Molekulare Sport- und Leistungsphysiologie (eBook)

Univ.-Prof. Dr. med. Norbert Bachl, Sportmediziner, Universität WienProf. Dr. med. Herbert Löllgen, Sportmediziner und Kardiologe, Remscheid, DeutschlandAss.-Prof. Mag. Dr. Harald Tschan, Trainingswissenschafter, Universität WienDr. Henning Wackerhage, Sportwissenschafter, University of Aberdeen, SchottlandAss.-Prof. DI Dr. Barbara Wessner, Molekularbiologin, Universität Wien

Geleitwort 5
Geleitwort 7
Vorwort 9
Inhaltsverzeichnis 12
Autorenverzeichnis 21
I Grundlagen 24
1 Einführung in die Genetik 25
1.1 Einleitung 26
1.2 Das genetische Material 26
1.2.1 Aufbau und Funktion der DNA 26
1.2.2 Organisation der DNA 29
1.2.3 Weitergabe der genetischen Information 32
1.3 Grundlagen der Vererbung 36
1.3.1 Mendel’sche Vererbungsregeln 36
1.3.2 Genotyp und Phänotyp 37
1.4 Veränderungen des Genoms 38
1.4.1 Mutationen und Polymorphismen 38
1.4.2 Evolution 39
1.4.3 Populationsgenetik 41
1.5 Epigenetik 41
1.5.1 DNA-Methylierung 42
1.5.2 Histonmodifikationen 42
1.5.3 Interaktionen zwischen DNA-Methylierung und Histonmodifikationen 45
1.5.4 Chromatin-Remodeling 46
Literatur 46
2 Genexpression 49
2.1 Zentrales Dogma der Molekularbiologie 50
2.2 Transkription 51
2.2.1 Ablauf der Transkription 51
2.2.2 Posttranskriptionale Modifikationen 52
2.3 Translation 54
2.3.1 Der genetische Code 54
2.3.2 Ablauf der Translation 55
2.3.3 Posttranslationale Modifikationen 56
2.3.4 Räumliche Anordnung der Proteine 56
2.4 Regulierung der Genexpression 57
2.4.1 Epigenetische Mechanismen 57
2.4.2 Kontrolle auf Ebene der Transkription 58
2.4.3 MicroRNAs 58
2.5 Proteinabbau 60
2.5.1 Ubiquitin-Proteasom-System 60
2.5.2 Autophagie/Lysosom 61
Literatur 64
3 Signaltransduktion 66
3.1 Mechanismen der Signalübertragung 67
3.2 Ligand-Rezeptor-Wechselwirkung 67
3.3 Rezeptortypen 68
3.3.1 Zytoplasmatische Rezeptoren 68
3.3.2 Membranrezeptoren 68
3.4 Signalweiterleitung 72
Literatur 74
II Molekulare Leistungsphysiologie 75
4 Einführung in das Herz-Kreislauf-System 76
4.1 Herz-Kreislauf-System 79
4.1.1 Funktionen des Herz-Kreislauf-Systems 79
4.1.2 Gefäße 80
4.1.3 Angiogenese 83
4.2 Gas- und Sauerstoffaustausch 85
4.3 Herzfunktion 86
4.3.1 Molekularbiologische Aspekte der Herzmuskelhypertrophie 87
4.3.2 Physiologische Herzmuskelhypertrophie 87
4.3.3 Pathologische Herzmuskelhypertrophie 88
4.3.4 Reizleitungssystem 90
4.3.5 Reizbildung und Reizleitung 90
4.3.6 Herzmuskelkontraktion – elektrophysiologische Aspekte 92
4.4 Herzmechanik – die Kontraktion des Herzen 94
4.4.1 Elektromechanische Kopplung 94
4.4.2 Regulation der Herzmechanik 94
4.4.3 Steuerung der Herzaktion 95
4.5 Methodik zur Erfassung hämodynamischer Messgrößen 96
4.5.1 Komponenten der kardialen Funktion unter Belastung 100
4.5.2 Kardiale Messgrößen unter Belastung 101
4.5.3 Respiratorische Größen 103
4.5.4 Funktionelle Kapazität (Synonyma: Belastungskapazität, „Exercise capacity“ oder „Physical capacity“) 105
