Molekulare Sport- und Leistungsphysiologie: molekulare, zellbiologische und genetische Aspekte der körperlichen Leistungsfähigkeit
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Weitere Verfasser: | , , , , |
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Format: | Buch |
Sprache: | German |
Veröffentlicht: |
Wien
Springer
[2018]
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Schlagworte: | |
Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis Klappentext |
Beschreibung: | XXIV, 469 Seiten Illustrationen, Diagramme |
ISBN: | 9783709115909 |
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I Grundlagen
1 Einführung in die Genetik......................................................... 3
Barbara Wessner, Gerda Katschinka
1.1 Einleitung........................................................................ 4
1.2 Das genetische Material........................................................... 4
1.2.1 Aufbau und Funktion der DNA....................................................... 4
1.2.2 Organisation der DNA.............................................................. 7
1.2.3 Weitergabe der genetischen Information........................................... 10
1.3 Grundlagen der Vererbung......................................................... 14
1.3.1 Mendel sche Vererbungsregeln..................................................... 14
1.3.2 Genotyp und Phänotyp............................................................. 15
1.4 Veränderungen des Genoms......................................................... 16
1.4.1 Mutationen und Polymorphismen.................................................... 16
1.4.2 Evolution........................................................................ 17
1.4.3 Populationsgenetik............................................................... 19
1.5 Epigenetik....................................................................... 19
1.5.1 DNA-Methylierung................................................................. 20
1.5.2 Histonmodifikationen............................................................. 20
1.5.3 Interaktionen zwischen DNA-Methylierung und Histonmodifikationen................. 23
1.5.4 Chromatin-Remodeling............................................................. 24
Literatur....................................................................... 24
2 Genexpression.................................................................... 27
Barbara Wessner; Henning Wackerhage
2.1 Zentrales Dogma der Molekularbiologie........................................... 28
2.2 Transkription.................................................................... 29
2.2.1 Ablauf derTranskription.......................................................... 29
2.2.2 Posttranskriptionale Modifikationen.............................................. 30
2.3 Translation...................................................................... 32
2.3.1 Der genetische Code.............................................................. 32
2.3.2 Ablauf der Translation........................................................... 33
2.3.3 Posttranslationale Modifikationen................................................ 34
2.3.4 Räumliche Anordnung der Proteine................................................. 34
2.4 Regulierung der Genexpression.................................................... 35
2.4.1 Epigenetische Mechanismen........................................................ 35
2.4.2 Kontrolle auf Ebene derTranskription............................................. 36
2.4.3 MicroRNAs........................................................................ 36
2.5 Proteinabbau..................................................................... 38
2.5.1 Ubiquitin-Proteasom-System....................................................... 38
2.5.2 Autophagie/Lysosom............................................................... 39
Literatur....................................................................... 42
45
46
46
47
47
47
51
53
57
60
60
61
64
66
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68
69
71
71
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75
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86
86
88
88
89
89
89
90
91
92
96
Inhaltsverzeichnis
Signaltransduktion...............
Barbara Wessner, Henning Wackerhage
Mechanismen der Signalübertragung
Ügand-Rezeptor-Wechselwirkung----
Rezeptortypen....................
Zytoplasmatische Rezeptoren......
Membranrezeptoren................
Signalweiterieitung..............
Literatur........................
Molekulare Leistungsphysiologie
Einführung in das Herz-Kreislauf-System.........................
Herbert Löllgen, Norbert Bachl, Christian Lorenz, Eric Schulze-Bahn
Ruth Löllgen, Eszter Csajägi, Fabio Pigozzi
Herz-Kreislauf-System...........................................
Funktionen des Herz-Kreislauf-Systems...........................
Gefäße..........................................................
Angiogenese.....................................................
Gas- und Sauerstoffaustausch....................................
Herzfunktion....................................................
Molekularbiologische Aspekte der Herzmuskelhypertrophie.........
Physiologische Herzmuskelhypertrophie...........................
Pathologische Herzmuskelhypertrophie............................
Reizleitungssystem..............................................
Reizbildung und Reizleitung ....................................
Herzmuskelkontraktion - elektrophysiologische Aspekte...........
Herzmechanik die Kontraktion des Herzen........................
Elektromechanische Kopplung.....................................
Regulation der Herzmechanik.....................................
Steuerung der Herzaktion........................................
Methodik zur Erfassung hämodynamischer Messgrößen...............
Komponenten der kardialen Funktion unter Belastung..............
Kardiale Messgrößen unter Belastung.............................
