Physiologie: Atmung, Muskelkontraktion und Energiestoffwechsel

1. Faktoren des maximalen O2‑Verbrauchs

Welche Faktoren bestimmen den maximalen O2‑Verbrauch einer Person?
Der maximale Sauerstoffverbrauch (VO2max) hängt ab von Vererbung, körperlicher Aktivität, Muskelmasse, Alter, Geschlecht, Trainingszustand und Motivation.

Grundformel zur Bestimmung des O2‑Verbrauchs während des Trainings:

VO2 = SV × HF × a‑vO2‑Differenz

• VO2: Sauerstoffverbrauch (pro Zeiteinheit)
• SV (Schlagvolumen): systolisches Volumen
• HF: Herzfrequenz
• a‑vO2‑Differenz: arterio‑venöse Sauerstoffdifferenz

2. Gasaustausch und respiratorischer Totraum

Welcher physikalische Prozess liegt dem Gasaustausch an der Alveolar‑Kapillar‑Grenzfläche zugrunde?
Der Gasaustausch erfolgt überwiegend durch Diffusion entlang von Partialdruckgradienten (Druckunterschiede für O2 und CO2 zwischen Alveolarluft und Kapillarblut).

Was ist der respiratorische Totraum?
Der respiratorische Totraum ist das Volumen der Atemwege, das Luft enthält, die nicht am Gasaustausch teilnimmt (z. B. Nase, Rachen, Luftröhre, Bronchien). Diese Luft wird nicht effektiv für den alveolären Gasaustausch genutzt.

Spiegelt in der Praxis die arteriovenöse O2‑Differenz etwas wider?
Ja: Die arterio‑venöse O2‑Differenz spiegelt den O2‑Verbrauch des Gewebes wider. Dieser Wert wird gemessen und zur Abschätzung des Sauerstoffumsatzes verwendet.

3. Mechanismen der Muskelkontraktion

Kurze Erklärung der Mechanismen:

• ATP wird hydrolysiert: ATP → ADP + Pi + Energie (Energie für die Kontraktion).
• Ein Aktionspotenzial führt zur Freisetzung von Calcium (Ca2+) in das Sarkoplasma.
• Ca2+ bindet an Troponin, wodurch Tropomyosin verschoben wird und Myosinbindungsstellen auf dem Aktin freigelegt werden.
• Die Myosin‑ATPase hydrolysiert ATP; der Myosinkopf vollführt den Kraftschlag, zieht Aktinfilamente und verursacht Verkürzung.
• Ca2+‑Rücktransport (in das sarkoplasmatische Retikulum) beendet die Kontraktion.

Was ist eine Motoreinheit?
Eine Motoreinheit besteht aus einem Motoneuron und allen Muskel‑Fasern, die von diesem Neuron innerviert und kontrolliert werden.

4. Mechanismen der Wärmeübertragung

Welche grundlegenden Mechanismen der Wärmeübertragung stehen dem menschlichen Körper zur Verfügung?

• Strahlung (Wärmeabgabe/aufnahme durch elektromagnetische Strahlung)
• Wärmeleitung (direkter Wärmeaustausch zwischen Körper und Kontaktflächen)
• Konvektion (Wärmeabfuhr durch Luft- oder Flüssigkeitsbewegung)
• Verdunstung (Wärmeverlust durch Schweißverdunstung)

Hypothalamus–Hypophysen‑Achse

Was ist die Hypothalamus‑Hypophysen‑Achse und wozu dient sie?
Die Hypophyse (insbesondere der Vorderlappen) ist eine kleine Drüse unterhalb des Hypothalamus. Der Hypothalamus steuert die Hypophyse durch Releasing‑ und Inhibiting‑Hormone. Die Hypophyse sezerniert zahlreiche Hormone, z. B. Wachstumshormon (GH) und Prolaktin, die zahlreiche physiologische Prozesse regulieren.

5. ATP‑PC‑System: Vor- und Nachteile

Vorteile:

• Schnelle Bereitstellung von Energie (sehr rascher Energieabruf).
• Wichtig für kurzzeitige, hochintensive Belastungen (z. B. Sprint, Gewichtheben).

Nachteile:

• Sehr begrenzte Energiereserven (ATP und Kreatinphosphat sind schnell erschöpft).
• Führt zu einer starken kurzfristigen Beanspruchung des Energiesystems und trägt nach Belastung zur Wiederherstellung (O2‑Schuld) bei.

6. Aerobe vs. anaerobe Glykolyse

Unterschiede unter dem Gesichtspunkt der Energieeffizienz:

• Anaerobe Glykolyse: schnelle Bereitstellung von ATP, benötigt keinen Sauerstoff, produziert jedoch weniger ATP pro Glucose und führt zur Bildung von Laktat (Brenztraubensäure → Milchsäure) wenn kein O2 vorhanden ist.
• Aerobe Glykolyse: langsamerer ATP‑Nachschub, aber deutlich effizienter (mehr ATP pro Glucose), Pyruvat wird in die Mitochondrien eingeschleust und vollständig oxidiert, so wird die Laktatbildung gehemmt.

7. Was ist die O2‑Schuld?

Beim Übergang von Ruhe zu Belastung entsteht anfänglich ein O2‑Defizit, weil die sofort benötigte Energie nicht ausschließlich durch den augenblicklichen Sauerstoffumsatz gedeckt werden kann. Die Differenz zwischen dem tatsächlich aufgenommenen und dem theoretisch benötigten O2, um den Stoffwechsel im stabilen Zustand (Gleichgewicht) zu halten, wird als O2‑Schuld bezeichnet.

Komponenten der anfänglichen Energiebereitstellung sind unter anderem:

• ATP‑Vorräte
• ATP‑PC‑System
• anaerobe Glykolyse (laktazide und alaktazide Beiträge)

8. Ebenen der Organisation von Lebewesen

Beschreiben Sie kurz die verschiedenen Ebenen, vom niedrigsten bis zum höchsten:

1. Atomar‑molekulare Ebene: Alle lebenden Wesen haben ähnliche chemische Bausteine (Atome, einfache chemische Elemente), die zu Molekülen verbunden sind. Auf dieser Ebene entstehen organische und anorganische Moleküle, die für das Leben grundlegend sind.

2. Zelluläre Ebene: Unterschiedliche molekulare Strukturen verbinden sich zu funktionellen Einheiten (z. B. Organellen, Biomolekülkomplexe). Bei einzelligen Lebewesen stellt die Zelle die höchste Organisationsebene des gesamten Organismus dar.

(Hinweis: Weitere höhere Organisationsebenen sind Gewebe, Organe, Organsysteme, Organismus, Population, Gemeinschaft, Ökosystem und Biosphäre.)