4.5.5 Klinische Symptome und Anstrengungsempfinden 105
4.5.6 Zelluläre Beschreibung und Funktion 107
4.5.7 Rezeptoren 107
4.5.8 Proteine und kardiale Marker 108
4.6 Molekulare Anpassungsmechanismen 108
4.6.1 Veränderung bei Belastung 108
4.6.2 Adaptation des Herzens durch körperliche Aktivität 109
4.6.3 Regulative Anpassungsmechanismen 110
4.6.4 Strukturelle Anpassungsmechanismen 111
4.6.5 Adaptation des Herzens durch körperliche Aktivität 115
4.6.6 Ausdauersport: Nutzen oder Schaden 116
4.6.7 Anpassung des arteriellen Gefäßsystems an chronische Belastungen (Training) 117
4.6.8 Zelluläre Beschreibung und Funktion 117
4.6.9 Optimierung und Maximierung der Leistungsfähigkeit 118
4.6.10 Arbeitende Muskulatur 118
4.6.11 Anpassung der Muskulatur an körperliche Aktivität 118
4.6.12 Weitere molekulare Anpassungsmechanismen 119
Literatur 120
5 Muskelapparat 123
5.1 Myogenese – Die Entstehung der Muskelzelle 124
5.1.1 Satellitenzellen 124
5.1.2 Aktivierte Satellitenzellen und Proliferation zu Myoblasten 127
5.1.3 Differenzierung zu Muskelfasern 127
5.1.4 Regeneration 129
5.1.5 Zelltod 129
5.2 Molekularer Aufbau der Muskelzelle 132
5.2.1 Die kontraktile Einheit – das Sarkomer 133
5.2.2 Proteine des Sarkomers 133
5.2.3 Extrazelluläre Matrix 135
5.3 Der Muskel als Energiewandler 138
5.3.1 Energiestoffwechel im Muskel 138
5.4 Muskelfasertypen 140
5.5 Überblick bewegungsinduzierter Signalwege 143
Literatur 144
6 Nervensystem 147
6.1 Basisphysiologie des Nervensystems 148
6.1.1 Motorische Einheit 148
6.1.2 Rekrutierung von motorischen Einheiten 148
6.1.3 Elektromechanische Kopplung 149
6.2 Zentrale Faktoren der neuromuskulären Ermüdung 149
6.2.1 Ermüdung 149
6.2.2 Spinale Mechanismen der Ermüdung 150
6.2.3 Suprapinale Mechanismen der Ermüdung 151
6.3 Anpassungsreaktionen der motorischen Einheit auf Training 151
6.3.1 Ausdauertraining 152
6.3.2 Krafttraining 152
6.4 Anpassungsreaktionen des zentralen Nervensystems auf Training 153
6.5 Zusammenfassung 154
Literatur 154
7 Mechanische Belastung und Bindegewebe 156
7.1 Bindegewebe 157
7.1.1 Strukturelle Grundlagen 157
7.1.2 Molekulare Grundlagen des Bindegewebes 162
7.1.3 Mechanische Übertragung und Wachstumsfaktoren im Matrixgewebe 163
7.2 Knochen und Adaption durch körperliche Bewegung 164
7.2.1 Mechanische Übertragung 164
7.2.2 Genetische Varianten und Knochenverletzung 166
7.2.3 Mechanische Übertragung 168
7.2.4 Genetische Varianten von Knorpelgewebe 169
7.3 Sehnen und Adaption durch körperliche Bewegung 170
7.3.1 Mechanische Übertragung 170
7.3.2 Funktion und mechanische Eigenschaften von menschlichem Sehnenbindegewebe im lebenden Organismus 172
7.3.3 Verletzungsrisiken des Bindegewebes 173
7.3.4 Genetische Varianten von Sehnenbindegewebe im Zusammenhang mit Sehnenverletzungen 173
Literatur 181
8 Wachstumsfaktoren unter besonderer Berücksichtigung des muskuloskelettalen Systems 187
8.1 Einleitung 189
