einem Kraftgewinn führen.

Der „konkurrierende Trainingseffekt“

Viele Sportler und auch Trainer sind der Meinung, dass die Leistungssteigerung bei einem konkurrierenden Kraft- und Ausdauertraining langsamer erfolgt, als wenn beide separat trainiert werden. Dieses Phänomen wird „konkurrierender Trainingseffekt“ genannt (siehe Abb. 3). Hier trägt jetzt die molekulare Sportphysiologie zu mehr Trainingseffizienz bei.

Abbildung 3

Wie oben beschrieben, führt die AMPK zu mehr Ausdauer und mTORC1 zu mehr Kraft. Wenn sich jetzt aber 2 verschiedene Enzyme entwickelt haben, die in 2 ganz unterschiedlichen Fitnessbereichen eine Leistungssteigerung bewirken, warum ist es dann so schwierig, in beiden Bereichen gleichzeitig eine Verbesserung zu erzielen? Das hängt damit zusammen, dass die AMPK die Aktivierung von mTORC1 blockieren kann. Dies heißt, dass es – genetisch gesehen – nicht möglich ist, die Ausdauerleistung zu steigern und gleichzeitig Kraft aufzubauen. Viele Trainer und Sportler werden das wenig überraschend finden: Sie haben selbst bereits die Erfahrung gemacht, dass das Ausdauertraining einen Kraftzuwachs verhindert.

Diese genetische Interaktion hat ihre Ursache in der Evolution. Früher waren die Menschen gezwungen, bei der Nahrungssuche längere Strecken zurückzulegen. Auf diesen langen Touren fanden sie die lebensnotwendige Nahrung, gleichzeitig verringerte sich die Muskelmasse und folglich auch die Menge an Energie, die sie zu sich nehmen mussten. Heute ist die Nahrungsbeschaffung kein Problem mehr. Trotzdem kämpfen wir immer noch gegen diesen Aspekt unserer Evolutionsgeschichte.

So arbeiten AMPK und mTORC1

Um diesen genetischen Nachteil kompensieren zu können, ist es wichtig zu wissen, wie die Enzyme arbeiten. Die AMPK wird bei körperlicher Belastung eingeschaltet, aber schnell wieder ausgeschaltet, wenn wir neue Energie tanken. Die AMPK merkt nämlich, wie viel Glykogen im Muskel gespeichert ist und erkennt den Stoffwechselzustand des Muskels. Sobald beides sich normalisiert, schaltet die AMPK ab.

Das mTORC1 hingegen wird nicht bei Belastung eingeschaltet, sondern während der Erholungsphase nach dem Krafttraining. Die maximale Aktivierung dieses Enzyms erfolgt 30 Minuten bis 7 Stunden nach einer Krafttrainingseinheit und kann über einen Zeitraum von 24 Stunden erhalten bleiben.(4) Die Korrelation zwischen mTORC1 und Kraftgewinn ereignet sich sowohl 30 Minuten als auch 6 Stunden nach dem Training. Für eine optimale Erhöhung der Muskelkraft sollte die Aktivität von mTORC1 über eine möglichst lange Zeit erhalten werden.

Diese Grundregeln sollten Sie kennen

Die wesentlichen Aspekte eines Programms zur Steigerung von sowohl Kraft als auch Ausdauer sind die zeitliche Steuerung des Trainings und die Ernährung. Die Grundregeln lauten:

1. Machen Sie zuerst ein Ausdauertraining und dann ein Krafttraining

2. Steigern Sie die Intensität beim Ausdauertraining

3. Essen Sie das Richtige

4. Planen Sie kurze Krafttrainingseinheiten

5. Machen Sie negative Wiederholungen


1. Zuerst Ausdauertraining – dann Krafttraining

Die AMPK wird nach der Belastung ziemlich schnell abgeschaltet. Um eine maximale Wirkung zu erzielen, muss die mTORC1-Aktivität möglichst lange erhalten bleiben. Das mTORC1 wird jedoch von der AMPK ausgeschaltet. Wird das Ausdauertraining frühmorgens zuerst gemacht und sind die Glykogenspeicher wieder aufgefüllt, führt dies im späteren Verlauf des Tages – nämlich dann, wenn die Kraftübungen absolviert werden – zu einer geringeren AMPK-Aktivität, sodass es keine Interferenz mit mTORC1 gibt. Bei einem Krafttraining am späten Nachmittag (17–18 Uhr) ist der mTORC1-Wert für den restlichen Abend und auch während der Schlafphase hoch. Der mTORC1-Wert bleibt mindestens 12 Stunden lang gesteigert und fördert Muskel- und Kraftzuwachs, bevor in der nächsten Ausdauer-Trainingseinheit die AMPK wieder aktiviert und das Kraftsignal abgeschaltet wird.


2. Mehr Intensität beim Ausdauertraining

Die AMPK wird durch jegliche Form des Trainings aktiviert. Sie reagiert zudem auf metabolischen Stress. Mit steigender Intensität nehmen der metabolische Stress und somit die AMPK-Aktivität zu. Eine hohe Intensität erreichen Sie am besten, indem Sie nach einem langen Ausdauertraining einige hochintensive Intervalle anschließen. Die langen langsamen Übungen bauen das Muskelglykogen ab. Dadurch bewirkt das hochintensive Training einen noch größeren metabolischen Stress, als in einem frischen Zustand, weil die AMPK den Glykogengehalt im Muskel erkennt. Wenn also die Glykogenspeicher im Muskel vor einem hochintensiven Training geleert werden, so ist dies optimal für die Aktivierung der AMPK und die Verbesserung der Muskelausdauer.


