Akute Reaktionen auf körperliche Belastung

Reaktionen auf körperliche Belastung (edit | edit source)

Körperliche Aktivität stellt Anforderungen an die physiologischen Systeme des menschlichen Körpers und löst verschiedene Reaktionen aus. Diese Reaktionen sind abhängig von:⁽¹⁾

• Art oder Modalität der Belastung
• Intensität der Belastung
• Dauer der Belastung
• Häufigkeit (Frequenz) der Belastung
• Umweltbedingungen⁽²⁾
• emotionalen Einflüssen⁽³⁾

Kardiopulmonales System ( edit | edit source )

• Komponenten⁽⁴⁾:
  • kardiovaskuläres System
  • pulmonales System

• Funktionen:⁽⁴⁾
  • Transport und Austausch von Atemgasen (Sauerstoff und Kohlendioxid)
  • Transport und Austausch von Nährstoffen und Abfallprodukten
  • Transport von Hormonen und chemischen Botenstoffen
  • Regulierung der Körpertemperatur (Thermoregulation)
  • Regulierung des Flüssigkeitshaushalts
  • Regulierung des Blutdrucks
  • Aufrechterhaltung des pH-Gleichgewichts
  • Verhinderung von Blutverlust durch hämostatische Mechanismen
  • Infektionsprävention durch weiße Blutkörperchen und Lymphgewebe

Lesen Sie mehr: Kardiovaskuläres System

Herzfrequenz ( edit | edit source )

• Die Herzfrequenz steigt linear mit der Arbeitsbelastung und dem Sauerstoffverbrauch (VO₂) während dynamischer körperlicher Belastung an
• Die Reaktion der Herzfrequenz (hier als HR für „Heart Rate“ abgekürzt) kann beeinflusst werden durch:⁽⁵⁾
  • Alter
  • Position des Körpers
  • Fitness
  • Art der Aktivität
  • Medikamente
  • Umweltbedingungen
  • Blutvolumen

Maximale Herzfrequenz (edit | edit source)

• Die maximale Herzfrequenz (HR_max) wird nach einer vollständigen Anstrengung bis zur willentlichen Muskelerschöpfung erreicht.⁽⁶⁾ Es handelt sich um den höchsten Herzfrequenzwert, den eine Person während einer vollständigen Anstrengung bis zur Erschöpfung erreichen kann. Er wird durch ein Plateau in der Herzfrequenz trotz steigender Arbeitsbelastung verifiziert.⁽⁷⁾
• Trainierbarkeit der HR_max:
  • Obwohl es mehrere Quellen gibt, die besagen, dass die HR_max bei Training unverändert bleibt, gibt es auch Studien, die berichten, dass die HR_max nach regelmäßigem Ausdauertraining bei sedentären Erwachsenen und Ausdauersportlern reduziert ist.^{(8)(9)(10)(11)}
  • Die HR_max kann sich erhöhen, wenn das regelmäßige Ausdauertraining eingestellt wird, und es gibt auch Evidenz dafür, dass Tapering oder Detraining die HR_max erhöht.^(8)(12)
  • Whyte et al.⁽¹³⁾ dass die HR_max bei Elite-Athleten, die aerob und anaerob trainiert sind, ähnlich war. Im Vergleich zu gleichaltrigen sedentären Teilnehmern war die HR_max der Athleten jedoch signifikant niedriger als die der sedentären Teilnehmer.
• Die HR_max bleibt von Tag zu Tag konstant und nimmt von Jahr zu Jahr leicht ab
• Die HR_max kann anhand altersbasierter Vorhersagegleichungen geschätzt werden, wobei jedoch zu beachten ist, dass diese Methoden mit einem großen Standardfehler der Schätzung verbunden sind. Es wird außerdem empfohlen, diese Gleichungen auf ähnliche Populationen anzuwenden wie die Populationen, die bei der Ableitung der Gleichung verwendet wurden.⁽¹⁴⁾
  • HR_max = 220 – Alter in Jahren (dies ist die gebräuchlichste und am weitesten verbreitete Formel)⁽¹⁵⁾
    • Diese Formel wird immer noch im klinischen Bereich verwendet. Es wurde jedoch berichtet, dass es bei jüngeren und älteren Bevölkerungsgruppen Abweichungen und Über- und Unterschätzungen der maximalen Herzfrequenz gibt.⁽¹⁶⁾
  • HR_max = 208 – (0,7 x Alter in Jahren) – dies ist eine präzisere Formel, die für Personen über 40 Jahre angepasst wurde⁽¹⁷⁾
  • HR_max = 211 – (0,64 x Alter in Jahren) – noch präzisere Formel, angepasst für allgemein aktive Menschen⁽⁷⁾
• Ermittlung der HR_max:
  • Laborumgebung
    • Stufenbelastungstest⁽¹⁶⁾
  • Feldtest
    • Lauf- und Fahrradprotokolle
• Die Messung der HR_max hilft medizinischen Fachkräften, die kardiovaskuläre Compliance bei Belastungstests, die Anstrengung während des Trainings und die Trainingsverordnung zu bestimmen.⁽¹⁶⁾