8.2 Definition, Wirkungsweisen und Signalketten von Wachstumsfaktoren 194
8.3 Wirkungen von Wachstumsfaktoren auf die Skelettmuskulatur 206
8.3.1 IGF und MGF 207
8.3.2 FGF 215
8.3.3 Myostatin/GDF-8 215
8.3.4 VEGF 219
8.3.5 TGF-? 219
8.3.6 LIF 220
8.3.7 BDNF 220
8.4 Wirkungen von Wachstumsfaktoren auf Knochen und Knorpel 221
8.4.1 FGF 222
8.4.2 IGF und MGF 222
8.4.3 TGF-? 223
8.4.4 LIF 223
8.4.5 PDGF 223
8.4.6 BMP 224
8.5 Wirkungen von Wachstumsfaktoren auf Bänder und Sehnen 224
8.5.1 FGF 225
8.5.2 IGF und MGF 225
8.5.3 TGF-? 225
8.5.4 GDF 225
8.5.5 VEGF 226
8.5.6 EGF 226
8.5.7 PDGF 226
8.6 Thrombozytenreiches Plasma, plättchenreiches Plasma, Platelet Rich Plasma (PRP) 226
8.6.1 PRP in Skelettmuskelgeweben 228
8.6.2 PRP in Sehnen- und Bandgeweben 228
8.6.3 PRP in Knochen- und Knorpelgeweben 229
Literatur 230
9 Endokrines System 245
9.1 Grundlagen 246
9.1.1 Wechselwirkung zwischen Stoffwechselprodukten und Hormonen 246
9.1.2 Vermittlung der Hormonwirkung 247
9.2 Regulation hormoneller Systeme 248
9.2.1 Hypothalamus/Hypophyse 248
9.2.2 Schilddrüsenhormone 251
9.2.3 Biogene Amine und das Zellwachstum 252
9.2.4 Steroidhormone 253
9.2.5 Sexualhormone 254
9.2.6 Parathormon/Vitamin D/Calcitonin 258
9.2.7 Insulin/Glukagon/Leptin (Energiestoffwechsel) 259
9.2.8 Hormone des Elektrolyt und Wasserhaushaltes 261
9.3 Einfluss von Sport auf Hormonspiegel 262
9.4 Hormondoping 264
9.4.1 Wachstumshormon 264
9.4.2 Androgene Hormone 264
9.5 Weibliche Sexualsteroide, genetische Polymorphismen und körperliche Performance 265
9.5.1 Einleitung 265
9.5.2 Blutkreislauf 265
9.5.3 Muskulatur 270
9.5.4 Geschlechtshormonabhängigkeit der Lungenfunktion 271
9.5.5 Stoffwechsel und Sexualsteroide 273
9.5.6 Sexualhormone und Psyche 275
Literatur 277
10 Immunsystem 281
10.1 Einleitung 282
10.2 Grundlagen des Immunsystems 283
10.2.1 Aufgaben des Immunsystems 283
10.2.2 Zellen des Immunsystems 283
10.2.3 Angeborenes Immunsystem – Phagozytose 286
10.2.4 Akute-Phase-Reaktion 288
10.2.5 Adaptive Immunabwehr – Antikörperbildung 289
10.2.6 Pro- und antiinflammatorische Zytokine 289
10.2.7 Mukosales Immunsystem 291
10.2.8 Immunologische Methoden 291
10.3 Einfluss einer akuten sportlichen Belastung 292
10.3.1 Angeborenes Immunsystem 292
10.3.2 Erworbenes Immunsystem 294
10.3.3 Zytokine 296
10.3.4 Hitzeschockproteine, Sauerstoffmetaboliten 297
10.4 Langandauernde Trainingsperioden und Underperformance-Syndrom 297
10.5 Anti-inflammatorische Effekte körperlicher Aktivität 299
10.6 Erkrankungen und körperliche Inaktivität 301
10.6.1 Diabetes 301
10.6.2 Karzinome 302
10.6.3 Rheumatologische und respiratorische Erkrankungen 302
10.6.4 Intensivpatienten 302
10.6.5 Alter 302
Literatur 303
III Spezielle Aspekte 305
11 Anpassung an Ausdauertraining 307
11.1 Einleitung – systemphysiologischer Überblick 308
11.2 Mitochondrien in Muskelzellen 310
11.2.1 Strukturelle und funktionelle Anpassung 310
