Leistungsphysiologie und Altern

Die Leistungsphysiologie beschäftigt sich damit, wie der Körper sich an die spezifischen Herausforderungen körperlicher Arbeit (z.B. Sport) oder auch besondere äußere Bedingungen (z.B. Aufenthalt in Höhe, Tauchen) anpasst. Dafür ist ein Zusammenspiel aller Organsysteme erforderlich, wobei bei körperlicher Arbeit insbesondere eine Steigerung der Durchblutung, der Sauerstoffausschöpfung und der Stoffwechselleistung relevant sind. Durch regelmäßiges Training können diese Parameter verbessert werden – dies ist auch mittels Untersuchungen wie der Spiroergometrie messbar.

Dieses Kapitel enthält zudem Informationen darüber, welche natürlichen Alterungsprozesse im Körper im Laufe des Lebens stattfinden. Diese Veränderungen betreffen alle Organsysteme und führen auch zu einer Verringerung der körperlichen Leistungsfähigkeit (bspw. durch eine Abnahme der Vitalkapazität mit zunehmendem Alter).

Spezifische Organdurchblutung

Zur Beurteilung der Durchblutung eines Organs reicht es nicht aus, den Anteil am Herzzeitvolumen zu betrachten. Dieser hängt nicht nur vom Bedarf des jeweiligen Organs ab, sondern auch von seiner Größe. Für viele Fragestellungen benutzt man daher die spezifische Organdurchblutung.

• Definition
  • Maß für die Durchblutung eines Organs relativ zu seiner Masse
  • Einheit: mL/(kg × min) oder mL/(100 g × min)
• Beispiele
  • Höchste spezifische Organdurchblutung: Nierenrinde mit über 5.000 mL/(kg × min)
  • Niedrige spezifische Organdurchblutung
    • Skelettmuskel in Ruhe mit 30 mL/(kg × min)
    • Fettgewebe mit 80 mL/(kg × min)

Spezifischer Sauerstoffverbrauch

Der spezifische Sauerstoffverbrauch eines Gewebes korreliert im Allgemeinen mit der Durchblutung - schließlich ist die Sauerstoffversorgung eine wichtige Funktion der Durchblutung. Man kann diese zwei Größen aber nicht gleichsetzen. So ist die Nierenrinde zwar durch die höchste spezifische Organdurchblutung gekennzeichnet, es gibt aber Gewebe mit einem höheren spezifischen Sauerstoffverbrauch, wie z.B. die graue Substanz des Gehirns oder das Myokard.

• Definition
  • Maß für die oxidative Aktivität eines Gewebes (in erster Linie durch die Mitochondrien)
  • Einheit: mL/(kg×min)
• Bestimmung: Messung des Sauerstoffgehaltes vor und nach Durchfluss durch ein Organ
  • Sauerstoffverbrauch des gesamten Körpers: Differenz von arteriellem und gemischtvenösem O₂-Gehalt
    • Normwert: 180–250 mL O₂/min, entspricht einer arteriell-gemischtvenösen Sauerstoffdifferenz von etwa 5 mL O₂/100 mL Blut
    • Steigt durch Belastung an
• Beispiele
  • In Ruhe im Kortex des Gehirns und im Myokard am höchsten mit etwa 100 mL/(kg×min)
  • Höchster spezifischer Sauerstoffverbrauch im belasteten Myokard mit über 500 mL/(kg×min)

Sauerstoffausschöpfung

• Definition
  • Anteil des Sauerstoffs, der dem Blut während der Perfusion eines Organs entzogen wird
  • Ergibt sich aus dem Verhältnis zwischen Sauerstoffangebot und -verbrauch
• Bestimmung: Durch Messung von arteriellem und venösem Sauerstoffgehalt
• Sauerstoffausschöpfung in Ruhe: Für die meisten Organe um 25%
  • Ausnahme: Das Herz hat bereits in Ruhe eine Sauerstoffausschöpfung von 50–70%
• Sauerstoffausschöpfung unter Belastung: Starker Anstieg auf 80% und mehr möglich
• Interpretation: Ermöglicht Rückschlüsse auf das Verhältnis zwischen Sauerstoffangebot und -verbrauch
  • Wenn das Sauerstoffangebot sinkt, sinkt bei gleichbleibendem Verbrauch auch der venöse Sauerstoffgehalt, die Sauerstoffausschöpfung steigt

