Physiologische Effekte intermittierender und kontinuierlicher Ausdauerbelastungen

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung
1.1 Problemdarstellung
1.2 Allgemeine Formulierung der Fragestellung
1.3 Aufbau der Arbeit, Vorgehensweise im Überblick

2 Theoretische Grundlagen
2.1 Ausdauer / Ausdauertraining
2.1.1 Akute physiologische Reaktionen auf Herz-Kreislauf-System u. Atmung
2.1.2 Akute physiologische Reaktionen auf Metabolismus u. Atmung
2.2 Trainingsintensität
2.3 Ausdauertrainingsmethoden
2.3.1 Dauermethoden
2.3.2 Intervalltrainingsmethoden
2.4 Anstrengungsempfinden / Borg-Skala
2.5 Stand der Forschung

3 Zielsetzung und Fragestellung
3.1 Untersuchungsziele
3.2 Hypothesen
3.2.1 Belastungsempfinden / RPE
3.2.2 Blutdruck / MAD
3.2.3 Laktat
3.2.4 Sauerstoffaufnahme
3.2.5 Herzfrequenz
3.2.6. Respiratorischer Quotient

4 Methodik
4.1 Versuchspersonen
4.2 Ein- und Ausschlusskriterien
4.2.1 Einschlusskriterien
4.2.2 Ausschlusskriterien
4.3 Methoden
4.3.1 Untersuchungsdesign / Untersuchungsplan
4.3.2 Kontinuierliches und intermittierendes Training
4.4 Messinstrumente
4.4.1 Fahrradergometer (Stufentest und CT/IT)
4.4.2 Spirometer
4.4.3 Herzfrequenz
4.4.4 Blutdruck
4.4.5 Laktat
4.4.6 RPE Borg-Skala
4.5 Untersuchungsablauf – Datenerhebun g
4.5.1 Stufentest
4.5.2 Intervention I&II
4.6 Statistische Datenverarbeitung

5 Ergebnisse
5.1 Deskriptive Darstellung der Ergebnisse
5.2 Ergebnisse Belastungsempfinden (RPE)
5.3 MAD
5.4 Laktat (La)
5.5 Sauerstoffaufnahme (V’O2)
5.6 Herzfrequenz (Hf)
5.7 Respiratorischer Quotient (RQ)

6 Diskussion
6.1 Methodenkritik
6.2 Physiologische Reaktion auf CT & IT
6.3 Konsequenzen für die Sportpraxis

7 Zusammenfassung
7.1 Kurze Darstellung der Vorgehensweise & Ergebnisse
7.2 Ausblick

8 Literatur

9 Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Schematische Darstellung des aerob-anaeroben Übergangs (grauer Bereich). Laktat-Leistungskurve (oben) und Ventilation (unten) bei ansteigender Belastungsintensität. AeS: aerobe Schwelle; IAS: individuelle anaerobe Schwelle; VT1: ventilatorische Schwelle 1; VT2: ventilatorische Schwelle 2 (respiratorischer Kompensationspunkt), (aus: Kindermann, 2004, S.161).

Abb. 2: Untersuchungsverlauf, 1. Woche: Eingangsuntersuchung mit Stufentest bis zur Ausbelastung, anschließend randomisierte Aufteilung der Vpn in zwei Gruppen und randomisierte Aufteilung der Gruppen auf das zuerst durchgeführte Trainingsprogramm; Woche 2: Gruppe 1 IT / Gruppe 2 CT; Woche 3: Gruppe 1 CT / Gruppe 2 IT.

Abb. 3: Stufentest auf dem Lode Fahrradergometer. Der Proband trägt den mobilen Spirometer, der mit einem Gurtsystem auf dem Rücken befestigt ist. Sämtliche Parameter werden vom angeschlossenen PC überwacht und in Intervallen von 5 Sekunden aufgezeichnet.

Abb. 4: IT/CT-Intervention auf dem Bosch-Fahrradergometer. Der Proband trägt den mobilen Spirometer auf dem Rücken. Auf dem rechten Bein klebt eine NIRS-Sonde. Die Herzfrequenz kann sowohl mit der Pulsuhr des Probanden, als auch am Computermonitor überwacht werden.

Abb. 5: Berechnung der unteren und oberen Herzfrequenzgrenze für das intermittierende Training

Abb. 6: Spirometrische Daten einer Vpn bei CT. Rosa = Hf [1/min], blau = V’O2 [ml/min], rot = V’CO2 [ml/min], schwarz = V’E [l/min]

Abb. 7: Spirometrische Daten einer Vpn bei IT. Rosa = Hf [1/min], blau = V’O2 [ml/min], rot = V’CO2 [ml/min], schwarz = V’E [l/min]

Abb. 8: Leistung in Watt. Bei CT in 10., 20., u. 30. min gemessen. Bei IT während der Belastungsphase um die 10., 20. und 30. min gemessen. Jeder Belastungsphase bei IT folgt eine aktive Pause von 25 Watt

Abb. 9: V’O2 [ml/min/kg] in Belastungsphase und aktiver Pause bei IT um die 10., 20. und 30. min gemessen..

Abb. 10: Boxplot des Belastungsempfindens. Gelb CT, blau IT. RPE Werte der 10., 20. und 30 Belastungsminute, sowie nach 5 min Cool Down.

Abb. 11: Das Belastungsempfinden (RPE) bei CT und IT. Die Unterschiede hinsichtlich des Belastungsempfindens zwischen den Trainingsmethoden sind nicht signifikant.

Abb. 12: Boxplot MAD. Gelb = CT, blau = IT. MAD vor der Belastung, in der 10., 20. und 30. Belastungsminute, nach 5 min Cool Down und nach der 2. Ruhemessung.

Abb. 13: Der mittlere arterielle Druck (MAD) bei CT und IT. Es besteht kein signifikanter Unterschied zwischen den Trainingsmethoden.

Abb. 14: Boxplot Laktat. Gelb = CT, blau = IT. Laktat vor der Belastung, in der 10., 20. und 30. Belastungsminute und nach 5 min Cool Down.

Abb. 15: Laktat bei CT und IT. Die Laktatwerte in der 20. und 30. min sind bei der IT-Methode signifikant höher.

