Alle Energie im menschlichen Körper – und damit die Leistung – beruht auf einem „Stoff“: ATP, Adenosintriphosphat. Jede einzelne Kontraktion jedes Muskels basiert auf dem Vorhandensein dieses Stoffs. Kohlenhydrate und Fette, die man zu sich nimmt, werden in ATP umgewandelt.

Egal, ob zu Beginn eines 200-Kilometer-Radmarathons oder eines Sechs-Sekunden-Sprints: Stets greift der Körper auf ATP zurück. Für kurze Sprints „genügt“ die extrem schnelle Energiegewinnung über ATP beziehungsweise Kreatinphosphat – doch je länger eine Belastung andauert, desto mehr ATP muss über den deutlich effizienteren, aber langsameren „aeroben Weg“ bereitgestellt werden.

Die entscheidenden Strukturen dafür: die Mitochondrien. Sie sind die „Kraftwerke“ der Zellen. Für Sprints brauchen sie zu lange, um „hochzufahren“: Sie würden das nötige ATP für solch eine sehr hohe Belastungsintensität zu langsam produzieren. Daher muss auch die Energiebereitstellung für einen Sprint im Finale einer Tour-de-France-Etappe oder eines Alpen-Radmarathons über den anaeroben Stoffwechsel stattfinden.

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Überfahrer und Spezial-Training

Das Thema „Mitochondrien und Leistung“ ist ein „altes“, ein bekanntes – dennoch wurde es „hochgekocht“. Der Grund: Aussagen von Verantwortlichen des Teams UAE Emirates, der Equipe des zweimaligen Tour-Siegers und „Überfahrers“ Tadej Pogačar. Jeroen Swart etwa, einer der Team-Trainer, beschrieb das grundlagenlastige „Mitochondrien-Training“ seiner Fahrer während des Winters und zeitigen Frühjahrs: „Die Fahrer machen dann sehr spezifische Trainingseinheiten in den Vorbereitungszeiten. Sie trainieren am Anfang mindestens vier Tage die Woche je einige Stunden lang in einer speziellen Intensitätszone. Es erweitert die Sauerstoffaufnahmekapazitäten in dem Bereich, in dem wir den maximalen Sauerstofffluss im Kohlenhydratstoffwechsel haben. Wir stimulieren die Masse an Mitochondrien, die daran beteiligt ist.“

Der sportwissenschaftliche Leiter der Trainingsplanung innerhalb des Teams, Iñigo San Millán, forscht seit mehr als zehn Jahren an der Universität Colorado, USA, an neuen Therapieformen gegen Diabetes und Krebs, die auf die Mitochondrien betreffenden Stoffwechselprozessen beruhen. „Um Krankheiten zu studieren, bei denen Fehlfunktionen von Mitochondrien im Mittelpunkt stehen, müssen wir erst sehen, was Perfektion bedeutet“, sagt er. „Das ist bei Weltklasseathleten so. Wenn wir sehen, wie bei ihnen der Stoffwechsel funktioniert, können wir Krankheiten erkennen und diagnostische Instrumente und Therapien entwickeln.“

Gerade im Grundlagenausdauerbereich „stimuliert man die langsamen Muskelfasern am meisten. Das ist wie der erste Gang beim Auto. Wenn man dort im roten Bereich ist, fordert das Auto einen ja meist auf, in den zweiten Gang hochzuschalten. Im Training macht man das aber nicht. Und deshalb wird der Körper stärker. Er passt sich an, wird kräftiger in diesem Gang. Rote Muskelfasern vom Typ 1 haben die größte Dichte an Mitochondrien. Man stimuliert sie also stark – und man muss nicht zu den schneller ermüdenden Muskelfasern überwechseln.“

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Mitochondrien-Bildungsrate

Diese Aussagen sind alles andere als revolutionär. Ihnen liegt nichts Neues zugrunde. Die Effekte des Grundlagenausdauertrainings sind schon lange bekannt. Eines der traditionellen Trainingsziele lautet: die Mitochondrien-Bildungsrate erhöhen. Dies kann die aerobe Kapazität und den Fettstoffwechsel verbessern. Jede „normale“ Zelle besitzt 1000 bis mehr als 2000 Mitochondrien, Hirn- und Herzmuskelzellen weisen bis zu 6000 Mitochondrien auf.

Die Anzahl der Mitochondrien ist abhängig vom individuellen Lebensstil, vom Trainingszustand und von der Versorgung mit Nährstoffen. Wer sich wenig bewegt und schlecht ernährt, dessen Zellen weisen im Durchschnitt weniger Mitochondrien auf.