Respiratorische Größen..........................................
Funktionelle Kapazität (Synonyma: Belastungskapazität „Exercise capacity
oder„Physical capacity )........................................
Klinische Symptome und Anstrengungsempfinden....................
Zelluläre Beschreibung und Funktion.............................
Rezeptoren......................................................
Proteine und kardiale Marker....................................
Molekulare Anpassungsmechanismen................................
Veränderung bei Belastung.......................................
Adaptation des Herzens durch körperliche Aktivität..............
Regulative Anpassungsmechanismen................................
Strukturelle Anpassungsmechanismen..............................
Adaptation des Herzens durch körperliche Aktivität..............
XV
4.6.6 Ausdauersport: Nutzen oder Schaden.............................................. 97
4.6.7 Anpassung des arteriellen Gefäßsystems an chronische Belastungen (Training)..... 98
4.6.8 Zelluläre Beschreibung und Funktion............................................. 98
4.6.9 Optimierung und Maximierung der Leistungsfähigkeit.............................. 99
4.6.10 Arbeitende Muskulatur........................................................... 99
4.6.11- Anpassung der Muskulatur an körperliche Aktivität............................... 99
4.6.12 Weitere molekulare Anpassungsmechanismen....................................... 100
Literatur...................................................................... 101
5 Muskelapparat.................................................................. 105
Henning Wackerhage, Marlene Hofmann, Barbara Wessner
5.1 Myogenese - Die Entstehung der Muskelzelle..................................... 106
5.1.1 Satellitenzellen............................................................... 106
5.1.2 Aktivierte Sateliitenzellen und Proliferation zu Myoblasten.................... 109
5.1.3 Differenzierung zu Muskelfasern................................................ 109
5.1.4 Regeneration................................................................... 111
5.1.5 Zelltod........................................................................ 111
5.2 Molekularer Aufbau der Muskelzelle............................................. 114
5.2.1 Die kontraktile Einheit - das Sarkomer......................................... 115
5.2.2 Proteine des Sarkomers......................................................... 115
5.2.3 Extrazelluläre Matrix.......................................................... 117
5.3 Der Muskel als Energiewandler.................................................. 120
5.3.1 Energiestoffwechel im Muskel................................................... 120
5.4 Muskelfasertypen............................................................... 122
5.5 Überblick bewegungsinduzierter Signalwege...................................... 125
Literatur...................................................................... 126
6 Nervensystem................................................................... 129
Eva-Maria Strasser, Stefan Oesen
6.1 Basisphysiologie des Nervensystems............................................. 130
6.1.1 Motorische Einheit............................................................. 130
6.1.2 Rekrutierung von motorischen Einheiten......................................... 130
6.1.3 Elektromechanische Kopplung.................................................... 131
6.2 Zentrale Faktoren der neuromuskulären Ermüdung................................. 131
6.2.1 Ermüdung....................................................................... 131
6.2.2 Spinale Mechanismen der Ermüdung............................................... 132
6.2.3 Suprapinale Mechanismen der Ermüdung........................................... 133
6.3 Anpassungsreaktionen der motorischen Einheit auf Training...................... 133
6.3.1 Ausdauertraining............................................................... 134
6.3.2 Krafttraining.................................................................. 134
6.4 Anpassungsreaktionen des zentralen Nervensystems auf Training.................. 135
6.5 Zusammenfassung................................................................ 136
Literatur...................................................................... 136
7 Mechanische Belastung und Bindegewebe.......................................... 139
Micheal Kjaer, Norbert Bachl, Christian Lorenz, Stefan Nehrer, Florian Halbwirth
7.1 Bindegewebe.................................................................... 140
7.1.1 Strukturelle Grundlagen........................................................ 140
7.1.2 Molekulare Grundlagen des Bindegewebes....................................... 145
XVI Inhaltsverzeichnis
7.1.3 Mechanische Übertragung und Wachstumsfaktoren im Matrixgewebe.................. 146
7.2 Knochen und Adaption durch körperliche Bewegung................................ 147
7.2.1 Mechanische Übertragung........................................................ 147
7.2.2 Genetische Varianten und Knochenverletzung..................................... 149
7.2.3 Mechanische Übertragung....................................................... 151
7.2.4 Genetische Varianten von Knorpelgewebe......................................... 152
7.3 Sehnen und Adaption durch körperliche Bewegung................................. 153
7.3.1 Mechanische Übertragung........................................................ 153
7.3.2 Funktion und mechanische Eigenschaften von menschlichem Sehnenbindegewebe im
lebenden Organismus............................................................ 155
7.3.3 Verletzungsrisiken des Bindegewebes............................................ 156
7.3.4 Genetische Varianten von Sehnenbindegewebe im Zusammenhang mit
Sehnenverletzungen............................................................. 156
Literatur...................................................................... 164
8 Wachstumsfaktoren unter besonderer Berücksichtigung des
muskuioskelettaien Systems..................................................... 171
Norbert Bachl, Christian Lorenz, Goldspink Geoffrey
8.1 Einleitung..................................................................... 173
8.2 Definition, Wirkungsweisen und Signalketten von Wachstumsfaktoren.............. 178
8.3 Wirkungen von Wachstumsfaktoren auf die Skelettmuskulatur...................... 190
8.3.1 IGF und MGF.................................................................... 191
8.3.2 FGF............................................................................ 199
