Physiologische Reaktionen des menschlichen Körpers auf High-Intensity-Interval-Training

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Definition HIIT

3 Langfristige Auswirkungen
3.1 HIIT und die aerobe Kapazität
3.2 HIIT und die Insulinsensitivität
3.3 HIIT und die Fettoxidation
3.4 HIIT und die mitochondriale Adaption

4 Versuch
4.1 Vorwort
4.2 Versuchsaufbau
4.3 Methodik der Auswertung
4.4 Auswertung des Ergebnisses
4.5 Problematik der Auswertung

5 Allgemeine kurzfristige Auswirkungen

6 Fazit

7 Anhang
7.1 Messergebnis des Probanden 1
7.2 Messergebnis des Probanden 2
7.3 Messergebnis des Probanden 3
7.4 Messergebnis des Probanden 4
7.5 Messergebnis des Probanden 5

8 Quellenverzeichnis
8.1 Literaturverzeichnis
8.2 Internetquellen

1 Einleitung

Neues Jahr, neues Glück! Das denken sich wohl Viele, die sich am Anfang eines Jahres vornehmen, gesünder und bewusster zu leben. Als erstes wird die Ernährung umgestellt und dann meldet man sich im Fitnessstudio an. Doch wie lange hält dieser Fitnesswahn? Erfahrungsgemäß sind sich bestimmt die meisten einig, dass die Lust und Motivation keine paar Monate andauert. Es entstehen immer neue Ausreden, wieso der Sport mehr und mehr vernachlässigt wird. ,,Ich würde ja total gerne mal wieder Sport machen aber ich habe einfach keine Zeit dafür“. Falls man diese Aussage nicht schon selber einmal geäußert hat, kennt man sie höchstwahrscheinlich von Kollegen, Freunden oder der eigenen Familie.

Wenn der Zeitmangel jedoch mal nicht nur eine bloße Ausrede, sondern durch beispielsweise langen Arbeitszeiten gut begründet ist, ist das High-Intensity-Interval-Training, kurz HIIT, vielleicht die richtige Lösung. Viele schwören auf diese Art der Trainingsmethode und Plattformen wie YouTube bieten eine Vielzahl an ,,Mitmachvideos“, die dem Grundprinzip des HIITs entsprechen, sodass Sport auch bequem von zu Hause und sogar ohne zusätzliches Equipment ermöglicht wird.

Deshalb stellt sich nun die interessante und durchaus berechtigte Frage, welche konkreten Auswirkungen das HII-Training auf den menschlichen Körper hat. Ist es wirklich so effektiv wie Viele sagen?

Das Ziel dieser Seminararbeit soll die Aufklärung über die physischen Folgen des HII-Tranings sein. Grob wird diese in langfristige und kurzfristige Auswirkungen untergliedert, worin die neusten Erkenntnisse wissenschaftlicher Studien präsentiert und zusammenfassend analysiert werden sollen.

Zusätzlich wird in dieser Arbeit eine eigenständige Versuchsreihe durchgeführt, um die effektivste Übung aus einer selbsterstellten HII-Trainingseinheit zu ermitteln.

2 Definition

Das High-Intensity-Interval-Training, auf Deutsch hochintensives Intervall- training, ist, wie der Name schon verrät, intervallartig aufgebaut. Das heißt auf zeitlich kurze intensiven Belastungen folgen Erholungspausen. Dadurch ist keine vollständige Erholung möglich, sodass ein starker Trainingsreiz induziert wird. Die Belastungsdauer variiert sehr stark je nach Ausgestaltung des Trainings ab. Häufig befindet sie sich jedoch im Rahmen von 30 bis 300 Sekunden (beziehungsweise 0,5 bis 5 Minuten). Die Belastungsintensität wird in den meisten Fällen in Prozent der maximalen Sauerstoffaufnahme (VO2 max), seltener aber auch in Prozent der maximalen Herzfrequenz (Hfmax), angegeben. In der Regel sollte die Intensität bei 80-100 % liegen. In Ausnahmefällen befindet sich dieser Wert leicht darunter und manchmal aber auch weit darüber, sodass man durchaus in den supermaximalen (,,all-out“) Bereich von bis zu 250 % VO2 max gelangen kann. Wie die Belastungsdauer hat auch die Belastungsdichte, also das Verhältnis von Pause und Belastung, keine festen Vorgaben. Je nach Belastungsintensität sind Verhältnisse von 8 : 1 aber auch 1 : 8 möglich. Die Häufigkeit, wie oft ein Intervall wiederholt wird, unterscheidet sich stark. Ein ganzes HIIT-Workout sollte jedoch nicht länger als 30 Minuten dauern.