Abb. 16: Boxplot V’O2. Gelb = CT, blau = IT. V’O2 vor der Belastung, in der 10., 20. und 30. Belastungsminute und nach 5 Min Cool Down.

Abb. 17: Sauerstoffaufnahme (V’O2) bei CT und IT. Die V’O2 ist beim IT in der 10., 20., 30. min sowie in der 5. min des Cool Downs signifikant niedriger als beim CT.

Abb. 18: Boxplot der Herzfrequenz. Gelb = CT, blau = IT. Hf vor der Trainingsintervention, nach 5 min Cool Down und nach der 2. Ruhemessung.

Abb. 19: Herzfrequenz (Hf) bei CT und IT. Es gibt keine signifikanten Unterschiede der Hf nach Beendigung der Trainingsprogramme.

Abb. 20: Boxplot RQ. Gelb = CT, blau = IT. RQ vor Belastung, in der 10., 20. und 30. Belastungsminute und nach 5 min Cool Down. Bei IT ist der RQ des Gesamtzyklus (Belastungs- und aktive Ruhephase) dargestellt.

Abb. 21: Der respiratorische Quotient (RQ) bei CT und IT. Der RQ in der 20. min des IT liegt signifikant höher als beim CT.

Abb. 22: Entstehung von „excess CO2“. (aus: Meyer, 2003, S. 29)

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Beziehung zwischen Hf, % Hf-res und % Hf-max (aus Janssen, 2003, S. 54)

Tab. 2: Die Beziehung zwischen Hfmax (in %) und V’O2max (aus Janssen, 2003, S.58)

Tab. 3: Borg-Skala des Anstrengungsempfindens. Copyright: ©1998 by Gunnar Borg

Tab. 4: Einige CT / IT Studien im Überblick

Tab. 5: Probanden mit anthropometrischen, leistungsphysiologischen Daten und körperlicher Aktivität pro Woche in Std.

Tab. 6: Kontraindikationen zur Belastungsuntersuchungen (nach DGK, 2000, S. 825)

Tab. 7: Schematischer Ablauf der Eingangsuntersuchung (Woche 1)

Tab. 8: Schematischer Ablauf der Trainingsintervention I (Woche 2)

Tab. 9: Schematischer Ablauf der Trainingsintervention II (Woche 3)

Tab. 10: Das Belastungsempfinden (RPE) bei CT und IT, mit Mittelwert ± Standardabweichung, Minimum, Maximum und Signifikanz.

Tab. 11: Der mittlere arterielle Druck (MAD) bei CT und IT, mit Mittelwert ± Standardabweichung, Minimum, Maximum und Signifikanz

Tab. 12: Laktat bei CT und IT, mit Mittelwert ± Standardabweichung, Minimum, Maximum und Signifikanz.

Tab. 13: Sauerstoffaufnahme (V’O2) bei CT und IT, mit Mittelwert ± Standardabweichung, Minimum, Maximum und Signikanz.

Tab. 14: Herzfrequenz (Hf) bei CT und IT, mit Mittelwert ± Standardabweichung, Minimum, Maximum und Signifikanz.

Tab. 15: Der respiratorische Quotient (RQ) bei CT und IT, mit Mittelwert ± Standardabweichung, Minimum, Maximum und Signifikanz.

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einführung

1.1 Problemdarstellung

“…,it is essential that those who have responsibility for prescribing exercise have access to the knowledge on the most effective mode of exercise prescription” (Morris, N., 2003, S. 621).

Das Syndrom-X ist weiter auf dem Vormarsch (vgl. Worm, 2002, S. 14). Ob Diabetes, Adipositas oder Hypertriglyzeridämie, noch nie gab es so viele Krankheitsbilder, deren Ursachen zu einem großen Teil im Bewegungsmangel und den Ernährungsgewohnheiten unserer heutigen Gesellschaft zu suchen sind. Da die meisten dieser Krankheiten nicht alleine auftreten, sondern oft mit Hypertonie, Insulinresistenz und erhöhtem Blutzucker einhergehen, wird die Summe dieser Stoffwechsel-störungen meist als metabolisches Syndrom oder Syndrom X bezeichnet (vgl. Behrmann, 2001, S. 23). Eines der wirksamsten Medikamente gegen das Syndrom X heißt „Sport & Bewegung“. Zwar gibt es einen großen Teil in der Bevölkerung, der Spaß an Sport und Bewegung hat, der Anteil derjenigen, die kaum nennenswerte körperliche Aktivität haben, nimmt allerdings stetig zu. Sowohl in aktuellen Berufsfeldern als auch im schulischen Bereich ist dieser Trend zu erkennen. Schuler weist darauf hin, dass immer mehr Menschen nur noch als Zuschauer an organisierten Sportveranstaltungen teilnehmen (vgl. Schuler, 2004, S. 9).

Gerade für die Gruppe der „Sport- und Bewegungsabstinenten“ ist es von großer Bedeutung Bewegungs- und Trainingsprogramme zu entwickeln, die bei möglichst geringem Aufwand so effektiv (hinsichtlich gesundheitlich gewünschter Adaptationen) und motivierend wie möglich sind. Zudem sollten sich die Trainingsprogramme durch eine gute Belastungs-verträglichkeit auszeichnen.

Hierbei kommt dem Ausdauertraining eine zentrale Bedeutung zu. Die positiven Effekte eines Ausdauertrainings auf den Stoffwechsel und das Herzkreislaufsystem sind vielfach belegt. Neben einigen Trendsportarten wie Inlineskating oder Nordic Walking, sind vor allem die klassischen Ausdauersportarten Laufen, Schwimmen und Rad fahren zu empfehlen.

Bislang werden von Sportmedizinern, Gesundheitsmagazinen und Medien meist nur Rahmenbedingungen vorgegeben, die den Umfang des Trainings betreffen. Z.B.: „Trainieren Sie 3 mal pro Woche mindestens 45 min bei einer Herzfrequenz von 130“. Das es neben der Dauermethode noch andere Ausdauertrainingsformen gibt, wie die Wiederholungs-methode, Intervalltraining und weitere intermittierender Belastungen, wird hierbei oft nicht beachtet und scheint teilweise sogar in Vergessenheit geraten zu sein.