⁽¹⁸⁾

Herzfrequenz im Steady-State (edit | edit source)

• Steady State = „ein Zustand, in dem der Energieverbrauch während des Trainings mit der für die Durchführung dieses Trainings erforderlichen Energie ausgeglichen ist und die Faktoren, die für die Bereitstellung dieser Energie verantwortlich sind, ein erhöhtes Gleichgewicht erreichen.“
• Steady-State-Herzfrequenz = optimale Herzfrequenz zur Deckung des Kreislaufbedarfs bei einer bestimmten submaximalen Arbeitsbelastung/Intensität
• Die Steady-state-Herzfrequenz hängt mit der Effizienz des Herzens und dem Gleichgewicht zwischen erhöhter Kontraktilität und erhöhtem Schlagvolumen zusammen.
  Daher wird die Herzfrequenz bei jeder gegebenen Arbeitsbelastung so niedrig wie möglich gehalten – dies wird durch eine verbesserte Kontraktilität und ein erhöhtes Schlagvolumen erreicht.
  • Ein erhöhtes Schlagvolumen resultiert aus einer Zunahme des venösen Rückflusses, was wiederum das linksventrikuläre enddiastolische Volumen (Vorlast) erhöht.
    Die erhöhte Vorlast dehnt das Myokard, wodurch es sich stärker zusammenzieht (verbesserte Kontraktilität) (gemäß dem Frank-Starling-Gesetz).

⁽¹⁹⁾

• Die Herzfrequenz im Steady-State hilft bei der Vorhersage der funktionellen Belastbarkeit

Maximaler Sauerstoffverbrauch (VO2_max)(edit | edit source)

• Die VO2_max ist der Goldstandard zur Beurteilung der aeroben Trainingskapazität⁽²⁰⁾
• Sie ist das Produkt aus maximalem Herzminutenvolumen (Q) und arteriovenöser Sauerstoffdifferenz (a – vO2)⁽²¹⁾
• Sie ist die maximale Fähigkeit des Körpers, Sauerstoff für die Energieerzeugung zu verbrauchen (absorbieren, abgeben und nutzen)⁽²⁰⁾
• Lesen Sie mehr: VO2 Max

VO2_max = HR_max x SV_max x (a-vO2)_max = Q x (a -vO2)_max

Schlagvolumen ( edit | edit source )

• Schlagvolumen = „das Blutvolumen, das bei jeder systolischen Herzkontraktion aus der linken Herzkammer gepumpt wird“⁽²²⁾
• Das enddiastolische Volumen (EDV) ist abhängig von der Herzfrequenz, dem Fülldruck und der ventrikulären Compliance⁽²³⁾
• Das endsystolische Volumen (ESV) ist abhängig von der Nachlast und der Kontraktilität⁽²³⁾
• Schlagvolumen (SV) in Ruhe: 60-100 ml/Schlag
• Maximales Schlagvolumen: 100-120ml/Schlag
• Erreicht einen Maximalwert bei etwa 50 % der maximalen Anstrengung

SV = EDV – ESV⁽²²⁾

⁽²⁴⁾

Regulierung des Schlagvolumens (edit | edit source)

