Molekulare Sport- und Leistungsphysiologie

Die DNA stellt den molekularen Grundbaustein der Erbinformation oder den Bauplan eines Organismus dar. Die Mechanismen zur Weitergabe der genetischen Information liegen im strukturellen und organisatorischen Aufbau der menschlichen DNA begründet. Während die Genetik vor allem den Genotyp betrachtet, ist der Phänotyp die Erscheinungsform nach außen, die normalerweise gut an die jeweiligen Umweltbedingungen angepasst ist. Doch innerhalb einer Population herrscht meist eine enorme genetische Vielfalt, was die unterschiedlichen Phänotypen zwischen den Individuen erklären kann, aber auch Grundlage der Evolution ist. Die Populationsgenetik hat es sich zur Aufgabe gemacht, Veränderungen in Populationen über einen großen Zeitrahmen hinweg zu untersuchen. Epigenetische Mechanismen letztlich bedingen eine Modifikation in der Struktur des Chromatins und stellen so vererbbare Veränderungen der Genfunktion dar, welche nicht durch Veränderungen der DNA-Sequenz erklärt werden können.

Transkription (das Ablesen bestimmter Gene von der DNA) und Translation (Übersetzen des Transkriptionsproduktes in ein Protein) werden unter dem Begriff Genexpression zusammengefasst Da bestimmte Proteine jeweils zum richtigen Zeitpunkt in den richtigen Zellen gebildet werden müssen, ist die Regulierung der Genexpression von essentieller Bedeutung – nicht nur in der Anpassung an sportliche Belastungen. Doch nicht nur der Aufbau, sondern auch der Abbau von Proteinen unterliegt einem koordinierten Prozess, wodurch gezielt nicht mehr benötigte oder funktionsuntüchtige Proteine wieder eliminiert werden können.

Während in Kap. 1 die genetischen Grundlagen und in Kap. 2 die generellen Mechanismen der Genexpression vermittelt wurden, widmen wir uns hier ganz allgemein der Frage, wie ein Signal von außen in das Zellinnere weitergeleitet wird. Die Zielzelle reagiert auf diese Signale mit einer Anpassung. In dieser Signalübertragung ist die Bindung der Signalmoleküle (primäre Messenger, Ligand) an einen Oberflächenrezeptor von wesentlicher Bedeutung. Danach muss das Signal über verschiedene Signalwege an Effektorproteine im Inneren der Zelle weitergegeben werden. Letztlich kommt es zur Bildung von Molekülen, die in den Zellkern gelangen können und dort mit der DNA interagieren und die Genexpression und somit die Antwort der Zelle auf die ursprünglichen Signale einleiten.

Herz-Kreislauf und Atmung sind Systeme, die jede Zelle des menschlichen Körpers, so auch die arbeitende Skelettmuskulatur, mit Sauerstoff und energiereichen Substraten für den aeroben Stoffwechsel versorgen und Stoffwechselendprodukte zur Metabolisierung transportieren. Sie unterliegen einer Gesetzmäßigkeit zur Funktions- (Prävention) und Morphologie-Maximierung, auch bei langdauernder körperlicher Inaktivität, nach Erkrankungen und Verletzungen. In den physiologischen und pathologischen Regelkreisen der Organsysteme sind Hormone, Substrate, Enzyme, Zytokine, und Botenstoffe auf molekularer Ebene (z. B. miRNA), eingeschaltet, um funktionelle Abläufe zu steuern. In diesem Kapitel wird von einfachen physiologischen Abläufen des Herz-Kreislaufsystems auf morphologische Veränderungen eingegangen, welche bei regelmäßiger körperliche Aktivität und Training erfolgen. Diese Regulations- und Adaptationsmechanismen werden hinsichtlich der prädisponierenden genetischen Voraussetzung wie auch der molekularen Abläufe dargestellt. Aufgrund der zentralen Bedeutung des Herzens wird auf physiologische und pathologische Veränderungen funktioneller wie morphologischer Art eingegangen. Es werden die wesentlichen diagnostischen Kriterien von EKG und der Ergometrie besprochen. Dazu gehören auch jene Gene, welche für Herz-Kreislauf-Erkrankungen verantwortlich sind und in Kap. 16 ausführlich dargestellt werden.