Respiratorischer Quotient

• Definition: Verhältnis zwischen CO₂-Abgabe und O₂-Aufnahme
  • RQ = V_CO2/V_O2
• Bedeutung: Gibt Aufschluss über die Stoffwechsellage
  • Bei der aeroben Glykolyse wird genauso viel Sauerstoff aufgenommen wie Kohlenstoffdioxid generiert: Reine Kohlenhydratverwertung (RQ=1)
  • Bei der Fettsäureoxidation wird mehr Sauerstoff benötigt als Kohlenstoffdioxid abgegeben: Reine Fettverwertung (RQ=0,7)

CO₂-Produktion (CO₂-Abgabe)

• Definition: Produkt aus alveolärer Ventilation und alveolärer CO₂-Fraktion
  • CO₂-Produktion (V_CO2) = alveoläre Ventilation × alveoläre CO₂-Fraktion
• Bedeutung: Lässt Rückschlüsse auf die CO₂-Produktion unter Belastung zu

Weitere relevante physikalische und physiologische Größen

• Zu physikalischen Grundlagen (Mechanik) siehe: Energie, Arbeit, Leistung
• Zum Gesamtumsatz des Körpers siehe: Energiehaushalt
• Zu den wichtigsten Größen der Herzfunktion siehe: Grundlegende Größen der Herzfunktion
• Zu biochemischen Grundlagen des Muskelstoffwechsels siehe: Bereitstellung von Energie für die Kontraktion

Einige Organe (z.B. die Skelettmuskulatur) steigern ihren Verbrauch unter Belastung, während andere Organsysteme (z.B. das Verdauungssystem) eher in körperlicher Ruhe aktiv sind. Dies wird zum einen über das vegetative Nervensystem gesteuert, zum anderen findet lokal eine metabolische Autoregulation statt. Es folgt ein Überblick über allgemeine Anpassungen unter körperlicher Belastung sowie über Durchblutung, Sauerstoffverbrauch und Stoffwechsel in Ruhe und bei Belastung für die einzelnen Organe und Organsysteme.

Herz und Myokardstoffwechsel

Die Pumpleistung des Herzens wird stets so reguliert, dass sie an den Sauerstoffbedarf der einzelnen Organe bzw. Gewebe angepasst ist. Das Herzzeitvolumen kann sich von ca. 5 L/min in Ruhe auf über 30 L/min bei körperlicher Aktivität steigern. Bei leichter Arbeit mit konstanter Belastung wird ein Plateauwert von Herzfrequenz und Schlagvolumen erreicht. Für schwere Arbeit hingegen existiert ein solches Plateau nicht, sodass die Arbeit bei Erschöpfung pausiert bzw. abgebrochen werden muss.

• Allgemeine Anpassungen unter körperlicher Belastung
  • Sympathikotonus↑
    • Herzfrequenz↑ (positiv chronotrop)
    • Schlagvolumen↑ (positiv inotrop)
    • Herzzeitvolumen↑
• Koronardurchblutung
  • In Ruhe
    • Ca. 5% des Herzzeitvolumens
    • Spezifische Organdurchblutung bereits sehr hoch (zur Pumparbeit und Strukturerhaltung)
  • Bei Belastung: Steigerung der absoluten Durchblutung bis auf das 6-Fache möglich
  • Regulation
    • Lokal: Metabolische Autoregulation durch Stoffwechselprodukte (Adenosin↑, CO₂↑, pH↓) und chemische Autoregulation mittels NO-Freisetzung durch Koronarendothelzellen → Vasodilatation der Koronarien
    • Systemisch: Durch Aktivierung des sympathischen Nervensystems
      • Folge: Sympathikotonus↑ → Noradrenalin- und Adrenalinausschüttung↑ → Herzleistung↑ , O₂-Verbrauch↑
      • Erhöhung der Koronardurchblutung: Durch β₂-Adrenozeptor-vermittelte Vasodilatation erhöht sich der Blutfluss
• Sauerstoffausschöpfung
  • In Ruhe
    • Bereits hoch (50–70%), daraus ergibt sich, dass der koronarvenöse O₂-Partialdruck bei <40 mmHg liegt
    • Bei höherem Bedarf kaum Reserven
  • Bei Belastung
    • Steigerung kaum möglich → Mehr Perfusion für ausreichende Versorgung
• Spezifischer Sauerstoffverbrauch
  • In Ruhe ca. 100 mL/(kg × min) und damit sehr hoch!
  • Bei Belastung weitere Erhöhung auf das 5-Fache
• Stoffwechsel
  • Flexibel bzgl. der Energieträger: Verwertet Glucose, Lactat, freie Fettsäuren und Ketonkörper
  • Bei körperlicher Arbeit verbraucht das Herz das von den Muskeln produzierte Lactat