Van Aaken (1993, S.48) beschreibt, dass bereits der Franzose Jean Bouin 1913 mit Hilfe eines intermittierenden Trainings den Stundenweltrekord im Laufen auf 19021 m verbesserte. Es waren vor allem die Leichtathleten, die in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts mit intermittierenden Trainingsformen experimentierten. Erste wissenschaftliche Abhandlungen findet man aus den 50er und 60er Jahren von Barth, Essen, Reindel und Saltin.

Heutzutage wird Intervalltraining immer wieder mit sehr hohen Intensitäten in Verbindung gebracht und bleibt meist dem Leistungssport vorbehalten. In den letzten Jahren häufen sich Publikationen, meist von Kardiologen, die über bessere bzw. gleichwertige Trainingserfolge und Belastungs-verträglichkeit eines Intervalltrainings gegenüber der herkömmlichen Dauermethode berichten. Hierbei handelt es sich nicht um intensive Trainingseinheiten mit hohen anaeroben Belastungen, sondern vielmehr um ein extensives Intervalltraining im aeroben Belastungsbereich, das zu keiner nennenswerten Laktatakkumulation führt. Auch Puhan (2004, o. S.) fordert, dass das Forschungsinteresse nun in Richtung Evaluierung unterschiedlicher Ausdauertrainingsformen gehen sollte, nachdem die positiven Effekte des rehabilitativen Trainings in den vergangenen 30 Jahren vielfach belegt wurden.

Mayer et al. berichten in der Zeitschrift „Medicine & Science Sports & Exercise“ (2001, S. S19) über eine intermittierende Trainingsmethode, die sich vorwiegend an der Herzfrequenz orientiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Intervallmethoden, die feste Zeitvorgaben für Belastungs- und Erholungsphasen haben, benutzt diese Trainingsmethode lediglich Herzfrequenzgrenzen zur Steuerung der Belastung. Das Training wird dabei auf einem Fahrradergometer durchgeführt.

Kernpunkt der folgenden Untersuchung ist die Ermittlung wesentlicher physiologischer Parameter dieser intermittierenden Methode und der Vergleich mit einem kontinuierlichen Training nach der Dauermethode. Untersucht wurden 28 männliche und weibliche Sportstudenten, um zunächst grundlegende Kenntnisse an jungen, gesunden Personen zu erhalten. Für die Untersuchung spielte es keine Rolle, welche Trainingsmethode längerfristig zu besseren Adaptationen führt.

Neben den in dieser Studie beschriebenen Parametern wurden zusätzlich noch Daten zur Herzfrequenzvariabilität (HRV), Sauerstoffsättigung (mittels Infrarotspektroskopie NIRS) und zur Befindlichkeit erhoben. Diese Daten werden in einer separaten Arbeit ausgewertet. Dennoch wird die Erhebung dieser Parameter teilweise in dieser Arbeit beschrieben, um ein realistisches Bild des Untersuchungsablaufes zu gewinnen. Im Rahmen der Studie wurden zusätzlich noch 15 gesunde, untrainierte Personen über 50 Jahren getestet, um auch für diese Altersgruppe Erkenntnisse zu erlangen. Deren Untersuchungsdaten sind jedoch nicht Bestandteil dieser Arbeit.

1.2 Allgemeine Formulierung der Fragestellung

Morris et al. (2002, S.471) weisen darauf hin, dass ein intermittierendes Training bei der gleichen absoluten Intensität zu niedrigerer Herzfrequenz (Hf), Sauerstoffaufnahme (V’O2) und Blutlaktatwerten gegenüber einem Training nach der Dauermethode führt. Dabei berufen sie sich auf Studien, die bereits in den 60er und 70er Jahren von Astrand und Saltin durchgeführt wurden.

Die eigentliche Frage dieser Untersuchung ist, inwiefern sich die physiologische Belastung der in dieser Studie angewandten Intervalltrainingsmethode von der Belastung einer herkömmlichen Dauermethode ähnlicher Intensität unterscheidet. Die physiologischen Parameter Blutdruck, Laktat, Sauerstoffaufnahme, Respiratorischer Quotient und die Herzfrequenz nach Belastungsende stehen dabei im Mittelpunkt des Interesses. Sie wurden jeweils vor, während und nach der Belastung erfasst. Weiterhin wurde das Belastungsempfinden während und nach der jeweiligen Trainingsintervention ermittelt.

1.3 Aufbau der Arbeit, Vorgehensweise im Überblick

Im Laufe dieser Arbeit werden zunächst theoretische Grundlagen dargestellt, die für die Arbeit relevant sind. Zum einen wird auf die physiologischen Parameter eingegangen, zum anderen auf unterschiedliche Ausdauertrainingsmethoden – insbesondere auf das Intervalltraining.

Anschließend werden die Ergebnisse einiger vergleichbarer Studien vorgestellt. Nach der expliziten Formulierung der Forschungshypothese wird die Methodik der Arbeit beschrieben. Anschließend erfolgt die Präsentation der Ergebnisse mit nachfolgender Diskussion und einer kurzen Zusammenfassung.

2 Theoretische Grundlagen

2.1 Ausdauer / Ausdauertraining

Im Mittelpunkt zahlreicher Ausdauerdefinitionen steht fast immer „Zeit“ und „Leistung“.

„Ausdauer ist im Sport [..] die Fähigkeit, eine gegebene Belastung ohne nennenswerte Ermüdungsanzeichen über einen möglichst langen Zeitraum aushalten zu können“ (Kayser, 1992, S. 51).

Ein aerobes Ausdauertraining unter leistungssportlichen Gesichtspunkten führt u.a. zum Anstieg der maximalen Sauerstoffaufnahmefähigkeit (V’O2max) und Zunahme des Prozentsatzes der V’O2max, mit der eine Belastung über eine längere Zeit durchgehalten werden kann.

Bedeutsam sind für die Präventivmedizin jedoch nicht eine hohe Belastung und ein möglichst langer Zeitraum, über den man eine Ausdauerleistung erbringen kann, sondern die durch ein regelmäßiges Ausdauertraining induzierten Adaptationen des Organismus an sich. Hier stehen die Effekte auf das kardiopulmonale System und den Metabolismus im Vordergrund (vgl. Berg, 2005, S.78). Auch Skinner (2001, S. 214) betont, dass die Regelmäßigkeit des Trainings zunächst wichtiger ist als die Intensität und zu einer Reduktion der Mortalität führt.