Der Muskel ist neben dem Gehirn das wichtigste Sportorgan. Die Motorzentren im Gehirn und Rückenmark innervieren über Motoneurone die Muskelfasern, um die 640 Muskeln im menschlichen Körper zu aktivieren. Es wird geschätzt, dass es im Rückenmark ≈120.000 Motoneuronen gibt, die ≈100 Millionen Muskelfasern innervieren. Dieses Kapitel beschreibt den Lebenszyklus der Muskelzelle sowie die Struktur und den molekularen Aufbau der quergestreiften Muskulatur. Dabei werden Faktoren beschrieben, die von der Differenzierung der muskulären Stammzelle (Satellitenzelle) bis zur ausgeprägten Muskelfaser auf diese Einfluss nehmen. Außerdem ist die molekulare Reaktion der Muskulatur auf außergewöhnliche Umwelteinflüsse wie Verletzungen und deren Reparatur bzw. Regeneration Teil dieses Einführungskapitels. Darüber hinaus werden Aspekte aus der klassischen Muskel- und Sportphysiologie diskutiert. Dies beinhaltet die Thermodynamik und den Energiestoffwechsel des Muskels, die Funktion von α-Motoneuronen und den unterschiedlichen Muskelfasertypen bei einer Kontraktion.

Dieses Kapitel zeigt neben einer basisphysiologischen Einführung in die molekularen Mechanismen des Nervensystems vor allem dessen Plastizität und Adaptationsfähigkeit durch körperliche Belastungen. Zunächst wird auf die kurzfristigen Änderungen des Nervensystems durch Ermüdung eingegangen. In weiterer Folge werden längerfristige Adaptionen durch spezielle Trainingsformen erörtert. Der Einfluss zentraler Mechanismen auf die Trainierbarkeit der Skelettmuskulatur lässt sich am Beispiel des ideomotorischen Trainings untermauern. Es wurde gezeigt, dass durch Bewegungsvorstellungen Veränderungen in jenen Zonen im Kortex erzielt werden können, welche an der Bewegungssteuerung und somit auch am koordinativen Ablauf beteiligt sind.

Anpassungen des Bindegewebes an mechanische Belastungen in Muskeln, Sehnen, Bändern oder Knochen führen zu einer gesteigerten Synthese und zum Umsatz von Matrixproteinen, einschließlich des Kollagens. Regelmäßiges Belasten des Gewebes, wie zum Beispiel durch körperliches Training, führt zu einem gesteigerten Umsatz von Kollagen und einer Netzkollagensynthese und steht im Zusammenhang mit einer Anpassung der mechanischen Eigenschaften des Gewebes, die potenziell zu einem belastungsresistenteren Gewebe führt. Die Anpassungszeit des Bindegewebes an chronische Belastung ist verglichen mit jener von kontraktilen Elementen der Skelettmuskulatur oder des Myokards länger.

Wachstumsfaktoren sind Proteine, agieren als Signalvermittler und können Zellen spezifischer Gewebe auf unterschiedliche Art und Weise in unterschiedliche Richtungen beeinflussen. Sie sind daher u. a. beim Wachstum, der Erhaltung von Geweben sowie bei der Heilung von Verletzungen wichtig. Sie binden an Membranrezeptoren und initiieren teils hochkomplexe Signalwege, wobei sie auf drei verschiedene Arten wirken können: autokrin, parakrin und endokrin. Im vorliegenden Kapitel werden die wichtigsten Wachstumsfaktoren, deren Funktionsweisen und Wirkungen über Signalketten in der Beeinflussung der Gewebetypen Muskulatur, Knochen, Knorpel, Bänder und Sehnen beschrieben. Allerdings muss festgehalten werden, dass viele weitere RCTs notwendig sein werden, um die singuläre oder additive Verwendung von Wachstumsfaktoren in bestimmten regenerativen Phasen derart aufzubereiten, dass sie routinemäßig therapeutisch verwendet werden können.

Die Bedeutung des endokrinen Systems bei sportlicher Betätigung beruht einerseits auf den Veränderungen systemischer Hormonkonzentrationen, welche von Art und Dauer der Belastung abhängig sind, andererseits an deren daraus resultierenden Wirkungen auf verschiedene Stoffwechselprozesse, welche für die Realisierung einer Leistung verantwortlich sind. Bildung und Freisetzung von Hormonen ist durch verschiedene Regelkreise determiniert und unterliegen oftmals einer neuronalen Kontrolle. Die Wirkung der Hormone basiert auf der Vermittlung chemischer Signale, die an den entsprechenden Zellen der Zielorgane über Rezeptoren aufgenommen werden. Wachstum, Entwicklung, Leistungsbereitschaft und Adaptierungsfähigkeit sowie der Alterungsprozess werden damit gesteuert. Dabei ist hervorzuheben, dass sich bei Frauen und Männern bei gleichen physiologischen Mechanismen Wirkungsmechanismen manifestieren können. Im zweiten Teil wird auf die wichtigsten Regelkreise des weiblichen Körpers eingegangen, welche neben ihrer Aufgabe für die Reproduktion in die körperliche und damit in die sportliche Leistungsfähigkeit der Frau eingreifen.