Die Verteilung des Herzzeitvolumens auf die verschiedenen Organsysteme kann sich dem jeweiligen Bedarf anpassen!

Kreislauf und Blutdruck

• Allgemeine Anpassungen unter körperlicher Belastung
  • Aktivierung des sympathischen Nervensystems (Sympathikotonus↑ → Noradrenalin- und Adrenalinausschüttung↑ → Systolischer Blutdruck↑)
    • Statische Arbeit
      • HZV↑ + totaler peripherer Widerstand↑ → Systolischer und diastolischer Blutdruck↑
    • Dynamische Arbeit
      • Die Sympathikusaktivierung führt zu einer Vasokonstriktion; aufgrund lokaler Veränderungen (z.B. von Lactat, pH-Wert) kommt es aber zur Vasodilatation der arbeitenden Muskulatur → Gering erhöhter oder sogar erniedrigter totaler peripherer Widerstand → Diastolischer Blutdruck bleibt etwa gleich
      • HZV↑ → Systolischer Blutdruck↑
      • Folge: Blutdruckamplitude↑, leicht erhöhter arterieller Mitteldruck

Lunge und Lungenstoffwechsel

• Allgemeine Anpassungen unter körperlicher Belastung
  • Atemfrequenz↑
  • Atemzugvolumen↑
  • Atemzeitvolumen↑
    • Bedarfsgerechte Mehrventilation (Hyperpnoe) unterhalb der anaeroben Schwelle
      • Zu Beginn Abnahme des Atemäquivalents für O₂ und CO₂ (verbesserter Gasaustausch), bei längerer Belastung Anstieg
    • Überproportionaler Anstieg des Atemzeitvolumens (Hyperventilation) oberhalb der anaeroben Schwelle
• Durchblutung
  • Allgemein: Wird vom gesamten HZV durchblutet
  • Bei Belastung: Über Zunahme des HZV auch Zunahme der Lungendurchblutung (in gleichem Umfang)
    • Bei zunehmender Durchblutung wird der Gefäßwiderstand gesenkt
  • Bei Minderbelüftung: Lokale Vasokonstriktion bei sinkendem alveolären Sauerstoffpartialdruck (Euler-Liljestrand-Mechanismus)

Gehirn und Gehirnstoffwechsel

• Durchblutung
  • In Ruhe
    • Hohe Durchblutung: Hohe Stoffwechselaktivität, Betrieb von Ionenpumpen, Strukturerhaltung
    • Trotz geringem Gewicht hoher Anteil am Herzzeitvolumen (ca. 15%)
  • Bei körperlicher Belastung
    • Nur gering variabel: Maximal 4-fach gesteigerte Durchblutung möglich
    • Durchblutung wird nicht gesenkt (empfindlichstes Organ!)
  • Regulation
    • Ausgeprägte Autoregulation der Durchblutung durch die Arteriolen: Perfusion relativ unabhängig vom Kreislauf; im Bereich des mittleren arteriellen Blutdrucks von 50 bis 150 mmHg kann die Hirndurchblutung durch Vasokonstriktion (bei Druckzunahme) und Vasodilatation (bei Druckabnahme) konstant gehalten werden (siehe auch: Bayliss-Effekt)
• Spezifischer Sauerstoffverbrauch
  • Graue Substanz: Sehr hoher spezifischer Sauerstoffverbrauch
  • Weiße Substanz: Niedrigerer Verbrauch
• Stoffwechsel
  • Normalerweise fast ausschließlich Glucose
  • In Mangelsituationen auch Ketonkörper
  • Andere Energieträger kaum verwertbar