11.2.2 Molekulare Mechanismen der mitochondrialen Anpassungsfähigkeit 311
11.3 Mikrozirkulation und Makrozirkulation 314
11.3.1 Mikrozirkulation 314
11.3.2 Makrozirkulation 315
11.4 Hämoglobingehalt 316
11.4.1 Akute Veränderungen des Hämoglobingehaltes 316
11.4.2 Chronische Veränderungen des Hämoglobingehaltes bei Ausdauerleistungen in der Höhe 316
11.5 Herz 317
11.6 Lunge 318
Literatur 319
12 Anpassung an Krafttraining 321
12.1 Einleitung 322
12.2 Talent für Muskelmasse und Kraft 323
12.3 Anpassungen 323
12.3.1 Hyperplasie 324
12.3.2 Muskelfaserhypertrophie 324
12.4 Signalwege 325
12.4.1 mTOR 326
12.4.2 Myostatin/Smad 328
12.5 Krafttraining und Satellitenzellen 329
12.6 Gleichzeitiges Kraft- und Ausdauertraining (Concurrent Training) 331
Literatur 332
13 Stoffwechselprinzipien der Ernährung 335
13.1 Einleitung 337
13.2 Bedeutung der Ernährung für den Muskel 337
13.2.1 Kohlenhydrate 338
13.2.2 Proteine 338
13.2.3 Fette 339
13.2.4 Mikronährstoffe 339
13.2.5 Flüssigkeitszufuhr 339
13.3 Chemie der Makro- und Mikronährstoffe 340
13.3.1 Proteine, Aminosäuren 340
13.3.2 Kohlenhydrate 341
13.3.3 Fette 342
13.3.4 Vitamine 344
13.3.5 Mineralstoffe – Mengenelemente 344
13.3.6 Mineralstoffe – Spurenelemente 346
13.4 Molekulare Ernährungsprinzipien 347
13.4.1 Stickstoffhomöostase 347
13.4.2 Aminosäuren 347
13.4.3 Energiegewinnung 349
13.4.4 Glukosestoffwechsel 349
13.4.5 Fettstoffwechsel 351
13.5 Einfluss der Ernährung auf physiologische und molekulare Mechanismen der Trainingsanpassung 352
13.5.1 Regulation des Energiestoffwechsels 352
13.5.2 Kohlenhydratstoffwechsel und Trainingsanpassung 353
13.5.3 Fettstoffwechsel und Trainingsanpassung 355
13.5.4 Proteinstoffwechsel und Trainingsanpassung 360
13.6 Nahrungsergänzungsmittel im Sport 363
Literatur 368
14 Einfluss des Alters 373
14.1 Einleitung 374
14.2 Theorien des Alterns 376
14.2.1 Biologische Uhren 376
14.2.2 Genomische Instabilität 377
14.2.3 Inflammageing 377
14.2.4 Oxidativer Stress 378
14.3 Der alternde Muskel 380
14.4 Training im Alter 383
14.5 Wechselwirkung mit Ernährungssubstraten 384
Literatur 385
15 Körperliche Aktivität in der Prävention und Rehabilitation von onkologischen Erkrankungen 389
15.1 Einleitung 390
15.2 Körperliche Aktivität in der Tumorprävention 390
15.3 Molekularbiologische Mechanismen der Tumorprävention durch körperliche Aktivität 392
15.3.1 Einfluss auf körpereigene Abwehrmechanismen 392
15.3.2 Einfluss auf Stoffwechselprozesse 394
15.3.3 Einfluss auf das Immunsystem 396
15.4 Körperliche Aktivität in der onkologischen Rehabilitation 396
15.5 Tumorkachexie 398
15.5.1 Molekularbiologische Mechanismen der Tumorkachexie 398
15.5.2 Einfluss von körperlicher Aktivität auf die Tumorkachexie 401
Literatur 401
16 Körperliche Aktivität, Sport, Genetik und kardiovaskuläre Erkrankungen 407
16.1 Einführung 409
16.2 Epidemiologie 409
16.2.1 Langes QT-Syndrom (LQT-Syndrom, Long-QT-Syndrom) 409
16.2.2 Kurzes QT-Syndrom (SQT-Syndrom, Short QT-Syndrom) 411