In der Immunologie wird die Abwehr einer Infektion durch den Körper untersucht. Der Mensch ist ständig umgeben von Mikroorganismen, die Krankheiten verursachen können. Das Immunsystem vollführt ein geniales Abwehrprogramm, damit der Mensch trotz ständiger Gefahren nur selten krank wird. Darüber hinaus verfügt unser Körper über die Fähigkeit, sich Infektionskrankheiten, von denen wir einmal betroffen waren, zu merken und eine lang andauernde Immunität dagegen zu entwickeln. Dieses Kapitel beschäftigt sich im ersten Teil mit den Grundlagen des Immunsystems sowie dem akut ablaufenden und erworbenen Immunsystem. Im zweiten Abschnitt werden der Einfluss von akuten und länger andauernden sportlichen Belastungen auf das Immunsystem und einige Studien zu diesem Thema beschrieben. Im letzten Teil dieses Kapitels beschäftigen wir uns mit Inaktivität und dessen Einfluss auf Erkrankungen wie Diabetes, Karzinome, Alter usw. Hier spielt das Immunsystem eine tragende Rolle, weil sowohl durch die Inaktivität selbst sowie auch durch diverse Krankheiten die Immunfunktion verändert bzw. beeinträchtigt ist.

Eine Ausdauerleistung beansprucht bestimmte molekulare und in weiterer Folge auch physiologische Systeme. In diesem Kapitel soll geklärt werden, welche Anpassungsmechanismen bei einer Ausdauerleistung in Gang gesetzt werden. Dabei sind die Mitochondrien die Hauptakteure in diesem speziellen Leistungsbereich. Welche molekularen Kapazitäten diese aufweisen, welche Anpassungsmechanismen stattfinden, sowie die Auswirkungen auf physiologische Systeme wie Blutkreislauf, Herz und Lunge werden in diesem Kapitel behandelt. Darüber hinaus wird auf die spezielle Beanspruchung in extremer Höhe und deren leistungsphysiologische Anpassung genauer eingegangen.

Ziel des Krafttrainings ist es, Muskelmasse und Kraft zu steigern. Um dies zu erreichen, führen Sportler ein progressives Krafttraining durch, um mit hohen Widerständen die Innervation der trainierten Muskeln, die Muskelmasse und die Kraft per Muskelquerschnitt zu erhöhen. Die Trainierbarkeit der Kraft und die absolute Kraft hängen zudem von dem Talent ab, welches von Variationen der DNA-Sequenz abhängt. Krafttraining aktiviert die mTOR-Kaskade und diese Aktivierung ist für die Erhöhung der Muskelmasse und damit die Hypertrophie notwendig. Der Myostatin-Smad-Signalweg reguliert die Muskelmasse auch, doch die Rolle bei der Anpassung an Krafttraining ist unklar. Zum Schluss dieses Kapitels wird auf die Satellitenzellen eingegangen, die bei der Regeneration und Anpassung nach einem Kraftreiz eine Sonderstellung einnehmen.

Die Ernährung des Sportlers stellt neben dem Training eine wichtige Grundlage für die sportliche Leistungsfähigkeit dar. Dabei geht es nicht nur um eine ausreichende Versorgung des Sportlers hinsichtlich des Energie- bzw. Makro- und Mikronährstoffbedarfs, um das Funktionieren der normalen physiologischen Vorgänge zu gewährleisten, sondern vielmehr darum, Stoffwechselwege auf zellulärer Ebene und somit die Anpassungsmechanismen an verschiedene Trainingsreize zu optimieren. Bei ihrem Abbau liefern die Makronährstoffe dem Organismus zum einen Verbrennungsenergie und zum anderen Bausteine, welche dann entweder zur Energiegewinnung weiter zerlegt (kataboler Stoffwechsel) oder zum Aufbau neuer Moleküle (anaboler Stoffwechsel) verwendet werden können. Bezüglich der Sporternährung können Nahrungsergänzungsmittel unter bestimmten Umständen dazu beitragen, die Deckung des Nährstoffbedarfs zu erleichtern bzw. optimieren.

Der biologische Alterungsprozess bezieht sich auf die Funktionsveränderung von Zellen und Organen mit zunehmendem Alter. Die Frage, warum wir altern, ist Kernpunkt der verschiedensten wissenschaftlichen Theorien (Telomerverkürzung, Schädigungen durch oxidativen Stress, Inflammageing etc.), die in diesem Kapitel näher beleuchtet werden sollen. Ein besonderes Augenmerk gilt der Muskulatur, deren Masse und Funktion kontinuierlich abnimmt, ein Erscheinungsbild, das unter dem Begriff Sarkopenie zusammengefasst wird. Neben den aktuellen Trainingsempfehlungen im Alter wird auch kurz auf die Wechselwirkung mit Ernährungssubstraten eingegangen.