Stoffwechsel des Verdauungssystems

• Durchblutung
  • In Ruhe: Hohe Durchblutung bei starker Stoffwechselaktivität und zur Nährstoffresorption (ca. 30% des HZV)
  • Bei körperlicher Belastung: Reduktion der Durchblutung durch Vasokonstriktion: Umverteilung auf andere Organsysteme (insb. Skelettmuskulatur)!
  • Regulation: Vasokonstriktion über α₁-Adrenozeptoren unter Belastung

Ischämische Kolitis
Eine ischämische Kolitis ist eine Entzündung der Darmschleimhaut, die durch einen Sauerstoffmangel ausgelöst wird. Sie kann v.a. bei älteren Menschen mit Gefäßkrankheiten beobachtet werden, aber auch junge Menschen unter starker Belastung betreffen (z.B. im Rahmen eines Marathonlaufs). Durch die Umverteilung des Herzzeitvolumens zugunsten der Muskulatur kommt es zu einer Mangeldurchblutung des Darms.

Niere und Nierenstoffwechsel

• Durchblutung
  • In Ruhe
    • Hohe Durchblutung (ca. ¼ des Herzzeitvolumens): Viel Stoffwechselaktivität und energieabhängige Ionenpumpen
    • Sehr hohe spezifische Durchblutung: Ca. 400 mL/min/100 g
    • Ca. 1 L Blut/min fließt durch die Nieren
  • Bei Belastung: Durchblutung weitestgehend konstant (durch myogene Autoregulation)
• Sauerstoffausschöpfung: Sehr niedrig, beim Durchfluss durch die Nieren wird nur ein geringer Teil des sehr großen Sauerstoffangebots verbraucht
• Spezifischer Sauerstoffverbrauch
  • Sehr hoch in der Nierenrinde (dort Hauptteil der Stoffwechselaktivität)
  • Im Nierenmark deutlich geringer

Stoffwechsel der Skelettmuskulatur

• Durchblutung
  • In Ruhe
    • Geringe spezifische Durchblutung (kaum Aktivität, nur Strukturerhaltung)
    • Aufgrund der großen Masse relevanter Anteil am HZV (grob 15–20% je nach Konstitution)
  • Bei Belastung
    • Extreme Steigerungsfähigkeit: Durchblutung bis zu 20× höher unter Maximallast!
    • Unter Maximallast größter Anteil am HZV
• Regulation
  • Metabolische Autoregulation: Unter Belastung anfallende Stoffwechselprodukte (u.a. Adenosin, CO₂) → Lokale Vasodilatation → Durchblutung↑
  • Aktivierung des sympathischen Nervensystems und Erhöhung des HZV
• Spezifischer Sauerstoffverbrauch
  • In Ruhe gering (nur zur Strukturerhaltung)
  • Unter Belastung massive Zunahme durch oxidativen Energieträgerabbau: O₂-Bedarf bis auf das 50-Fache erhöht!
• Stoffwechsel
  • Energiebereitstellung
    • Initial über ATP-Reserven, anschließend über Kreatinphosphat und anaerobe Glykolyse
    • Bei länger anhaltender Belastung: Über aerobe Glykolyse und Fettsäureoxidation
    • Bei Überschreitung der Dauerleistungsgrenze: Über anaerobe Glykolyse weitere Lactatproduktion mit möglicher metabolischer Azidose bzw. Abbruch der Arbeit
    • Für weitere Informationen siehe: Bereitstellung von Energie für die Kontraktion

Stoffwechsel der Haut

Die Haut verbraucht nur wenig Sauerstoff und Energieträger, ihre Durchblutung dient vordergründig der Wärmeregulation.