Die Ausdauer lässt sich nach Art der Energiebereitstellung (aerob, anaerob), nach der Arbeitsform (dynamisch, statisch) sowie nach dem Anteil der beanspruchten Skelettmuskulatur (lokal, allgemein) unterteilen. (vgl. de Marées, 2003, S. 310).

2.1.1 Akute physiologische Reaktionen auf Herz-Kreislauf-System u. Atmung

Die Hauptaufgabe des Herz-Kreislauf-Systems besteht darin, den Körper und seine Organe ausreichend mit Blut zu versorgen, um den Stoffaustausch zu ermöglichen. Das Herz-Kreislauf-System reagiert auf eine Ausdauerbelastung sowohl akut als auch mit längerfristigen Adaptationen (sofern die Belastung ausreichend ist) und funktioniert nach dem Prinzip eines Regelsystems.

Zu den akuten Reaktionen auf eine dynamische Ausdauerbelastung gehören u.a. ein Anstieg von Herzfrequenz und Herzschlagvolumen, Erhöhung des arteriellen Mitteldrucks und eine Gefäßweitstellung in der arbeitenden Muskulatur, um die Durchblutung zu erhöhen. Weiterhin führt körperliche Aktivität zu einer Zunahme von Atemfrequenz und Atemzugvolumen.

„Das Schlagvolumen ist die Blutmenge (ml), die während der Systole von einer Herzkammer ausgeworfen wird“ (de Marées, 2003, S. 253). Das Schlagvolumen eines Untrainierten beträgt in Ruhe ca. 60-80ml, ist abhängig von der Körperlage und kann belastungsbedingt um ca. 25%-50% gesteigert werden – je nach Ausgangsfüllung (vgl. de Marées, 2003, S.254).

Die Herzfrequenz [1/min] ist ein Mittelwert aus der Anzahl von Herzkammererregungen innerhalb der Zeitdauer von einer Minute. Die Dauer der RR-Intervalle, die innerhalb dieses Zeitraums stattfinden, bestimmt die Höhe der Frequenz (vgl. König et al., 2001, S. 75). Bei Untrainierten beträgt die Herzfrequenz in Ruhe etwa 60-90/min, bei Hochausdauertrainierten kann die Herzfrequenz bis auf Werte unter 40/min sinken (vgl. Braumann 2003, S. 627). Die maximale Herzfrequenz [Hfmax] beträgt bei 20-30 Jährigen etwa 200/min und unterliegt großen individuellen Schwankungen (vgl. Weineck, 2004, S. 219). Mit zunehmendem Alter nimmt die Hfmax kontinuierlich ab.

Das Herzzeitvolumen ist das Produkt aus Herzfrequenz und Schlagvolumen. Der Ruhewert beträgt etwa 5-6 l/min und kann beim Untrainierten unter Belastung auf etwa 20-25 l/min zunehmen. Der wesentliche Faktor für die Zunahme des Herzminutenvolumens ist die Zunahme der Herzfrequenz.

Durch lokal-chemische Regulation kommt es zur peripheren Dilatation, um eine Durchblutungszunahme der arbeitenden Muskulatur zu ermöglichen. Nervöse Rückmeldung aus der arbeitenden Muskulatur sorgt dagegen für Vasokonstriktion nicht aktiver Muskelgruppen und Organen wie Haut und Darm.

Allerdings kommt es nur dann zu einer Durchblutungszunahme, wenn der Blutdruck steigt. Zunehmende körperlicher Aktivität führt vor allem zu einem Anstieg des systolischen Blutdrucks. Er beträgt beim Gesunden in Ruhe und sitzender Stellung 120mmHg. Bei Fahrradergometer- Belastungen von 200 Watt werden Werte von etwa 200-240mmHg gemessen. Der diastolische Blutdruck liegt dagegen in Ruhe und sitzender Stellung bei etwa 80mmHg und steigt bis zur Ausbelastung nur um etwa 20mmHg an (vgl. de Marées, 2003, S. 272). In dieser Studie wurde der arterielle Mitteldruck verwendet. Er ist der zeitliche Mittelwert der Drücke im arteriellen System und errechnet sich aus der Integration der Druckpulskurven innerhalb eines Herzzyklus. Außerdem ist er vom Messort im arteriellen System abhängig (zentrale oder periphere Arterien). Der arterielle Mitteldruck für periphere Arterien errechnet sich aus der Formel: arterieller Mitteldruck = diastolischer Druck + 1/3 (systolischer Druck – diastolischer Druck)

Der arterielle Mitteldruck nimmt immer dann zu, wenn der Volumenauswurf stärker steigt als der periphere Strömungswiderstand abnimmt (vgl. de Marées, 2003, S. 281).

2.1.2 Akute physiologische Reaktionen auf Metabolismus und Atmung

Wie bereits oben erwähnt, führen lokal-chemische Reaktionen bei körperlicher Arbeit zur Dilatation der Blutgefäße in der arbeitenden Muskulatur. Maßgeblich ist hier die Konzentration der folgenden Stoffe verantwortlich, die sich bei Ausdauerbelastungen erhöht bzw. erniedrigt: Sauerstoff (O2) bzw. Sauerstoffpartialdruck, Kohlendioxid (C02) bzw. Kohlendioxidpartialdruck, Laktat, Adenosintriphosphat (ATP) und Kalium (K+).