3 Langfristige Auswirkungen

3.1 HIIT und die aerobe Kapazität

Die aerobe Kapazität wird meist durch den Index VO2 max bestimmt. Dieser gibt die maximale Menge an Sauerstoff an, die der Körper bei intensiven Belastungen aufnehmen, und zu den entsprechenden Muskeln transportieren kann.¹,² Er ist dabei auch ein Indikator für die kardiovaskuläre Fitness³.

Der japanische Wissenschaftler Dr. Tabata et al. führte 1996 eine Studie⁴ durch, in der er moderates Ausdauertraining (moderate intensity continuous training, kurz MICT) mit einer selbst entwickelten Tabata-Trainingsmethode, welches eine Spezialform des HIITs ist, vergleichen konnte. Die Besonderheit von Tabata ist, dass die Belastungsdauer und die Belastungsdichte mit 20 Sekunden Belastung und 10 Sekunden Pause für insgesamt vier Minuten, fest vorgegeben ist.

Für seine Forschungsarbeit trainierten männliche Probanden sechs Wochen entweder nach dem Tabata-Schema (n=7)⁵ auf dem Fahrradergometer mit einer supermaximalen Intensität von 170 % VO2 max oder sie führten ein einstündiges Ausdauertraining (n=7) mit 70 % VO2 max durch. Als Ergebnis konnte man einen um neun Prozent verbesserten VO2 max-Wert bei denen feststellen, die mit einer moderaten Intensität trainiert haben. Die HIIT-Gruppe hingegen konnte ihren VO2 max-Wert um bis zu 15 % steigern. Obwohl dieses Ergebnis die überlegende Anpassung des VO2 max beim HII-Training im Gegensatz zum MIC-Training zeigt, ergibt sich jedoch die Frage, ob sich dieser Befund auch mit jedem anderen HIIT replizieren lässt, welches nicht nach der, für das Tabata charakteristischen, Belastungsdauer von 20 : 10 gestaltet ist.

Damit befasst sich die wissenschaftliche Arbeit⁶ von Astorino et al. Bei dieser Studie wurden drei Gruppen (je n=10) gebildet, die sich in ihren Trainingsplänen unterschieden. Jede Gruppe trainierte an den ersten zehn Trainingstagen acht bis zehn Minuten täglich auf dem Fahrradergometer. Nach dieser ersten Phase führte die erste Gruppe ein vier bis sechs minütiges Sprint-Interval-Training (SIT) nach dem ,,all-out“ Prinzip durch. Bei der zweiten Gruppe folgte ein 12,5-17,5 minütiges High-Interval-Training mit einer Belastungsdauer von 2,5 Minuten und einer 60 sekündigen Erholungsphase. Diese, zum Fahrradergometer, zusätzlichen Einheiten wiederholten die Probanden an zehn Tagen jeweils einmal. Die dritte Gruppe führte das High-Volume-Training (MIC-Training) dreimal, das High-Intensity-Interval-Training viermal und das Sprint-Interval-Training dreimal durch.

Schließlich wurden signifikante aber ähnliche Verbesserungen der VO2 max-Werte bei allen Teilnehmer nach dem Fahrradergometertraining festgestellt, die jeder Proband in der ersten Phase durchlief. Unerwartet ist aber das Ergebnis, dass sich der VO2 max-Wert der High-Volume-Trainingsgruppe im Vergleich zur SIT-Gruppe nicht stark verbessert hat, obwohl die Belastungsdauer wesentlich länger war. Das Fazit aus dieser Studie ist, dass nicht die Belastungsdauer von entscheidender Bedeutung für die Steigerung der aeroben Kapazität ist, sondern die Belastungsintensität.