• Durchblutung
  • In Abhängigkeit von Körper- und Umgebungstemperatur
  • Keine direkte Belastungsabhängigkeit
  • Starke Steigerungen möglich in Extremsituationen (wie Sauna): Bis auf 5 L/min
• Regulation der Durchblutung: Bei Belastung bewirkt das sympathische Nervensystem eine Vasokonstriktion in der Haut über α₁-Adrenozeptoren
  • Durchblutung der Haut hat niedrige Priorität
  • Bei erhöhtem Bedarf wird das Blut in andere Organe umverteilt (Zentralisierung) → Blasse Haut
• Spezifischer Sauerstoffverbrauch: Sehr gering (kaum Stoffwechselaktivität)
• Wärmehaushalt: Dynamische Arbeit führt im Rahmen der Thermoregulation zum Anstieg der Körperkerntemperatur

Die durch dynamische Arbeit entstehende Wärme stellt für den Organismus eine erhebliche Belastung dar!

Vegetatives Nervensystem und Hormone

• Herz-Kreislauf-Aktivierung durch Sympathikusaktivierung und verstärkte Adrenalinausschüttung
• Energiebereitstellung durch erhöhte Blutzucker- und Fettsäurespiegel aufgrund von
  • Glucagon↑
  • Wachstumshormon↑
  • Cortisol↑ (mit deutlichem zeitlichem Abstand)
• Verstärkte Wasser- und Salzresorption in der Niere, um den durch Schwitzen verursachten Salz- und Wasserverlust zu reduzieren
  • ADH↑
  • Aldosteron↑

Organstoffwechsel im Vergleich

Trainingseffekte

Durch regelmäßiges Training kann sich der Körper an erhöhte Anforderungen anpassen. Durch aerobes Training (Ausdauertraining) verbessern sich vor allem die Herz-Kreislauf-Parameter, bei anaerobem Training (Krafttraining) in erster Linie die Koordination und Anzahl der Aktin- und Myosinfilamente. Diese Trainingseffekte zeigen sich insbesondere bei körperlicher Arbeit, einige sind jedoch auch in Ruhe sichtbar.

Herz

• Vergrößertes Schlagvolumen durch:
  • Dilatation des Herzens
  • Hypertrophie der Wandmuskulatur
• Herzgröße und - gewicht steigt
• Herzfrequenz: In Ruhe wegen des vergrößerten Schlagvolumens erniedrigt

Kreislauf

• Blutdruck sinkt
• Plasmavolumen steigt
• Erythrozytenzahl bleibt konstant

Lunge

• Maximale Sauerstoffaufnahme kann um bis zu 20% steigen
• Atemzeitvolumen kann sich bei Belastung noch weiter steigern, gleichzeitig ist es durch die bessere Sauerstoffaufnahme bei gleicher Leistung niedriger als bei Untrainierten

Skelettmuskulatur

• Verbesserung der Kapillarisierung
• Zunahme der Mitochondriendichte

Leistungsdiagnostik

Die Leistungsdiagnostik umfasst verschiedene Testverfahren, mit denen man die Belastbarkeit und den Leistungsstand ermitteln kann. Sie wird häufig in der Sport- und Arbeitsmedizin eingesetzt. Auch bei kardiopulmonalen Erkrankungen kann eine Leistungsdiagnostik sinnvoll sein, um eine Belastungsempfehlung geben zu können. Die wichtigste Methode ist dabei die Spiroergometrie.

Spiroergometrie

Zur Erfassung der Leistungsfähigkeit eignet sich besonders die Spiroergometrie. Bei diesem Verfahren wird eine Spirometrie vor, während und nach einer körperlichen Belastung (meistens Radfahren auf einem Ergometer) durchgeführt. So können die Auswirkungen der Belastung auf Herz, Kreislauf, Atmung und Stoffwechsel untersucht werden.