Ursache für die Änderung der Konzentration dieser Metaboliten ist der gesteigerte Energiebedarf. Dieser wird letztlich durch das energiereiche Phosphat ATP gedeckt. Der Organismus benötigt das ATP ständig für Biosynthesen, aktive Transportvorgänge und bei körperlicher Aktivität für die Kontraktion der Muskelzellen. Durch Hydrolyse kann dem ATP ein Phosphatrest abgetrennt werden. Dabei entstehen aus dem ATP das ADP (Adenosindiphosphat) und ein Phosphatrest. Die freiwerdende Energie dieser Reaktion beträgt etwa 30kj/mol ATP (vgl. de Marées, 2003, S. 345). De Marées (2003, S. 342) weißt darauf hin, dass das Konzept „ATP als primärer und universeller Energielieferant in den Zellen“ bereits 1941 von Lipmann postuliert wurde. Allerdings hat der Körper nur sehr begrenzte „ATP-Vorräte“, die für nur wenige Muskelkontraktionen ausreichen. Daher muss das ATP fortlaufend resynthetisiert werden. Die Resynthese des ATP kann zunächst durch das energiereiche Kreatinphosphat (KP) erfolgen. Diese Resynthese benötigt keinen Sauerstoff und es entsteht kein Laktat = anaerob alaktazid Resynthese. Die Energieflussrate (ATP- Gewinnung pro Zeit) dieser Reaktion ist sehr hoch – das KP reicht jedoch ebenfalls nur für wenige Muskelkontraktionen. Wird über einen längeren Zeitraum vermehrt Energie benötigt, kann der Körper durch die Oxidation von Kohlenhydraten, Lipiden und in geringem Maße Proteinen Energie zur Resynthese von ATP gewinnen. Erfolgt die Resynthese über die anaerobe (ohne Sauerstoff) Oxidation von Glukose, entsteht als Stoffwechsel-zwischenprodukt Laktat. Außerdem kommt es durch die Anhäufung von H+-Ionen zu einem Absinken des pH-Wertes. Man bezeichnet die Resynthese des ATP dann als „anaerob laktazide Resynthese“. Die Energieausbeute aus diesem Stoffwechselweg ist mit 3 mol ATP pro mol Glucose zwar gering, die Energieflussrate jedoch etwa doppelt so hoch als bei der Resynthese über die aerobe (mit Sauerstoff) Oxidation = aerobe Resynthese des ATP. Bei der aeroben Oxidation der Glukose, die man als Glykolyse bezeichnet, können 30 mol ATP pro mol Glucose resynthetisiert werden. Bei der aeroben Oxidation der Fettsäuren, die man als Lipolyse bezeichnet, werden in der Bilanz 122 ATP frei. Der Sauerstoffbedarf liegt jedoch etwa 10% höher als bei vergleichbaren Glukosemengen und somit ist die Energieflussrate wiederum niedriger. Allerdings ist die Menge an Fettsäuren, die der Körper zur Energiegewinnung nutzen kann, kurzfristig nahezu unbegrenzt (vgl. De Marées, 2003, S. 346-354). Diese energieliefernden Prozesse laufen immer parallel ab. Der Anteil des jeweiligen Stoffwechselprozesses hängt von der Höhe und Dauer der zu erbringenden Arbeit ab. Bei Ausdauerbelastungen über etwa 45 min dominiert die aerobe Oxidation der Nährstoffe. De Marées (2003 S. 353) erläutert, dass die aerobe Oxidation hauptsächlich durch die O2-Menge, die dem Muskel pro Zeiteinheit zugeführt wird, begrenzt ist.

Wie bereits oben erwähnt, entsteht Laktat beim anaeroben Abbau der Glukose als Stoffwechselprodukt, da nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist, um den Stoffwechselschritt vom Pyruvat zum Acetyl-Coenzym A zu vollziehen.

Infolgedessen häuft es sich im Körper an. Die maximalen Blutlaktatwerte liegen etwa bei 15-20 mmol/l. Bei speziell trainierten Personen können die Werte bis auf 25 mmol/l steigen (vgl. de Marées, 2003, S. 362). Es ist jedoch außerordentlich wichtig zu erwähnen, dass Laktat auch unter aeroben Stoffwechselsituationen gebildet wird. De Marées (2003, S. 371) erläutert, dass bereits in Ruhe ca. 50% der im Stoffwechsel abgebauten Glukose Laktat passieren. Dadurch sind die Ruhelaktatwerte im Blut von ca. 0,8-1,5mmol/l bedingt. Laktat wird immer gebildet und Laktat wird immer eliminiert. Bei einer Belastung von 40-75% der maximalen Sauerstoffaufnahme werden 70-90% des gebildeten Laktats in der Muskulatur oxidiert. Die Herzmuskulatur und die inaktive Muskulatur sind zu etwa je 15% an der Elimination beteiligt. Ca. 15% des entstehenden Laktats können in der Leber erneut zu Glukose aufgebaut werden (vgl. de Marées, 2003, S. 355). Laktat bedeutet übersetzt: „Salz der Milchsäure“. Irrtümlicherweise assoziiert man immer wieder mit der Milchsäure die Übersäuerung der Muskulatur. Robergs und Amann weisen ausdrücklich darauf hin, dass die Azidose nicht durch das Laktat, sondern durch eine höhere Protonenfreisetzung, die die zelluläre Pufferkapazität übersteigt, bedingt ist (vgl. Robergs, Amann, 2003, S.11).

Ausdauerbelastungen führen weiterhin zu einer Steigerung der Ventilation, um den erhöhten O2-Bedarf zu decken und das gebildete C02 abzuatmen. De Marées gibt an (2003, S. 231), dass die Sauerstoffaufnahme bei Ausdauertrainierten von ca. 300 ml/min auf bis zu 6000 ml/min unter Belastung anwachsen kann – bei Untrainierten nur auf etwa 3000-3500 ml/min. Ventilationssteigernde Faktoren sind dabei der CO2-Partialdruck des Blutes, der pH-Wert, der O2-Partialdruck des Blutes und nervöse Faktoren wie kortikale Mitinnervation und Efferenzen aus der arbeitenden Muskulatur. „Die V’O2max ist die maximale Sauerstoffaufnahme während einer Belastung, die länger als 2 und kürzer als 5 Minuten dauert“ (Janssen, 2003, S.56). Die Energiebereitstellung im Belastungsbereich der V’O2max ist teils aerob, teils anaerob. Daher muss eine längere Dauerbelastung auf einem Niveau deutlich unterhalb der V’O2max ablaufen. Die V’O2max wird in der Regel in ml/min oder l/min angegeben. Für interindividuelle Vergleiche ist ein Bezug auf die Körpermasse sinnvoller. Da schwerere Menschen durchschnittlich mehr Muskelmasse, größere Herzen und mehr Blut besitzen, können sie höhere V’O2max-Werte bei gleichem Ausdauertrainingszustand gegenüber leichteren Personen erreichen (vgl. Meyer, 1999, S.285). Daher ist hier die relative maximale Sauerstoffaufnahme (ml/min/kg) besser geeignet, um die Belastungen zweckhafter vergleichen zu können.