Abschließend ist also festzuhalten, dass nicht nur das Tabata-Modell mit dem Zeitverhältnis 20:10 zum Erfolg führt, sondern alle HIIT-Formen, die mit hoher Intensität ausgeführt werden.

3.2 HIIT und die Insulinsensitivität

Insulinsensitivität beschreibt die ,,Sensitivität der Zellen für Insulin, und damit die Fähigkeit zur Aufnahme von Glucose […] in die Zellen“⁷ . Ist dieser Mechanismus gestört, kann es zu einer Insulinresistenz und somit zu Diabetes führen.

Glucose ist ein wichtiger Energielieferant bei körperlichen Aktivitäten. Mit erhöhter Übungsintensität werden Kohlenhydrate (Glucose) zum bevorzugten Stoff der Adenosintriphosphat-Regeneration⁸, weshalb die Insulinsensitivität während und nach der muskulären Betätigung normalerweise erhöht ist. Außerdem wird durch gesteigerte Muskelkontraktionen der Glucosetransporter 4 (kurz GLUT4) aktiv. Dieser ermöglicht einen insulinunabhängigen Transport der Glucose in die Muskelzellen.⁹

In der Studie¹⁰ von Professor Izquierdo und seinem Team wird die Beziehung zwischen dem HII-Training und der Insulinsensitivität untersucht. Das Ziel der Arbeit ist es eine präventive Methode für Stoffwechselerkrankungen wie Diabetes zu finden. Hierfür unterliefen vierzig Frauen mit einem erhöhten Diabetes-Typ-2-Risiko, ein zehnwöchiges HIIT-Programm. Dabei wurden sie in eine Gruppe mit erhöhter (n=20) und eine mit niedrigerer (n=20) Insulinresistenz unterteilt. Nach Auswertung der Studie konnte man signifikante Unterschiede bei den Nüchternglucosewerten¹¹ (-8,8 %), Nüchterninsulinwerten¹² (-26,5 %) und dem Homeostatic Model Assessment for Insulin Resistence¹³ (-32,1 %), kurz HOMA IR, bei den Frauen mit erhöhter Insulinresistenz feststellen. Auch andere Risikofaktoren für Typ-2-Diabetes wie Übergewicht, Bluthochdruck und ein erhöhter Taillenumfang konnten bei beiden Gruppen erfolgreich reduziert werden, sodass eine präventive Wirkung des HII-Trainings deutlich wird.

Um die verbesserte Insulinsensitivität nun jedoch besser erklären zu können, wird eine weitere Studie¹⁴ aufgeführt.

In dieser wissenschaftlichen Untersuchung wurden fünfzig übergewichtige Probanden entweder der Kontrollgruppe (n=25) oder der HIIT-Gruppe (n=25) zugewiesen. Die HIIT-Gruppe unterlief dann eine zwölfwöchige Intervention, wobei die Analyse der Genexpression¹⁵ im Vordergrund stand.

Nach Ablauf der Studie konnte man im Vergleich eine erhöhte Expression von PGC-1 alpha und AdipoR1 feststellen. PGC-1 alpha ist ein Protein, dessen vermehrtes Aufkommen unter anderem die Glucoseaufnahme in die Muskelzellen erhöht und die Bildung des Glucosetransporters GLUT4 begünstigt. AdipoR1 ist ein Rezeptor, der dem Hypothalamus die insulinähnlichen Wirkungen von Adiponectin vermittelt. Das Protein Adiponectin hat eine insulinsensibilisierende Wirkung, kann die Insulinresistenz ausbremsen und verbessert die Insulinwirkung im Gewebe.¹⁶