• Bestimmung von Parametern
  • Der Lungenfunktion
    • Atemminutenvolumen (V_e), Atemfrequenz (AF)
    • Atemzugvolumen (AZV = V_e / AF)
    • Sauerstoffaufnahme (V_O₂), Kohlenstoffdioxidabgabe (V_CO₂)
    • Alveoläre Sauerstofffraktion: F_AO₂ = F_iO₂ – V_O₂ / V_A (F_iO₂ = Sauerstofffraktion der Inspirationsluft = 0,21, V_A = Alveoläre Ventilation)
    • Alveoläre Kohlenstofffraktion: F_ACO₂= V_CO₂ /V_A
  • Des Energiehaushaltes
    • Respiratorischer Quotient (RQ = V_CO2/V_O2)
      • Überschreiten der Dauerleistungsgrenze: RQ > 1
    • Atemäquivalent für Sauerstoff (AÄ_O₂ = V_e / V_O₂) und Kohlenstoffdioxid (AÄ_CO₂ = V_e / V_CO₂)

Bestimmung der Dauerleistungsgrenze

Dauerleistungsgrenze nennt man die Schwelle, bis zu der statische oder dynamische Arbeit ohne muskuläre Ermüdung über 8 Stunden aufrecht erhalten werden kann. Die Herzfrequenz bleibt dabei konstant auf einem Plateau ("steady state"). Bei einer Belastung, die oberhalb der Dauerleistungsgrenze liegt, treten Ermüdungserscheinungen auf und die Herzfrequenz steigt kontinuierlich an.

• Möglichkeiten zur Bestimmung
  • Ermittlung der anaeroben Schwelle
    • Größte Leistung, die gerade noch in einem Lactatgleichgewicht bewältigt werden kann
    • Methode: Messung des Lactatwerts im Blut unter ansteigender Belastung
  • Ermittlung des respiratorischen Kompensationspunktes
    • Abfall der CO₂-Fraktion in der Exspirationsluft
    • Methode: Spiroergometrie

Unterschiede zwischen Untrainierten und Sportlern in Ruhe und unter Belastung

Durch regelmäßiges Training lässt sich nicht nur die Leistungsfähigkeit steigern, auch in Ruhe macht sich die höhere Belastbarkeit der Sportler gegenüber Nicht-Sportlern bemerkbar.

Das Herzminutenvolumen wird unter Belastung sowohl über eine Zunahme der Herzfrequenz als auch über eine Zunahme des Schlagvolumens gesteigert. Das Schlagvolumen nimmt hierbei jedoch relativ gesehen nur geringfügig zu!

Sowohl beim Tauchen unter Wasser als auch in großer Höhe muss der Körper mit besonderen Druckverhältnissen zurecht kommen. Dazu muss sich insbesondere die Atmung anpassen (vermehrte Atemarbeit), was bei Aufenthalten in der Höhe die körperliche Belastungsfähigkeit und beim Tauchen die Tauchtiefe einschränkt. Bei ungenügender Anpassung kann es in beiden Fällen zu schweren Schäden vor allem an Lunge und Gehirn kommen.

Tauchen

Im Wasser steigt der Umgebungsdruck um ca. 1bar (= 100 kPa) je 10 m Wassertiefe. Dadurch nimmt das Lungenvolumen ab: Nach dem Boyle-Mariotte-Gesetz sinkt bei konstanter Temperatur das Volumen bei steigendem Druck (p × V = konst.). Auch die Partialdrücke steigen, weshalb in großer Tiefe nicht nur Sauerstoff besonders gut aufgenommen wird, sondern auch andere Gase wie bspw. Stickstoff. Dies kann beim Gerätetauchen zum Tiefenrausch und zur Dekompressionskrankheit führen .