• Enddiastolisches Volumen (EDV)⁽²³⁾
  • Blutvolumen in den Herzkammern (Ventrikeln) am Ende der Diastole („Vorlast“)

• Durchschnittlicher Aortenblutdruck⁽²³⁾
  • Der Druck, gegen den das Herz pumpen muss, um Blut auszustoßen („Nachlast“)
  • Erhöhte Nachlast = verringertes Schlagvolumen (in der Regel bei kranken Personen und nicht bei gesunden Sportlern)

• Stärke der ventrikulären Kontraktion⁽²³⁾
  • „Kontraktilität“

Enddiastolisches Volumen (edit | edit source)

• Frank-Starling-Mechanismus
  • Eine höhere Vorlast führt zu einer Dehnung der Ventrikel und einer stärkeren Kontraktion⁽²⁵⁾

• Beeinflusst durch:
  • Vasokonstriktion
  • Skelettmuskelpumpe
  • Atemmuskelpumpe

Herzminutenvolumen ( edit | edit source )

• Das Herzminutenvolumen ist die Menge an Blut, die das Herz in 1 Minute pumpt⁽²²⁾
• Herzminutenvolumen (Q) = Herzfrequenz (HR) X Schlagvolumen (SV)⁽²³⁾
• Ruhezustand: 5 L/min
• Maximal: 20 L/min oder mehr
• Bis zu etwa 50 % der maximalen Anstrengung tragen sowohl HR als auch SV zu einer Erhöhung von Q bei ⁽²³⁾

Herzfrequenz, Schlagvolumen und Herzminutenvolumen – integrierte kardiale Reaktion auf körperliche Belastung (edit | edit source)

Nehmen wir folgendes Beispiel: Eine Person befindet sich in einer halbliegenden Position, wechselt dann in eine sitzende Position und schließlich in eine stehende Position. Das Herz reagiert auf diese Positionsveränderungen wie folgt:⁽²³⁾

• In der halbliegenden Position ist die Herzfrequenz am niedrigsten (z. B. 50 Schläge/min)
• In der sitzenden Position steigt die Herzfrequenz etwas stärker an (z.B. 55 Schläge/min)
• Im Stehen steigt die Herzfrequenz weiter an (z.B. 60 Schläge/min)
• Erläuterung:⁽²³⁾
  • Durch das Aufstehen verstärkt sich die venöse Blutansammlung in den Körperteilen, die am stärksten nach unten gerichtet sind
    • Durch die Positionsänderungen vom Liegen zum Sitzen zum Stehen bewirkt die Schwerkraft eine Blutansammlung in den Beinen, sodass weniger Blut zum Herzen zurückfließt.
  • Diese Umverteilung des Blutes führt zu einer Verringerung des intrathorakalen Blutvolumens, das zum Herzen zurückfließt. Durch den Frank-Starling-Mechanismus führt dies zu einer Verringerung des Schlagvolumens (um 30% bis 40%)
  • Um die Verringerung des Schlagvolumens auszugleichen, erhöht sich die Herzfrequenz, um das Herzminutenvolumen aufrechtzuerhalten.
  • Das Schlagvolumen steigt wieder an, wenn man sich wieder in Rückenlage begibt, als Reaktion auf den erhöhten venösen Rückfluss

Nehmen wir das folgende Beispiel: Eine Person steht, beginnt dann zu gehen, joggt dann in mäßigem Tempo und beginnt schließlich, schnell zu laufen. Das Herz wird folgendermaßen reagieren:

• Im Stehen ist die Herzfrequenz am niedrigsten (z. B. 60 Schläge/min)
• Gehen – die Herzfrequenz steigt (z. B. 90 Schläge/min)
• Joggen in mäßigem Tempo – die Herzfrequenz steigt weiter (z. B. 140 Schläge/min)
• Schnelles Laufen – weitere Erhöhung der Herzfrequenz (z. B. 180 Schläge/min)
• Erläuterung:⁽²³⁾
  • Die Herzfrequenz steigt proportional zur Intensität der körperlichen Belastung
  • Die anfängliche Erhöhung der Herzfrequenz (bis zu etwa 100 Schläge/min) wird durch eine Reduktion des parasympathischen Tonus ausgelöst
  • Eine verstärkte Aktivierung des sympathischen Nervensystems führt zu einer weiteren Erhöhung der Herzfrequenz
  • Das Schlagvolumen steigt mit der körperlichen Belastung und damit auch das Herzminutenvolumen