3. Das Richtige essen

Die Ernährung ist der Aspekt, der beim Training am wenigsten Beachtung findet. Bei einem kombinierten Ausdauer- und Krafttraining ist die Ernährung jedoch von großer Bedeutung. Wenn Sie eine Stunde nach dem Ausdauertraining eine kohlenhydratreiche Mahlzeit oder einen kohlehydratreichen Snack zu sich nehmen, wird die AMPK abgeschaltet, und die Muskelglykogen-Speicher werden aufgefüllt. Verzehren Sie vor dem Krafttraining ein Getränk oder einen Snack mit 6–8 g Protein, dann führen Sie der arbeitenden Muskulatur Aminosäuren zu. Da die Durchblutung in diesen Muskeln erhöht ist, gelangen dorthin mehr Aminosäuren als in die nicht arbeitenden Muskeln. Zusammen mit dem durch das Krafttraining aktivierten mTORC1, führt dies zu maximalem Kraftzuwachs. Eine weitere protein- oder kohlenhydratreiche Mahlzeit unmittelbar nach Beendigung des Trainings (~ 1 Stunde) erhöht den Insulinwert und die Menge an Aminosäuren in den Muskeln. Dies wirkt sich ebenfalls positiv auf den Trainingseffekt aus.


4. Kurze Krafttrainingseinheiten

Die Kraftübungen sollten höchstens 60 Sekunden dauern. 6–8 richtig ausgeführte Wiederholungen sind optimal. Denn bei Übungseinheiten von weniger als 60 Sekunden kann die Energie aus den Muskelspeichern bereitgestellt werden: Gespeichertes ATP, Phosphokreatin und Glukose können die gesamte Energie liefern, die für intensive Belastungen in diesem kurzen Zeitraum benötigt wird. Dies hält den metabolischen Stress während des Trainings auf einem niedrigen Level und minimiert die AMPK-Aktivität. Wenn Sie doppelt so lange pausieren, wie Sie trainieren (d. h. eine Pause von etwa 2 Minuten zwischen den Sätzen) und den Speichern genug Zeit zum Regenerieren lassen, sorgen Sie ebenfalls für weniger metabolischen Stress.


5. Negative Wiederholungen

Bei negativen Wiederholungen (langsam ausgeführten verlängernden Kontraktionen) wird der Muskel bei minimalem Energieaufwand maximal belastet. Wenn die Muskeln sich bei Belastung verlängern, sind sie rund 1,8-mal stärker als bei der Kontraktion. Noch wesentlicher ist, dass die Muskeln bei verlängernden Kontraktionen viel weniger ATP verbrauchen als bei verkürzenden. Das Absenken eines Gewichts erfordert also weniger ATP als das Heben. Darüber hinaus können wir bei verlängernden Kontraktionen auch schwerer heben. Im Endeffekt bedeutet dies, dass mehr Gewicht und weniger ATP verbraucht wird. Dies führt zu einer größeren mTORC1-Aktivität und stärkeren Muskeln.

Zusammenfassung

Bei den meisten modernen Sport- und Spielsportarten wird viel Wert auf die Entwicklung sowohl von Kraft als auch von Ausdauer gelegt. Seit fast 30 Jahren ist bekannt, dass es wesentlich effizienter ist, beides getrennt zu trainieren. Die molekulare Sportphysiologie beginnt heute zu verstehen, warum das so ist. Sie versucht, mithilfe der richtigen Ernährung und angemessener Trainingsintensität, Trainingsprogramme zu erstellen, durch die Kraft und Ausdauer gleichzeitig verbessert werden. Doch auch wenn wir die hier vorgestellten Regeln befolgen, sind uns genetisch Grenzen gesetzt. Ein kombiniertes Kraft- und Ausdauertraining kann nicht so effektiv sein, wie ein eigenes Training entweder für Kraft oder für Ausdauer. Daher werden diejenigen, die sich mit konkurrierendem Training befassen, auch weiterhin die großen Zehnkämpfer bestaunen und ihnen voller Respekt den Titel „Weltbeste Sportler“ geben.

Keith Baar ist Leiter des Labors für funktionelle Molekularbiologie der University of Dundee/ UK. Er forscht speziell nach Genen, die die Muskel- und Sehnenfunktionen verändern.

Quellenangaben

1. Acta Physiology Scandinavia, 2005, Bd. 184, S. 59–65

2. European Journal of Applied Physiology, 2008, Bd. 102, S. 145–52

3. European Journal of Applied Physiology and Occupational Physiology, 1980, Bd. 45, S. 255–263

4. American Journal of Physiology, 1999, Bd. 276, S. 120–127

Fachsprache:

Enzyme – große Proteinmoleküle, die im menschlichen Körper synthetisiert werden und biochemische Reaktionen in Gang bringen, die ansonsten gar nicht oder zu langsam ablaufen würden

ATP – Adenosintriphosphat, ein wichtiges Molekül, das dem Körper als „universelle Energiequelle“ dient

Kollagen – der Hauptbestandteil der Sehnen und der extrazellularen Matrix des Muskels

Mitochondium – kleine Zellstrukturen, die für die Zelle Energie produzieren

Aminosäuren – die Bausteine der Proteine

Phosphokreatin – ein energiereiches Molekül, das sehr schnell ATP in den Muskeln regenerieren kann

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