• Apnoetauchen
  • Tauchreflex: Sicherstellung der Blutversorgung O₂-sensibler Organe beim Tauchen
    • Vasokonstriktion peripherer Gefäße und folgende Zentralisation des Blutkreislaufs
      • Blood Shift: Verstärkte Durchblutung der Lunge durch ein komplexes Wechselspiel von Druck und Durchblutung
    • Umgebungsdruck↑ → verstärkter venöser Rückstrom → Dehnung des rechten Herzvorhofs → Aktivierung der Vorhofdehnungsrezeptoren (Gauer-Henry-Reflex) → Taucherdiurese
    • Bradykardie und reduzierter kardialer Auswurf
    • Apnoe
  • Verlängerung der Apnoezeit möglich durch Hyperventilation vor dem Abtauchen
• Schnorcheltauchen
  • Pendelatmung durch den Schnorchel erhöht den funktionellen Totraum → Atemzugvolumen steigt (dies limitiert jedoch nicht die Tauchtiefe!)
  • Über den Schnorchel entspricht der intrapulmonale Druck dem atmosphärischen Druck von 100 kPa, während von außen der hydrostatische Druck auf den Thorax einwirkt
    • Ab ca. 40 cm Tauchtiefe: Druckdifferenz kann zu Schäden an den Alveolen führen
    • Ab 1 m Tauchtiefe: Die Atemmuskulatur kann die auf den Thorax wirkende Kraft nicht mehr überwinden

Höhe

Der Standardluftdruck auf Meereshöhe beträgt 100 kPa = 1 bar. Mit steigender Höhe nimmt er jedoch kontinuierlich ab (ca. um die Hälfte alle 5500 m) und damit auch der Partialdruck der einzelnen Gasfraktionen .

• Kurzfristige Umstellungen in großer Höhe
  • Erhöhte Pulsfrequenz
  • Hyperventilation aufgrund des niedrigen arteriellen O₂-Partialdruckes
    • Diese verursacht eine respiratorische Alkalose → Linksverschiebung der Sauerstoffbindungskurve
  • Leistungsabfall: Messbar ab 1.500 m
• Höhenkrankheit
  • Mechanismus: Hypoxische Fehlregulation der Gefäße durch mangelnde Anpassung an niedrigen O₂-Partialdruck und daraus folgender arterieller Sauerstoffsättigung <90% bei zu raschem Aufstieg
  • Folgen
    • Gehirn: Vasodilatation, eingeschränkte Autoregulation, vermutlich erhöhte Permeabilität der Blut-Hirn-Schranke → Leitsymptom Kopfschmerzen (außerdem Appetitlosigkeit, Übelkeit/Erbrechen, Oligurie, Schwindel u.a. unspezifische Symptome möglich)
    • Lunge: Verengung der Lungengefäße → Pulmonale Hypertonie → Anstieg des rechtsventrikulären Drucks im Herzen
    • Übergang in HACE/HAPE möglich (Entstehung von Hirn-/Lungenödem)
• Langfristige Akklimatisation:
  • Vermehrte Synthese von 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG) in den Erythrozyten → Rechtsverschiebung der Sauerstoffbindungskurve
  • Renaler Sauerstoffpartialdruck↓ → EPO↑ → Erythropoese↑ → Hämatokrit↑ → Verbesserte Sauerstoffversorgung der Gewebe

In mittleren Höhen überwiegt die Rechtsverschiebung der Sauerstoffbindungskurve durch 2,3-BPG, in extremen Höhen die Linksverschiebung durch die respiratorische Alkalose!

Alle Körperzellen unterliegen einem natürlichen Alterungsprozess. Dieser entsteht durch die DNA-Schädigung und DNA-Reparaturmechanismen. Diese Veränderungen betreffen alle Organsysteme und führen auch zu einer Verringerung der körperlichen Leistungsfähigkeit.

Knochenskelett

• Veränderungen im Calciumstoffwechsel führen zu einer Abnahme der Knochenmasse und dadurch zu einer höheren Brüchigkeit

Muskulatur

• Atrophie der Muskelfasern und Ersatz der Muskelmasse durch Bindegewebe und Fettzellen → Abnahme der Leistungsfähigkeit

Herz

• Die Wanddicke des linken Ventrikels nimmt zu, die Herzgröße ändert sich dabei nicht
• Schlechteres Ansprechen auf β-adrenerge Reize
• Die maximale Herzfrequenz nimmt ab

Kreislauf und Gefäße

• Sklerosierung sowie Stabilitäts- und Elastizitätsverlust der Arterien
  • Folgen
    • Systolischer Blutdruck steigt und dadurch auch der mittlere arterielle Blutdruck
    • Erhöhtes Risiko für die Bildung von Aneurysmen (z.B. Aortenaneurysma)