8.3.3 Myostatin/GDF-8................................................................ 199
8.3.4 VEGF........................................................................... 203
8.3.5 TGF-ß........................................................................ 203
8.3.6 LIF............................................................................ 204
8.3.7 BDNF........................................................................... 204
8.4 Wirkungen von Wachstumsfaktoren auf Knochen und Knorpel........................ 205
8.4.1 FGF............................................................................ 206
8.4.2 IGF und MGF.................................................................... 206
8.4.3 TGF-ß.......................................................................... 207
8.4.4 LIF............................................................................ 207
8.4.5 PDGF......................................................................... 207
8.4.6 BMP............................................................................ 208
8.5 Wirkungen von Wachstumsfaktoren auf Bänder und Sehnen.......................... 208
8.5.1 FGF............................................................................ 209
8.5.2 IGF und MGF.................................................................... 209
8.5.3 TGF-ß.......................................................................... 209
8.5.4 GDF............................................................................ 209
8.5.5 VEGF........................................................................... 210
8.5.6 EGF............................................................................ 210
8.5.7 PDGF........................................................................... 210
8.6 Thrombozytenreiches Plasma, plättchenreiches Plasma, Platelet Rieh
Plasma (PRP)................................................................... 210
8.6.1 PRP in Skelettmuskelgeweben.................................................... 212
8.6.2 PRP in Sehnen- und Bandgeweben................................................. 212
8.6.3 PRP in Knochen- und Knorpelgeweben............................................. 213
Literatur...................................................................... 214
XVII
; r h c- * tsv s?zeichn:s
9 Endokrines System........................................................... 229
Erich Roth, Johannes Huber
9.1 Grundlagen.................................................................. 230
9.1.1 Wechselwirkung zwischen Stoffwechselprodukten und Hormonen.................. 230
9.1.2 Vermittlung der Hormonwirkung............................................... 231
9.2 Regulation hormoneller Systeme.............................................. 232
9.2.1 Hypothalamus/Hypophyse...................................................... 232
9.2.2 Schilddrüsenhormone......................................................... 235
9.2.3 Biogene Amine und das Zellwachstum.......................................... 236
9.2.4 Steroidhormone.............................................................. 237
9.2.5 Sexualhormone............................................................... 238
9.2.6 Parathormon/Vitamin D/Calcitonin............................................ 242
9.2.7 Insulin/Glukagon/Leptin (Energiestoffwechsel)............................... 243
9.2.8 Hormone des Elektrolyt und Wasserhaushaltes................................. 245
9.3 Einfluss von Sport auf Hormonspiegel........................................ 246
9.4 Hormondoping................................................................ 248
9.4.1 Wachstumshormon............................................................. 248
9.4.2 Androgene Hormone........................................................... 248
9.5 Weibliche Sexualsteroide, genetische Polymorphismen und körperliche
Performance................................................................. 249
9.5.1 Einleitung.................................................................. 249
9.5.2 Blutkreislauf............................................................... 249
9.5.3 Muskulatur.................................................................. 254
9.5.4 Geschlechtshormonabhängigkeit der Lungenfunktion............................ 255
9.5.5 Stoffwechsel und Sexual Steroide............................................ 257
9.5.6 Sexualhormone und Psyche.................................................... 259
Literatur................................................................... 261
10 Immunsystem................................................................. 265
Erich Roth, Barbara Schober-Halper, Barbara Wessner
10.1 Einleitung.................................................................. 266
10.2 Grundlagen des Immunsystems................................................. 267
10.2.1 Aufgaben des Immunsystems................................................... 267
10.2.2 Zellen des Immunsystems..................................................... 267
10.2.3 Angeborenes Immunsystem - Phagozytose....................................... 270
10.2.4 Akute-Phase-Reaktion........................................................ 272
10.2.5 Adaptive Immunabwehr-Antikörperbildung...................................... 273
10.2.6 Pro-und antiinflammatorische Zytokine....................................... 273
10.2.7 Mukosales Immunsystem....................................................... 275
10.2.8 Immunologische Methoden..................................................... 275
10.3 Einfluss einer akuten sportlichen Belastung................................. 276
10.3.1 Angeborenes Immunsystem..................................................... 276
10.3.2 Erworbenes Immunsystem...................................................... 278
10.3.3 Zytokine.................................................................... 280
10.3.4 Hitzeschockproteine, Sauerstoffmetaboliten.................................. 281
10.4 Langandauernde Trainingsperioden und Underperformance-Syndrom............... 281
10.5 Anti-inflammatorische Effekte körperlicher Aktivität........................ 283
10.6 Erkrankungen und körperliche Inaktivität.................................... 285
10.6.1 Diabetes.................................................................... 285
286
286
286
286
287
291
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294
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300
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319
321
321
322
322
323
Inhaltsverzeichnis
Karzinome........................................