3.3 HIIT und die Fettsäureoxidation

Fettsäureoxidation (FOx), umgangssprachlich auch Fettverbrennung genannt, beschreibt den Prozess der Energiebereitstellung durch Redoxreaktionen. Dieser Ablauf findet in den Mitochondrien fast aller Zellen statt.¹⁷ Bei der Redoxreaktion geben die Fettsäuren ein oder mehrere Elektronen ab, die dann durch den Reaktionspartner, einem Elektronenakzeptor, wieder aufgenommen werden. Obwohl die Fettoxidation ein Vorgang ist, der ununterbrochen im Körper abläuft, hängt das Ausmaß stark von der körperlichen Belastung, also vom Grad des Energiebedarfs, ab.

Es etablierte sich bei Sportlern und Medizinern jahrelang die Auffassung, dass sich die Belastungsintensität in einem gemäßigten Bereich aufhalten müsse, damit Fettreserven optimal oxidiert werden können. Beispielweise hat die anschließende Studie¹⁸ Belege dafür, dass ein langandauerndes moderates Training bei einer Intensität von 50 bis 65 % VO2 max der beste Weg sei, um optimal Körperfett zu verbrennen.

Doch ,,[d]iese Empfehlung [der Trainingsart und Trainingsintensität] basierte auf der Fehlinterpretation physiologischer Fakten“¹⁹ , so Stemper. Hinzu kommt, dass neuere Forschungen ergeben haben, dass wichtige Faktoren vernachlässigt wurden. Ein Aspekt ist zum Beispiel, dass extreme Belastungen, wie hier das HIIT, zu einem Anstieg des Stresshormons Adrenalin führen. Adrenalin fördert über drei verschiedene Adrenorezeptoren²⁰ die Lipolyse, also die Verstoffwechslung der Fettsäuren, sodass diese zur Energiebereitstellung dienen kann, wenn der Glykogenspeicher erschöpft ist.

Zudem konnte man feststellen, dass beta-Adrenorezeptoren hauptsächlich im Bauchfett zu finden sind. Das heißt, dass das HIIT das Potential besitzt den abdominalen Bauchfettspeicher zu reduzieren.²¹ Unter anderem wurde auch die Zunahme von 3-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase nachgewiesen²², welches die Fettsäureoxidation katalysiert.

Viana²³ et al. hat eine Vielzahl bereits existierender Studien über die Auswirkungen des HII-Trainings auf die Fettverbrennung schematisch verglichen und ausgewertet. Daraus konnte er folgendes Fazit ziehen:

,,Interval training and moderate-intensity continuous training provide similar benefits for body fat percentage reduction; however, interval training provides greater reductions in total absolute fat mass“.²⁴

Es ist jedoch noch zu berücksichtigen, dass obwohl ein durchschnittlicher Anstieg der Fettsäureoxidationsrate feststellbar ist, ist dies im Gegensatz zur Zunahme des VO2 max nicht universell replizierbar.²⁵ Das heißt, nicht bei allen Probanden in den verschiedenen Studien konnte eine eindeutige Zunahme des FOx nachgewiesen werden.

3.4 HIIT und die mitochondriale Adaption

Das Mitochondrium ist ein Zellorganell, welches zur Energiegewinnung dient. Dort laufen die chemischen Reaktionen der Atmungskette ab, wobei Glucose mit einem hohen Effizienzgrad zu ATP²⁶ synthetisiert wird. Die von ATP gespeicherte Energie wird dann an die kleinsten Einheiten der Muskeln, den Myofibrillen, abgegeben um Kontraktionen des Muskels auszuführen.²⁷ Folgendes ist bereits bekannt: ,,[The] mitochondrial content increases after aerobic-based exercise training“ ²⁸. Dennoch stellt sich hier die Frage in welcher Beziehung die Belastungsintensität mit der mitochondrialen Adaption im Körper steht.

[...]