Lunge

• Zunahme der Steifheit des Thoraxskeletts und Abbau an elastischen Fasern in der Lunge → Compliance und Elastizität nehmen ab, Vitalkapazität nimmt ab, Atemwegswiderstand nimmt zu, Residualvolumen steigt
• Abnahme der Alveolarsepten und dadurch Zunahme der Alveolengröße → Die Gasaustauschfläche wird kleiner und die maximale Sauerstoffaufnahme ist geringer
• Hustenreflex und Abwehrmechanismen sind abgeschwächt → Erhöhte Anfälligkeit für Infekte

Niere

• Abnahme der glomerulären Filtrationsrate durch:
  • Zunehmende Sklerosierung der Nierengefäße und der Basalmembranen der Nephrone → Pro Nephron wird weniger filtriert
  • Abnahme der Anzahl an Nephronen

Nervenzellen und Sinnesphysiologie

• Verringerte Nervenleitgeschwindigkeit und verzögerte synaptische Übertragung → Reaktionsvermögen nimmt ab
• Presbyakusis: Hohe Frequenzen werden immer schlechter wahrgenommen; auch das Sprachverständnis sinkt
• Presbyopie (Altersweitsichtigkeit): Die Elastizität der Linse nimmt ab, die Akkomodationsbreite sinkt, weshalb sich der Nahpunkt vom Auge weg verschiebt

Intelligenz und Gedächtnis

• Starke interindividuelle Variabilität bezüglich des Abbaus kognitiver Funktionen mit steigendem Alter
  • Protektive Faktoren: U.a. hoher sozioökonomischer Status, häufige und stabile Sozialkontakte, gesellschaftliche Teilhabe
  • Prädisponierende Faktoren: U.a. Multimorbidität, soziale Isolation, ereignisarmer Alltag

Grundlegende Größen

Wie berechnet man den Sauerstoffverbrauch des Körpers und wie hoch ist dieser normalerweise in Ruhe?

Wodurch steigt die arteriell-gemischtvenöse O₂-Differenz an?

Wie berechnet man den respiratorischen Quotienten und was lässt sich aus ihm ableiten?

Was bezeichnet man als Sauerstoffausschöpfung und ist diese immer gleichbleibend?

Wie kann man die CO₂-Produktion des Körpers mithilfe der alveolären Ventilation berechnen?

Organsysteme in Ruhe und unter Belastung

Welche Anpassungen ergeben sich bei der Durchblutung und dem Stoffwechsel des Herzens unter Belastung?

Wodurch werden die Koronararterien unter Belastung erweitert?

Durch welchen Mechanismus kann in der Lunge der Gefäßwiderstand gesenkt werden?

Wie wird die Durchblutung des Gehirns reguliert?

Welchen Anteil des Herzzeitvolumens macht die Durchblutung der einzelnen Organe aus?

Wie stark kann die Durchblutung der Skelettmuskulatur erhöht werden?

Warum ist das Blut der Nierenvenen kaum entsättigt?

Wie verändert sich der Stoffwechsel der Skelettmuskulatur bei anhaltender Belastung?

Was bezeichnet man als Trainingseffekt? Nenne Beispiele dafür!

Welchen Effekt haben das bei Belastung erhöhte Herzzeitvolumen und die dadurch erhöhte Lungenperfusion auf den Gasaustausch?

Wodurch wird das Herzzeitvolumen bei Belastung gesteigert?

Anpassung an besondere Druckverhältnisse

Wie stark steigt der Umgebungsdruck pro 1 m Tiefe beim Tauchen?

Warum kann Schnorcheltauchen nicht mit einem längeren Schnorchel durchgeführt werden?

Wie verändert sich der O₂-Partialdruck der Inspirationsluft in großer Höhe?

Wie und warum verändert sich der pH-Wert des Blutes in großer Höhe? Beschreibe dazu den Pathomechanismus der Höhenkrankheit!

Veränderungen im Alter

Wodurch nimmt der systolische Blutdruck mit dem Alter meist zu?

Wie verändern sich Lungenvolumina mit dem Alter?

Warum nimmt die maximale Sauerstoffaufnahme mit zunehmendem Alter ab?