Respiratorischer Quotient – RQ

Eine weitere spiroergometrische Messgröße, die unter körperlicher Belastung Änderungen unterworfen ist, ist der Respiratorische Quotient (RQ). Er berechnet sich aus Kohlendioxidabgabe (V’CO₂) und Sauerstoffaufnahme (V’O₂):

RQ = V’CO₂ / V’O₂

„Der RQ wird im wesentlichen benutzt, um momentane Stoffwechselzustände zu beschreiben, und um bei Maximaltests den Grad der Ausbelastung zu erfassen“ (Meyer, 2003, S. 29). Weiterhin kann der RQ dazu herangezogen werden verschiedene Ausdauertrainingsformen hinsichtlich ihres Stoffwechseleffektes zu überprüfen und über die indirekte Kalorimetrie den Energieverbrauch präzise zu ermitteln (vgl. Meyer, 2003, S. 30).

2.2 Trainingsintensität

Ein Kernpunkt in der Trainingsplanung und Belastungsgestaltung ist die Trainingsintensität. Wird mit zu geringer Intensität trainiert, erzielt man keine oder nicht die gewünschten Adaptationen. Findet das Training unter einer zu hohen Intensität statt, wird der Organismus unnötig hoch belastet. Die Adaptationen sind evtl. nicht zweckhaft, und unter Umständen kann das Training nicht über die geplante Dauer durchgeführt werden und muss vorzeitig abgebrochen werden. Aus diesem Grund verwendet man zur Intensitätssteuerung u.a. Laktat- und ventilatorische Schwellen. Die über eine Laktat-Leistungskurve ermittelte individuelle anaerobe Schwelle (IAS) repräsentiert das maximale Laktat-Steady-State. Belastungen über der IAS führen trotz konstanter Belastungsintensität zu einer Laktatakkumulation im Blut. Die individuelle anaerobe Schwelle ist die obere Grenze des aerob-anaeroben Übergangs. Die untere Grenze dieses Bereichs wird als aerobe Schwelle (AeS) bezeichnet und kennzeichnet den Punkt des ersten Laktatanstiegs. Der Laktatwert liegt etwa bei 2 mmol/l (vgl. Janssen, 2003, S. 127). Spiroergometrisch kann diesem Punkt die ventilatorische Schwelle VT1 zugeordnet werden, bei der ein überproportionaler Anstieg der Atmung zu erkennen ist. Ein zweiter überproportionaler Anstieg der Atmung (VT2) liegt im Bereich der anaeroben Schwelle. Die VT1 wird nach Wasserman als „anaerobic threshold“ bezeichnet, die VT2 als respiratorischer Kompensationspunkt (RCP) (vgl. Kindermann, 2004, S.161).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Schematische Darstellung des aerob-anaeroben Übergangs (grauer Bereich). Laktat-Leistungskurve (oben) und Ventilation (unten) bei ansteigender Belastungsintensität. AeS: aerobe Schwelle; IAS: individuelle anaerobe Schwelle; VT1: ventilatorische Schwelle 1; VT2: ventilatorische Schwelle 2 (respiratorischer Kompensationspunkt), (aus: Kindermann, 2004, S.161).

Entgegen der fixen „aerob-anaeroben Schwelle“, die von Mader et al. bereits 1976 bei 4 mmol/l Laktat festgesetzt wurde, sollten heute individuelle anaerobe Schwellenkonzepte verwendet werden, da die Schwellen-Laktatkonzentrationen in Abhängigkeit vom Trainingszustand teilweise deutlich von 4 mmol/l abweichen können (vgl. Kindermann, 2004, S.161; Heck, o. J., S. 168). „Die Leistungsfähigkeit an der anaeroben Schwelle beträgt […] ca. 60 bis 85% V’O2max (aerobe Schwelle ca. 40-65% V’O2max)“ (Kindermann, 2004, S.162). Kindermann (2004, S.162) weist darauf hin, dass ein extensives Ausdauertraining bei etwa 70 bis knapp 90% der anaeroben Schwelle stattfinden sollte.

Aufgrund der Tatsache, dass man nach einem Stufentest die Herzfrequenzen oder Wattzahlen kennt, die mit bestimmten Laktatwerten korrelieren, kann man exakte Herzfrequenz-Trainingsbereiche angeben.

Zur Intensitätssteuerung und Intensitätskontrolle haben sich in den vergangenen Jahrzehnten verschiedene Parameter durchgesetzt, die sich in ihrer Anwendbarkeit jedoch äußerst stark unterscheiden. Meist benutztes Hilfsmittel ist jedoch die Herzfrequenz. Die Preise für Pulsuhren sind in den letzten Jahren drastisch gesunken, so dass die Geräte heute für jeden erschwinglich sind. Sie ermöglichen mit hoher Genauigkeit eine unmittelbare Pulskontrolle während des Trainings.

Möchte man die Belastungsintensität über die Atemgase kontrollieren, wird ein Spirometer benötigt. Mittlerweile sind mobile Geräteverfügbar, die auch im Freien eingesetzt werden können. Aufgrund der hohen Kosten eignen sie sich jedoch nur für diagnostische Zwecke.

Die Belastungssteuerung über die Wattzahl ist recht exakt. Genutzt werden kann diese Methode aber meist nur auf Standort gebundenen Ergometern. Mobile Leistungsmesser für Fahrräder, wie z.B. das SRM© System (Schoberer Rad Messtechnik) sind zwar erhältlich – für den Hobby und Gesundheitssportler jedoch zu teuer. Bei Aktivitäten wie Laufen oder Walking kann die Leistung derzeit auch nur indirekt über die Geschwindigkeit oder im Labor mit Kraftmessplatten über die Bodenreaktionskräfte ermittelt werden. Hier sind allerdings in naher Zukunft durch die Entwicklung neuer Messapparaturen und den Einsatz von Sattelitennavigation neue Möglichkeiten der Belastungssteuerung in Sicht (vgl. Vogt, 2005, S.109).

Möchte man die Trainingsintensität direkt über die Laktatkonzentration steuern, so ist dies nur über eine Blutentnahme möglich. Weiterhin kann das Laktat nicht permanent gemessen werden. Bei Laufbelastungen muss das Training in der Regel immer unterbrochen werden, und man benötigt eine geschulte Hilfsperson.