¹ vgl. Willamette University: https://willamette.edu/arts-sciences/exsci/laboratory-testing/services/aerobic-capacity/index.html (Stand: 06.08.2020)

² vgl. Hussein, Norhayati: https://www.sciencedirect.com/topics/nursing-and-health-professions/aerobic-capacity (Stand: 06.08.2020)

³ Kapazität des Herz-Kreislaufsystems effizient sauerstoffreiches Blut zu den arbeitenden Muskeln zu transportieren

⁴ vgl. Tabata, Izumi: Effects of moderate-intensity endurence and high-intensity intermittent training on anaerobic capacity and VO(2max), in: Applied Science: Physical Fitness and Performance, Band 28, 1996, S.1327-1330

⁵ Die nach dem Gleichheitszeichen stehende Ziffer steht für die Anzahl der Probanden.

⁶ vgl. Astorino, Todd Anthony, High-Intensity Interval Training Increases Cardiac Output and VO2max, in: Medicine and science in sports and exercise, Band 49, 2017, S.265-273

⁷ Stemper, Theodor: HIIT als Gesundheitstraining?, in: Fitness&Gesundheit, 2015, S.87

⁸ vgl. Wormgoor, Shohn G: Acute blood glucose, cardiovascular and exaggerated responses to HIIT and moderate-intensity continuous training in men with type 2 diabetes, in: The journal of sports medicine and physical fitness, Band 58, 2018, S.1123

⁹ vgl. Neye, Holger: https://www.pharmazeutische-zeitung.de/ausgabe-202012/wie-sport-im-muskel-wirkt/ (Stand: 01.10.2020)

¹⁰ vgl. Álvarez, Cristian: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2017.00479/full#h6 (Stand: 01.10.2020)

¹¹ Glucosewert bei einer Nahrungskarenz von mindestens acht Stunden

¹² Insulinwert bei einer Nahrungskarenz von mindestens zwölf Stunden

¹³ Methode zur Quantifizierung der Insulinresistenz; Formel: (Glucose*Insulin)/22,5 Einheit: (mmol/l)

¹⁴ vgl. Za‘don, Asilah: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31929469/#affiliation-6 (Stand: 10.08.2020)

¹⁵ Umsetzung der, in der DNA gespeicherten, Information in ein Produkt (RNA und Proteine)

¹⁶ vgl. Coope, Andressa:https://febs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1016/j.febslet.2008.03.037 (Stand: 10.08.2020)

¹⁷ vgl. Nonnenmacher: https://medlexi.de/Fetts%c3%a4ureoxidation (Stand: 10.08.2020)

¹⁸ Jeukendrup, Asker E.: Fettverbrennung und körperliche Aktivität, in: Deutsche Zeitschrift für Sportmedizin, Band 9, 2005, S. 337-338

¹⁹ Stemper, Theodor: HIIT als Gesundheitstraining?, in: Fitness&Gesundheit, 2005, S.88

²⁰ Rezeptoren für das Hormon Adrenalin

²¹ vgl. Boutcher, Steve: https://www.researchgate.net/publication/49641141_High-Intensity_Intermittent_Exercise_and_Fat_Loss (Stand: 18.10.2020)

²² vgl. Asterino, Todd Anthony: Changes in fat oxidation in response to various regimes of high intensity interval training, in: Europe journal of applied physiology, Band 118, 2018, S. 51-63

²³ Viana, Ricardo Borges: Is interval training the magic bullet for fat loss? A systemic review and meta-analysis comparing mmoderate-intensity continuous training with high-intensity interval traing (HIIT), in: British Journal of Sports Medicine, Band 53, 2019, S.655-664

²⁴ Viana, a.a.O., S.664

²⁵ vgl. Asterino, Todd Anthony: Changes in fat oxidation in response to various regimes of high intensity interval training, in: Europe journal of applied physiology, Band 118, 2018, S. 59

²⁶ Adenosintriphosphat; Energiespeicher

²⁷ vgl. Dober, Rolf: http://www.sportunterricht.de/lksport/mito1.html (Stand: 05.09.2020)

²⁸ Macinnis, Martin: Superior mitochondrial adaptions in human skeletal muscel after interval compared to continuous single-leg cycling matched for total work, in: The journal of physiology, Band 595, 2017, S.2956