Bei untrainierten Personen ist das erhöhte Herzminutenvolumen in der Anfangsphase der Belastung auf die erhöhte Herzfrequenz und das erhöhte Schlagvolumen zurückzuführen. Das Schlagvolumen steigt proportional mit zunehmender Belastungsintensität, aber bei untrainierten Personen wird das maximale Schlagvolumen normalerweise bei 40–60 % der VO2_max erreicht. Danach ist eine Erhöhung des Herzminutenvolumens meist das Ergebnis einer erhöhten Herzfrequenz. Hoch trainierte Athleten sind jedoch in der Lage, das Schlagvolumen weiter zu erhöhen.⁽²³⁾

Blutdruck ( edit | edit source )

• Systolischer Blutdruck (SBD)
  • Bei Ausdauertraining steigt der SBD direkt proportional zur Steigerung der Trainingsintensität an⁽²⁶⁾
• Diastolischer Blutdruck (DBD)
  • Leichter Anstieg oder Abfall oder keine Veränderung
• Lesen Sie mehr: Blutdruck

Arteriovenöse Sauerstoffdifferenz (a-vO2) (edit | edit source)

• Arteriovenöse Sauerstoffdifferenz = die Menge an Sauerstoff, die dem Blut auf seinem Weg durch den Körper entzogen wird⁽²³⁾
• Berechnet als Differenz zwischen dem Sauerstoffgehalt von arteriellem Blut und venösem Blut
• Steigt mit zunehmender körperlicher Belastung an, da dem Blut mehr Sauerstoff entzogen wird
  • In Ruhe: (20ml O2/100ml – 15ml O2/100ml) = 5ml O2/100ml
  • Bei maximaler Belastung: (20 ml O2/100ml – 5 mlO2 ml/100ml) = 15 ml O2/100 ml

⁽²⁷⁾

Lungenventilation (Ve) (edit | edit source)

• Ve = Atemfrequenz (AF) x Atemzugvolumen (AZV)
  • AZV = Luftvolumen, das bei einem Atemzug eingeatmet wird
• Zu Beginn der körperlichen Belastung kommt es zu einem sofortigen Anstieg der Ventilation
  • Dies ist auf die Ausdehnung des Atemzugvolumens und eine Zunahme der Atemfrequenz zurückzuführen⁽²⁸⁾
• Mit fortschreitender Belastung erzeugt der erhöhte Stoffwechsel CO2 und Wasserstoff (H). Dies stimuliert die peripheren Chemorezeptoren in den Karotiskörpern und die zentralen Chemorezeptoren, um das Atemzentrum im Gehirn zu aktivieren.⁽²³⁾
• Wenn die Belastung aufhört, kehrt die Lungenventilation langsamer zur Normalität zurück.
• Atemreaktion auf leichte, mäßige und hochintensive körperliche Aktivität:⁽²³⁾
  • Es gibt einen anfänglichen steilen Anstieg, danach pendelt sich die Atemfrequenz bei einem stabilen Wert für leichte und mäßige körperliche Aktivität ein
  • Bei hochintensiver körperlicher Aktivität erreicht die Atemfrequenz kein Plateau (sie steigt bei hochintensiver körperlicher Aktivität weiter an)

Blutfluss (edit | edit source)

Die Blutflussmuster ändern sich von einem Ruhezustand zu körperlicher Belastung:⁽²³⁾

• In Ruhe gehen 15-25 % des Herzminutenvolumens (Q) an die Skelettmuskulatur
• Bei körperlicher Belastung werden 85–90 % des Herzminutenvolumens an die Skelettmuskulatur abgegeben
• Der Blutfluss zum Herzen erhöht sich um das 5-fache
• Der Blutfluss zur Haut, zu den Nieren, zur Leber und zu den Eingeweiden nimmt bei körperlicher Belastung ab
• Der Blutfluss zum Gehirn ändert sich nur geringfügig