In zahlreichen epidemiologischen Studien wurde nachgewiesen, dass körperliche Aktivität einen präventiven Einfluss auf die Entstehung von Tumoren hat. Im ersten Teil dieses Kapitels wird gezeigt, bei welchen Tumoren ein präventiver Einfluss durch körperliche Aktivität berichtet wurde und welche molekularbiologischen Mechanismen hierbei eine Rolle spielen. Auch während bzw. nach einer Tumorerkrankung haben Studien gezeigt, dass durch körperliche Aktivität Folgeerkrankungen reduziert und die aerobe Kapazität sowie die Muskelkraft gesteigert werden. Insgesamt kommt es zu einer Steigerung der Lebensqualität und einer Verbesserung der Prognose. Im zweiten Teil dieses Kapitels wird daher ein Überblick über die internationalen Richtlinien zur Durchführung von körperlicher Aktivität während bzw. nach einer onkologischen Erkrankung gegeben. Danach wird auf einen wesentlichen limitierenden Faktor für das Ausüben von körperlicher Aktivität genauer eingegangen: die Tumorkachexie. Es werden die molekularbiologischen Mechanismen und die Wirkung von körperlicher Aktivität auf diese Prozesse diskutiert.

Regelmäßige körperliche Aktivität hat zahlreiche positive Auswirkungen in der Prävention und Therapie von kardiovaskulären und anderen Erkrankungen. Körperliche Aktivität kann wie ein Medikament mit Wirkung und Nebenwirkungen eingesetzt werden. Kardiale Komplikationen im Sport sind selten, treten sie aber auf, stellen sie ein dramatisches Ereignis dar. Besonders problematisch sind plötzliche Zwischenfälle und der plötzliche Tod im Kindesalter. In diesem Kapitel werden die genetisch bedingten elektrischen und strukturellen Ursachen kardialer Zwischenfälle dargestellt, insbesondere die Ionenkanalerkrankungen und verschiedenen Formen genetisch bedingter Kardiomyopathien sowie die auslösenden Trigger. Ergänzend werden das WPW-Syndrom und das Vorhofflimmern bei Sportlern erläutert; bei beiden Arrhythmien spielen genetische Faktoren teilweise ebenfalls eine Rolle. Die Diagnostik allgemein und die genetische Abklärung werden dargestellt, ebenso die Risikoabschätzung und die Konsequenzen für die sportärztliche Vorsorgeuntersuchung. Ergänzend werden die aktuellen Empfehlungen zur genetischen Untersuchung aufgeführt.

Das Kapitel soll einen Überblick über die Genetik gesundheitsbezogener Fitness einschließlich körperlicher Leistungsfähigkeit und Training aufzeigen. Hierbei werden die neuesten und wichtigsten Erkenntnisse zusammengefasst und ein Ausblick in die Zukunft geben. Ein Großteil der genetischen Daten basiert auf Forschungsergebnissen aus Untersuchungen zu Volkskrankheiten wie Adipositas und Diabetes mellitus Typ 2. Zusätzlich werden die Daten aus den leistungssportassoziierten Untersuchungen zusammengefasst und gewertet. Zahlreiche autosomale mitochondriale Gene mit Assoziation zur körperlichen Leistungsfähigkeit und gesundheitsbezogenen Fitness werden diskutiert. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass die Mehrzahl der genetischen Erkenntnisse aktuell noch auf relativ kleinen Stichproben basiert und daher differenziert zu interpretieren ist.

Umweltfaktoren wie Ernährung und körperliche Aktivität können nicht zuletzt über epigenetische Modifikationen auf die Genexpression verschiedenster Gene und somit auf die Beibehaltung der Gesundheit und die Entwicklung von Krankheiten einwirken. In diesem Kapitel werden epigenetische Mechanismen unter dem Blickwinkel von körperlicher Aktivität betrachtet. Es ist nicht überraschend, dass epigenetische Mechanismen direkt auf den Muskelauf- und -abbau einwirken. Darüber hinaus kommt der Epigenetik bei der positiven Auswirkung eines regelmäßigen Trainings auf die Gehirnfunktion, in der Prävention von Tumorerkrankungen und Diabetes mellitus Typ 2 sowie in der Aufrechterhaltung der Immunfunktion eine nicht unwesentliche Bedeutung zu.