Am kostengünstigsten ist eine Steuerung über das Belastungsempfinden – siehe Borg-Skala.

Belastungssteuerung über die Herzfrequenz:

Möchte man Kosten oder Aufwand für eine Laktatdiagnostik sparen, kann die Bestimmung der Trainingsintensität auch über die Herzfrequenz erfolgen. Dabei haben sich in der Trainingspraxis 2 Methoden durchgesetzt.

Bei der Methode der maximalen Herzfrequenz (Hfmax) wird die Trainingsherzfrequenz (THf) als Prozentsatz der maximalen Herzfrequenz angegeben. Dabei ist es sehr wichtig, die Hfmax möglichst genau zu ermitteln – z.B. im Rahmen eines Stufentests bis zur Ausbelastung. Dieser sollte der gleichen Art (z.B. Laufband, Ergometer) wie die spätere Trainingsbelastung sein. Janssen (2003, S.55) gibt an, dass die Intensität für ein aerobes Ausdauertraining bei 68-87% der Hfmax stattfinden sollte.

Als etwas genauer wird die Methode der maximalen Herzfrequenz-Reserve (HF-res) nach dem Finnen J. Karvonen angesehen. Dabei wird neben der Hfmax auch die Ruheherzfrequenz in die Berechnung der Trainingsherzfrequenz mit einbezogen. Die HF-res errechnet sich aus der Formel:

Hf-res = Hfmax – Hf-Ruhe

Die prozentuale Trainingsherzfrequenz bei z.B. 60% der Herzfrequenz-reserve ergibt sich aus der Formel:

Trainingsherzfrequenz = (Hfmax – Hf-Ruhe) x 0,6 + Hf-Ruhe

Es ist zu beachten, dass die Belastungsintensität bei z.B. 70% der Hf-res wesentlich höher ist als bei 70% der Hfmax. Die Beziehung zwischen der Hf-res und der Hfmax ist in der folgenden Tabelle nach Janssen dargestellt.

Tab. 1: Beziehung zwischen Hf, %Hf-res und % Hf-max (aus Janssen, 2003, S. 54)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ähnliches ist beim Vergleich mit der V’O2max zu beachten. Zwar entspricht 100% der Hfmax etwa 100% der V’O2max, aber gerade im unteren Belastungsbereich weichen die Werte enorm voneinander ab. Dies ist unbedingt beim Festlegen der Trainingsbelastung zu berücksichtigen

Tab. 2: Die Beziehung zwischen Hfmax (in %) und V’O2max (aus Janssen, 2003, S.58)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3 Ausdauertrainingsmethoden

Zur Steigerung der aeroben Ausdauer stehen dem Trainierenden mehrere Methoden zur Verfügung. Im Wesentlichen unterscheidet man zwischen der Dauermethode, der Wiederholungsmethode, dem Intervalltraining (intermittierende Methode) und der Wettkampfmethode. Während die Wettkampfmethode und Wiederholungsmethode, die Belastungen mit 90-100% der maximal möglichen Intensität erfordern, dem Leistungssport vorbehalten bleiben sollten, können die anderen Methoden durchaus in präventiven / rehabilitativen Trainingsprogrammen zum Einsatz kommen (vgl. Weineck, 2004, S.180). Nachfolgend wird kurz das klassische Prinzip der Dauer- und Intervallmethode erläutert.

2.3.1. Dauermethoden

„Bei der Dauermethode steht die Verbesserung der aeroben Kapazität im Vordergrund“ (Weineck, 2004, S.167). Sie kennzeichnet sich durch eine kontinuierliche Belastung ohne Pausen. Man unterscheidet zwischen der extensiven und der intensiven Dauermethode. Mischformen mit wechselnder Intensität sind ebenfalls möglich. Bei der extensiven Dauermethode liegen die Laktatwerte bei etwa 2 mmol/l bzw. im Bereich der aeroben Schwelle. Ausgehend von der Herzfrequenz bei etwa 50-70% der Hf-res. Die Belastungsdauer kann von etwa 30 Minuten bis zu mehreren Stunden betragen. Bei der intensiven Dauermethode liegt die Intensität im Bereich der anaeroben Schwelle bei 4 mmol/l bzw. der individuellen anaeroben Schwelle (IAS). Ausgehend von der Herzfrequenz bei etwa 70-80% der Hf-res. Die Belastungsdauer liegt zwischen 2 Minuten und etwa 1 Stunde (vgl. Janssen, 2003, S. 33, 55).

2.3.2 Intervalltrainingsmethoden

Ein Intervalltraining kennzeichnet sich durch systematische, rhythmische Wechsel von Belastungs- und Erholungsphasen. Wie bei der Dauermethode unterscheidet man auch hier zwischen extensivem und intensivem Intervalltraining. Weiterhin differenziert man zwischen der Kurz-, Mittel- und Langzeitintervallmethode (vgl. Weineck, 2004, S. 172). Die Angaben zur Belastungsdauer schwanken hierbei je nach Autor für die Kurzzeitintervallmethode zwischen 10 und 60 Sekunden, für die Mittelzeitintervallmethode zwischen 20 Sekunden bis 8 Minuten und für die Langzeitintervallmethode zwischen 2 und 8 Minuten. Ein Kernpunkt des Intervalltrainings ist die so genannte „lohnende Pause“. Unter einer lohnenden Pause versteht man, dass die nächste Belastungsphase innerhalb des Intervalltrainings bereits dann einsetzt, wenn noch keine vollständige Erholung stattgefunden hat. Dies ist etwa bei einer Herzfrequenz von 120-140 der Fall (vgl. Weineck, 2004, S. 172; de Marées, 2003, S. 315). Die Länge der lohnenden Pause schwankt zwischen etwa 30 Sekunden und 5 Minuten, je nach Belastungsdauer, Intensität und angestrebtem Trainingsziel.

Extensives Intervalltraining:

Die Belastungsintensität liegt beim extensiven Intervalltraining etwa bei 60-90% der HF-res bzw. bei 75-90% der V’O2max Geschwindigkeit (vgl. de Marées, 2003, S. 315). Der Belastungsumfang ist mit etwa 12-40 Wiederholungen hoch. Im Verlauf des Trainings kommt es in der Regel zu keiner nennenswerten Laktatakkumulation über die IAS hinaus.