Fälschlicherweise werden Mitochondrien in der Trainingslehre oft als bohnenartige Gebilde dargestellt. In der Realität sehen sie im Muskel eher wie eine Masse Spaghetti aus, die sich durch die Muskelfasern rankt.

Je länger und besser sie miteinander verbunden sind, umso besser können sie ATP erzeugen. Dabei sind sie auch höchst adaptiv, ergo: sehr gut trainierbar. Schon nach wenigen Trainingseinheiten sind in ihrer Struktur klare morphologische Veränderungen nachzuweisen – nach einer Studie von Picard lassen sich bereits nach einer einzigen Trainingseinheit klare Veränderungen der mitochondrialen Masse beobachten.

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Grundlage und Intervalle

Eine höhere mitochondriale Dichte ist die Voraussetzung für eine verbesserte oxidative Kapazität. Das wirksamste Mittel, um die Kapazität für den Fettsäure-Abbau zu stimulieren, lautet: Training. Beides, die höhere mitochondriale Dichte und die gesteigerte oxidative Kapazität, führt zu einer höheren Leistungsfähigkeit. Klar ist: Mitochondrien verändern sich. Sie adaptieren sich an vielerlei Einflüsse, wie Ernährung, Hypoxie, Training, Alltagsbelastung et cetera. Allein dem allgemeinen Training wird eine Verbesserung der Energiebereitstellungsleistung in den Mitochondrien von bis zu 25 Prozent attestiert.

Die Veränderung betrifft die Energiebereitstellung durch die Atmungskette innerhalb der Mitochondrienmembran. Das Training wirkt dort konkret auf die maximale Aktivität eines Proteins – beziehungsweise auf den maximalen Elektronenfluss –, das für die Energiekapazität aus Fett verantwortlich ist.

Fakt ist demnach: Durch den allgemeinen Trainingsreiz verändert man die Mitochondrien-Leistung bereits deutlich. Ein gezieltes hochintensives High-Intensity-Interval-Training, HIIT, wirkt dagegen auch auf die Atmungskette. Allein dadurch kann die Leistung um ebenfalls bis zu 25 Prozent verbessert werden. Der Effekt von klassischem Grundlagentraining beträgt hier hingegen „nur“ neun Prozent. Das heißt im Umkehrschluss aber nicht, dass das Grundlagentraining nicht sinnvoll ist. Denn etliche Studien haben gezeigt, dass man die Sauerstoffaufnahme mittels sehr unterschiedlicher Trainingsmethoden in etwa gleich stark verbessern kann.

Das HIIT wirkt sich jedoch deutlich stärker auf den Sauerstofftransport in den Skelettmuskelzellen und den Mitochondrien aus – und somit auf die Fähigkeit, mehr Fettsäuren zu verstoffwechseln. Das klassische Grundlagentraining entfaltet seine Wirkung primär durch hämatologische Veränderungen, ergo durch eine Änderung der Zusammensetzung des Blutes. Es ist somit auf einer anderen Ebene wirksam.

Mitochondrien und Stress

Zudem passen sich Mitochondrien an den jeweils eintreffenden Stress an. Durch Grundlagentraining verbessert sich die Fähigkeit des Systems, Fett in Energie umzusetzen und so die geringeren Kohlenhydrat-Reserven zu schonen. Das hochintensive Training reizt das globale Sauerstofftransportsystem und verbessert dessen Kapazität. Wenn man demnach den jeweiligen Effekt des Trainings auf die Mitochondrien kennt, kann man dieses gezielt dazu einsetzen, um seinen Leistungszustand effizient zu entwickeln. Dabei sollte man beide erwähnten Trainingsarten kombinieren, um eine möglichst hohe Masse bei einer gleichzeitig hohen globalen oxidativen Kapazität zu erreichen.

Ein polarisiertes Training wäre ein bekannter Ansatz dafür – wobei die Umfänge groß genug sein müssten, um auch aus den niedrigintensiven Einheiten einen möglichst hohen Nutzen ziehen zu können.

Trainiert man, in der Relation, „wenig“ – hinsichtlich der Quantität wie auch der Intensität – unter der Woche, erzeugt eine nachfolgende lange Wochenendeinheit bereits einen hohen physiologischen Stress: Dadurch werden sowohl die Neubildung als auch der Austausch von altem Mitochondrien-Material „angekurbelt“. Dieser Effekt kann sich bei Neu- beziehungsweise Wiedereinsteigern über mehrere Monate ziehen, bis es zu einer Abflachung der Wirkung kommt. Doch: Die „Halbwertszeit“ von Mitochondrien beträgt nur eine bis zwei Wochen. Die „Zell-Kraftwerke“ leben nur rund 20 Tage lang. Das bedeutet: Schon wer zwei, drei Wochen lang beim Training und bei der Ernährung „nachlässig“ ist beziehungsweise pausiert, fährt seine mitochondriale Kapazität sehr deutlich zurück. Fehlt demnach der konstante Reiz, verschlechtert sich die Mitochondrien-Dichte deutlich – und damit die eigene Leistungsfähigkeit.