16.2.3 Syndrom der frühen Repolarisation 413
16.2.4 Brugada-Syndrom (BrS) 413
16.2.5 Catecholaminerge polymorphe ventrikuläre Tachykardie (CPVT, catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia) 414
16.2.6 Wolff-Parkinson-White-Syndrom (WPW-Syndrom, Präexcitations-Syndrom) 414
16.2.7 Vorhofflimmern 417
16.3 Kardiomyopathien 418
16.3.1 Hypertrophe Kardiomyopathie (HCM) und hypertrophe obstruktive Kardiomyopathie (HOCM) 418
16.3.2 Arrhythmogene rechtsventrikuläre Kardiomyopathie (oder Dysplasie) (ARVD) 421
16.3.3 Linksventrikuläre Non-Compaction Kardiomyopathie (NCCM) 422
16.3.4 Dilatative Kardiomyopathie 423
16.3.5 Mitochondriale DNA-Erkrankung mit kardialer Beteilung 423
16.3.6 Koronare Herzkrankheit 423
16.4 Körperliche Aktivität und Training 425
16.4.1 Allgemeine Hinweise 425
16.4.2 Molekulare Mechanismen 425
16.4.3 Trainingseffekte bei Herzkrankheiten 425
16.5 Genetische Untersuchungen bei Sportlern und deren Angehörigen 427
16.5.1 Risikoabschätzung 427
16.5.2 Leitlinie zur sportärztlichen Vorsorgeuntersuchung 428
16.6 Empfehlungen nach den Leitlinien der AHA 428
16.6.1 Empfehlung zur genetischen Untersuchung bei langem QT-Syndrom (LQTS) 428
16.6.2 Empfehlung zur genetischen Untersuchung bei katecholaminerger polymorpher Kammertachykardie (Catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia, CPVT) 429
16.6.3 Empfehlung zur genetischen Untersuchung bei Brugada-Syndrom (BrS) 429
16.6.4 Empfehlung zur genetischen Untersuchung bei hypertropher Kardiomyopathie (HCM) 430
16.6.5 Empfehlung zur genetischen Untersuchung bei arrhythmogener rechtsventriulärer Kardiomyopathie/Dysplasie (AMC/ARVD) 430
16.6.6 Empfehlung zur postmortalen genetischen Untersuchung nach einem plötzlichen und unerwarteten Tod (sudden unexpected death – SUD sudden infant death syndrom – SIDS)
Literatur 430
17 Genetik der Leistungsfähigkeit und Trainierbarkeit 434
17.1 Einleitung 435
17.2 Das sportliche Talent 436
17.3 Geographische Variation 437
17.4 Genetische Diagnostik 438
17.5 Genetik und Sport in der wissenschaftlichen Literatur: wichtige Studien und Studienkohorten 440
17.6 Gene und Polymorphismen von Interesse 443
17.6.1 Kandidatengene in Bezug zur Ausdauerleistungsfähigkeit 443
17.6.2 Kandidatengene des Muskelstoffwechsels 446
17.6.3 Kandidatengene im Zusammenhang mit der Sauerstoffzufuhr 449
17.6.4 Kandidatengene im Zusammenhang mit der Energiezufuhr 449
17.6.5 Andere wichtige Kandidatengene 451
17.7 Limitationen 452
17.8 Zusammenfassung und Ausblick 453
Literatur 454
18 Epigenetik und körperliche Aktivität 461
18.1 Einleitung 462
18.2 Beeinflussung der Gehirnfunktion 463
18.3 Epigenetische Modifikationen und Krebs 466
18.4 Diabetes mellitus 468
18.5 Immunsystem 468
18.6 Skelettmuskulatur, Epigenetik und körperliche Aktivität 470
18.7 Ausblick zur Bedeutung von Epigenetik im Sport 474
Literatur 474
Serviceteil 477
Stichwortverzeichnis 478