Intensives Intervalltraining:

Beim intensiven Intervalltraining liegt die Belastungsintensität bei 80-100% der HF-res bzw. im maximalen bis supramaximalen V’O2max Geschwindigkeitsbereich (vgl. de Marées, 2003, S. 315). Der Belastungsumfang ist mit etwa 10-12 Wiederholungen deutlich geringer als bei der extensiven Intervallmethode. Die hohe Intensität und die kurzen Pausen führen zu einem deutlichen Laktatanstieg, der mitunter zum Trainingsabbruch führt.

2.4 Anstrengungsempfinden / Borg-Skala

„Das Anstrengungsempfinden gibt die subjektive Antwort wieder auf die Reizintensität einer physikalischen Leistung“ (Löllgen, 2004, S.299). Mittels der Borg-Skala ist es möglich das subjektive Anstrengungs-empfinden einer Versuchsperson zu erfassen. „Diese Skala ist eine Schätzskala, deren Schätzung linear mit der Leistung ansteigt. Das Anstrengungsempfinden ist eine Ergänzung zu physiologischen Messgrössen“ (Borg, 2004, S. A1016). Die Borg-Skala wird häufig auch als RPE-Skala („ratings of perceived exertion“) bezeichnet. In der Regel wird die Skale in Augenhöhe vorgehalten, so dass die Versuchspersonen während der Untersuchung angeben können, wie anstrengend die Belastung empfunden wird.

Die Skala reicht von 6-20, wobei 7 mit „Sehr, sehr leicht“ und 19 mit „Sehr, sehr anstrengend“ belegt ist. Durch die Multiplikation des Skalenwertes mit dem Faktor 10 lässt sich die Herzfrequenz der Vpn näherungsweise bestimmen.

Tab. 3: Borg-Skala des Anstrengungsempfindens. Copyright: ©1998 by Gunnar Borg

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Einflussgrößen auf das Anstrengungsempfinden sind u.a. Trainings-zustand, Körperkonstitution und bei Ergometerbelastungen Umdrehungs-zahl und Sitzposition. Die bedeutendsten Faktoren, die das Anstrengungsempfinden bestimmen, sind die Atemlosigkeit bzw. die gesteigerte Atmung und die Erschöpfung der arbeitenden Muskulatur (vgl. Borg, 2004, S. A1018). Während im Kindes- und Jugendalter das Anstrengungsempfinden zunimmt, ändert es sich im Erwachsenenalter nicht, und bleibt somit unbeeinflusst vom Alter. Nach Löllgen (2004, S.299) liegt die Reproduzierbarkeit bei einem Korrelationskoeffizienten von 0,91-0,92 und einem Variationskoeffizient von 4-8%. Weiterhin bestehen hohe Korrelationen zu physiologischen Parametern wie Laktatkonzentration oder Sauerstoffaufnahme.

Während Patienten mit koronaren Herzkrankheiten die gleiche Belastungsstärke anstrengender empfinden als Normalpersonen, geben trainierte Sportler ein eher niedrigeres Anstrengungsempfinden für die identische Belastungsstärke an. Ebenso verhält es sich bei Personen mit hyperkinetischem Herzsyndrom oder „funktionellen“ Herzbeschwerden – auch sie geben die Belastung niedriger an als Normalpersonen (vgl. Löllgen, 2004, S.199). Eine Ausbelastung liegt in der Regel nur bei RPE-Werten oberhalb von 17 vor. Für ein Ausdauertraining werden RPE-Werte zwischen 11-14 empfohlen. In der Primär- und Sekundärprävention durch körperliche Aktivität, stellt die Borg-Skala somit ein leicht verständliches und kostengünstiges Verfahren zur Belastungsbeurteilung dar (vgl. Löllgen, 2004, S.200).

2.5 Stand der Forschung

Vor allem Puhan et al. weisen immer wieder auf die Notwendigkeit und Aktualität der Debatte, intermittierendes Training oder kontinuierliches Training, hin. „There is limited evidence from [..] randomised controlled trials comparing interval exercise and continuous exercise” (Puhan et al. 2004, o. S.). Studien der letzten Jahre, welche die Trainingswirksamkeit von einem Intervalltraining mit einem Training nach der Dauermethode vergleichen, liefern widersprüchliche Ergebnisse. Während u.a. Rietjens et al. (2001), Morris et al. (2002), Warburton et al. (2003) keine signifikanten Unterschiede feststellen konnten, haben Gorostiaga et al. (1991) und Meyer et al. (1998) signifikant höhere Adaptationen bei einem IT beobachten können. Morris (2002, S.471) zitiert Untersuchungen von Henriksson und Saltin aus den 70er Jahren, die bessere Trainingserfolge mit einer CT-Methode erzielten. Sabapathy et al. (2004) berichten über niedrigere physiologische Reaktionen eines intermittierenden Trainings, als dessen Folge insgesamt jedoch mehr trainiert werden kann.

Auch Mayer et al. (2001) konnten keinen Unterschied hinsichtlich der Leistungsverbesserung durch ein CT oder IT feststellen. Allerdings beobachteten sie überraschend, dass die Vpn, die nach einer IT-Methode trainierten, eine größere Gewichtsreduktion und niedrigere Triglycerid- Werte erzielten.

Ein außerordentlich großes Problem ist die Vergleichbarkeit der Studien. Weder die Trainingsintensität, die Charakteristik der Versuchspersonen, das Studiendesign noch die gesamte Trainingsbelastung stimmen bei den Studien überein. Diese Situation wird auch dann kaum verbessert, wenn man sich beispielhaft nur auf Studien aus der Kardiologie beschränkt. Auch hier gibt es enorme Unterschiede im Studiendesign und den verwendeten Methoden.

Morris et al. (2002, 2003) weisen in ihren Studien darauf hin, dass die Wirkung der Trainingsmethode (CT/IT) identisch ist, wenn bei gleicher Belastungsintensität insgesamt die gleiche Arbeit verrichtet wird. „…rate of adaptation were independent of training mode (i.e., continuous and intermittent exercise) when the training intensity is the same and the total work completed by each exercise group (CEx and IEx) are equal” (Morris, 2002, S. 475). In den anderen in dieser Arbeit zitierten Studien wird hiervon nichts erwähnt.

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