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Schon nach zwei, drei Wochen eines sehr geringen Trainingsvolumens verringert sich die Mitochondrien-Dichte deutlich – und damit die eigene Leistungsfähigkeit

Höhentraining

Findet das Training regelmäßig statt, profitiert man auch von einem Umbau bereits vorhandener Mitochondrien: Dann werden deren innere Oberflächen durch eine vermehrte „Faltenbildung“ vergrößert. Ausdauertrainierte weisen im Vergleich zu Untrainierten deutlich mehr Falten in den Innenmembranen der Mitochondrien auf.

Mehr Falten bedeuten in dem Fall: eine erhöhte Sauerstoffaufnahme im Muskel. In der Muskulatur toptrainierter Athleten werden zudem Fett-Tröpfchen näher an den Mitochondrien eingelagert. Als hocheffizientes Mittel, um die Mitochondrien-Masse zu erhöhen, gilt das Höhentraining. Durch den geringeren Sauerstoffgehalt der Luft können auch Elitesportler einen Reiz beziehungsweise Stress setzen, an den sich ihr Körper dann adaptiert.

So führte, in einer Studie von Jacobs et al., ein einmonatiges Ausdauertraining in der Höhe zu einer durchschnittlichen Steigerung des Mitochondrien-Volumens und der -Dichte von sechs bis acht Prozent.

Hitzetraining

Aktuell ist jedoch im Fokus vieler Trainingswissenschaftler, gerade aus dem Profisport, eine andere Trainingsmethode: das Hitze-Training. So zeigten erste Untersuchungen dazu deutliche Leistungseffekte: Die Probanden trugen dafür während ihrer Trainingseinheiten – fünfmal je 50 Minuten pro Woche – spezielle Anzüge, die die Körperwärme speichern. Die beiden Vergleichsgruppen trainierten in einer 38 Grad warmen Umgebung beziehungsweise in einer normaltemperierten Umgebung. Durch die Wärme fielen die Effekte deutlich stärker aus.

Lundby, der Studienleiter, und seine Kollegen führten dies auf die Produktion sogenannter „Heat Shock Proteins“ zurück, die auf die mitochondriale Biogenese wirken. Er sagt: „Es scheint, dass das Hitzetraining größere positive Auswirkungen haben könnte als das Höhentraining. Aber wir stehen noch am Anfang der Forschungen. Hitze ist eine der Hauptbelastungen bei Ausdauerwettkämpfen, wobei höhere Temperaturen die Leistung beeinträchtigen. Nun wollen wir herausfinden, ob ein Teil der gefundenen Verbesserungen auf Veränderungen der Mitochondrien zurückzuführen ist.“

Verbesserungen hinsichtlich der Mitochondrien-Masse lassen sich mittels sehr verschiedener Trainingsstrategien und in unterschiedlichen Intensitätsbereichen erzielen.

So zeigten die Ergebnisse einer Studie von Forschern der Universität Trondheim, Norwegen, wie schnell sich Untrainierte verbessern können. Die nichttrainierten Probanden führten je zwölfwöchige Trainingsprogramme durch – eine Gruppe trainierte je kurz und intensiv, die andere länger und im Grundlagenbereich. Konkret: dreimal 20 Sekunden versus 45 Minuten im extensiven Bereich, dreimal wöchentlich. Das Ergebnis: Die Mitochondrien-Zahl und die maximale Sauerstoffaufnahme nahmen in beiden Gruppen – um je 19 Prozent – gleich stark zu. Hinsichtlich der Trainingsinhalte existieren jedoch auch konträre Studienergebnisse. So wurden bei Sport-Einsteigern beziehungsweise Untrainierten teils auch negative Effekte des hochintensiven Intervall-Trainings gefunden.

Alter und Leistung

Etwa in einer Untersuchung von Forschern der kanadischen University of British Columbia. Über einen Zeit­raum von zwei Wochen hinweg trainierten die Probanden je Einheiten mit mehreren 30-Sekunden-Sprints, die sich mit kurzen Ruhepausen abwechselten, ergo: „klassische“ 30/30-High-Intensity-Intervalle, HIIT. Vor und nach dem Trainingsprogramm wurden je Muskelbiopsien durchgeführt.