Übergang von Ruhe zu Belastung und von Belastung zu Regeneration (edit | edit source)

• Es gibt intensitätsabhängige Anpassungen von HR, SV, Q, SBP, RR, Ve und VO2
• Plateau bei submaximaler Belastung (d.h. unterhalb der Laktatschwelle)
• Die Regeneration hängt ab von:
  • Dauer und Intensität der Belastung
  • Trainingszustand der Person

Längere Belastung und kardiovaskulärer Drift (edit | edit source)

Bei längerem Ausdauertraining in der Steady-State-Zone nimmt das Schlagvolumen allmählich ab und die Herzfrequenz steigt an. Dadurch bleibt das Herzminutenvolumen konstant. Auch der arterielle Blutdruck sinkt. Der Anstieg der Herzfrequenz bei längerer Belastung wird als „kardiovaskulärer Drift“ bezeichnet und ist auf Dehydratation, erhöhte Hautdurchblutung (steigende Körpertemperatur) und eine Abnahme des venösen Rückflusses zurückzuführen.⁽²³⁾

Kardiovaskulärer Drift = der Anstieg der Herzfrequenz im Laufe der Zeit, verbunden mit einer fortschreitenden Abnahme des Schlagvolumens und einer kontinuierlichen Aufrechterhaltung des Herzminutenvolumens.

⁽²⁹⁾

Zusammenfassung der akuten physiologischen Reaktionen auf körperliche Belastung (edit | edit source)

• Exercise Pressor Reflex (EPR)
  • Ausgelöst durch Muskelkontraktion
    • Muskelrezeptoren werden durch Verformung der Muskulatur (mechanisch) oder Stoffwechselnebenprodukte (metabolisch) stimuliert – afferente Signalübertragung an das zentrale Nervensystem (ZNS)
  • Phänomene des sympathischen Nervensystems
    • Generalisierte Vasokonstriktion in nicht aktiver Skelettmuskulatur
    • Erhöhte Kontraktilität des Herzmuskels
    • Erhöhte HR
    • Erhöhter systolischer Blutdruck
    • Erhöhte und Umverteilung von Q
    • Reaktion = Trainingsintensität
• Eine große Herausforderung für die Homöostase, die durch körperliche Belastung entsteht, ist der erhöhte Sauerstoffbedarf der Muskeln
• Bei schwerer körperlicher Belastung kann der Sauerstoffbedarf 15- bis 25-mal höher sein
• Zwei wichtige Anpassungen des Blutflusses während des Trainings sind:
  • Erhöhtes Herzminutenvolumen
  • Umverteilung des Blutflusses
• Abhängig von:
  • Art, Intensität und Dauer der Belastung
  • Umweltbedingungen
  • Emotionaler Einfluss

Tabelle 1. Akute physiologische Reaktionen auf körperliche Arbeit

Kardiovaskuläres System	Erhöhte Herzfrequenz Erhöhtes Schlagvolumen Erhöhtes Herzminutenvolumen Erhöhter Blutdruck (systolisch) Umverteilung des Blutflusses zu den arbeitenden Muskeln Erhöhte arteriovenöse Sauerstoffdifferenz
Atmungssystem	Erhöhte Atemfrequenz Erhöhtes Atemzugvolumen bei niedriger Trainingsintensität steigen Atemzugvolumen und Atemfrequenz proportional an bei hochintensiver körperlicher Belastung bleibt das Atemzugvolumen auf einem Plateau, und der weitere Anstieg der Ventilation ist auf den Anstieg der Atemfrequenz zurückzuführen Erhöhte Ventilation Erhöhte pulmonale Diffusion Erhöhte Sauerstoffaufnahme
Muskulatur	Verstärkte Rekrutierung von motorischen Einheiten und Muskelfasern Erhöhter Blutfluss zu den Muskeln Erhöhte arteriovenöse Sauerstoffdifferenz Erhöhte Muskeltemperatur Erhöhte Aktivität der Muskelenzyme Erhöhte Sauerstoffversorgung und -nutzung Verringerte Muskelsubstratwerte

Referenzen(edit | edit source)