Beim Blick in die Muskelzellen der Teilnehmer stellten die Forscher fest, dass die Mitochondrien nach dem Training weniger gut funktionierten. Bei trainierten Sportlern stimulieren die HIIT-Intervalle normalerweise die Mitochondrien-Bildung. Bei den untrainierten Probanden hatte das Training zwischen 55 und 72 Prozent des wichtigen Enzyms Aconitase inaktiviert – was zu einer um 50 bis 65 Prozent reduzierten mitochondrialen Respiration führte. Im Vastus lateralis, dem äußeren der vier Köpfe des großen Oberschenkelmuskels, nahm jedoch gleichzeitig das mitochondriale Protein um 15 bis 72 Prozent zu. Das HII-Training setzt dieser Studie zufolge demnach eine gewisse Fitness voraus.

Die Zusammenhänge zwischen Training und dem Alterungsprozess haben wir in einem großen Hintergrundartikel, der auf der RennRad-Website abrufbar ist, beleuchtet.

Auch eine aktuelle Studie, die im Journal „Cell Metabolism“ publiziert wurde, bestätigt die damaligen Schlüsse. Im Rahmen der Studie wurden 36 Männer und 36 Frauen aus zwei Altersgruppen – „junge“ Probanden im Alter von 18 bis 30 Jahren und „ältere“ im Alter von 65 bis 80 Jahren – in drei Trainings-Gruppen eingeteilt: Die erste absolvierte hochintensive Intervalltrainings-Programme, die zweite Krafttraining-Einheiten mit Gewichten, die dritte kombinierte die beiden Trainingsformen.

Die Ergebnisse: Bei den jüngeren Probanden in der Intervalltrainings-Gruppe stieg die mitochondriale Kapazität um durchschnittlich 49, bei den älteren sogar um 69 Prozent. Das Intervalltraining verbesserte zudem die Insulinempfindlichkeit der Teilnehmer. Bei der Steigerung der Muskelkraft war es erwartungsgemäß weniger effektiv.

Auf der zellulären Ebene führte das hochintensive Training zu größeren Effekten: Es veranlasste die Zellen dazu, mehr Proteine für ihre energieproduzierenden Mitochondrien und ihre proteinbildenden Ribosomen zu produzieren. Diese Effekte sprechen für eine verlangsamte Alterung auf zellulärer Ebene. „Nach allem, was wir wissen, gibt es keinen Ersatz für diese Trainingsprogramme, wenn es darum geht, den Alterungsprozess zu verzögern“, sagte der Hauptautor der Studie, Sreekumaran Nair von der Mayo Clinic, USA. „Was wir hier sehen, kann keine andere Medizin leisten.“

Dieser Artikel erschien in der RennRad 9/2023. Hier können Sie die Ausgabe als Printmagazin oder E-Paper bestellen.

Training vs. Talent

Die 10.000-Stunden-Regel gilt, offenbar, nicht mehr. Zumindest im aktuellen Profi-Radsport. Sie ist in der Sportwissenschaft weitgehend anerkannt und besagt: Wer so viel Zeit investiert – zehn Jahre lang durchschnittlich mehr als 19 Stunden Training pro Woche –, kann in seiner Sportart in die Weltspitze vordringen. Allerdings ist diese Regel alles andere als allgemeingültig.

So zeigte eine große Metaanalyse von 88 Studien, die Forscher der Universität Princeton durchführten: Das langjährige Training ist nur zu 18 Prozent für die Varianz des Erfolgs von Top-Athleten verantwortlich. Und der Rest? Viel hängt vom „genetischen Glück“ ab: Davon, was man von seinen Vorgängern erbt. Anders gesagt: von den eigenen Genen.

Zum Beispiel ist an dem Spruch „zum Sprinter wird man nicht gemacht, sondern geboren“ viel Wahres dran. Denn: Viel hängt von der Muskelfaser-Zusammensetzung ab. So haben Bergfahrer in der Regel deutlich mehr rote „langsame“ Muskelfasern als Sprinter. In deren Muskulatur überwiegen die weißen „schnellen“ Fasern. Die Muskelkomposition gibt eine entscheidende Tendenz vor, ob man eher Ausdauerathlet oder Maximalkraftsportler ist. Allein die für Ausdauersportarten so wichtige maximale Sauerstoffaufnahme ist den meisten Studien zufolge zu rund 50 Prozent genetisch festgelegt. Die Körpergröße ist zu bis zu 80 Prozent, der Body-Mass-Index zu 30 bis 50 Prozent und die Muskelkraft sowie die maximale Sauerstoffaufnahme zu rund 50 Prozent im eigenen Genom festgelegt. Mehr dazu gibt es hier.