Rheumatofogische und respiratorische Erkrankungen
intensivpatienten................................
After............................................
Literatur........................................
Spezielle Aspekte
Anpassung an Ausdauertraining......................................
Hans Hoppeier
Einleitung - systemphysiologischer Überblick.......................
Mitochondrien in Muskeizelien......................................
Strukturelle und funktionelle Anpassung............................
Molekulare Mechanismen der mitochondrialen Anpassungsfähigkeit.....
Mikrozirkulation und Makrozirkulation..............................
Mikrozirkulation...................................................
Makrozirkulation...................................................
Hämoglobingehalt...................................................
Akute Veränderungen des Hämoglobingehaltes.........................
Chronische Veränderungen des Hämoglobingehaltes bei Ausdauerleistungen
in der Höhe........................................................
Herz...............................................................
Lunge..............................................................
Literatur..........................................................
Anpassung an Krafttraining.........................................
Henning Wackerhaget Stefan Oesen, Marlene Hofmann, Harald Tschan
Einleitung.........................................................
Talent für Muskelmasse und Kraft...................................
Anpassungen........................................................
Hyperplasie........................................................
Muskelfaserhypertrophie............................................
Signalwege.........................................................
mTOR...............................................................
Myostatin/Smad.....................................................
Krafttraining und Satellitenzellen.................................
Gleichzeitiges Kraft- und Ausdauertraining (Concurrent Training)...
Literatur..........................................................
Stoffwechselprinzipien der Ernährung...............................
Petra Stuparits, Erich Roth, Karl-Heinz Wagner
Einleitung.........................................................
Bedeutung der Ernährung für den Muskel.............................
Kohlenhydrate......................................................
Proteine...........................................................
Fette..............................................................
I
XIX
13.2.4 Mikronährstoffe................................................................ 323
13.2.5 Flüssigkeitszufuhr........................................................... 323
13.3 Chemie der Makro-und Mikronährstoffe........................................... 324
13.3.1 Proteine, Aminosäuren.......................................................... 324
13.3.2 Kohlenhydrate.................................................................. 325
13.3.3 Fette.......................................................................... 326
13.3.4 Vitamine....................................................................... 328
13.3.5 Mineralstoffe - Mengenelemente................................................. 328
13.3.6 Mineralstoffe - Spurenelemente................................................. 330
13.4 Molekulare Ernährungsprinzipien................................................ 331
13.4.1 Stickstoffhomöostase........................................................... 331
13.4.2 Aminosäuren.................................................................... 331
13.4.3 Energiegewinnung............................................................... 333
13.4.4 Glukosestoffwechsel............................................................ 333
13.4.5 Fettstoffwechsel............................................................... 335
13.5 Einfluss der Ernährung auf physiologische und molekulare Mechanismen der
Trainingsanpassung............................................................. 336
13.5.1 Regulation des Energiestoffwechsels............................................ 336
13.5.2 Kohlenhydratstoffwechsel und Trainingsanpassung................................ 337
13.5.3 Fettstoffwechsel und Trainingsanpassung........................................ 339
13.5.4 Proteinstoffwechsel und Trainingsanpassung..................................... 344
13.6 Nahrungsergänzungsmittel im Sport.............................................. 347
Literatur...................................................................... 352
14 Einfluss des Alters............................................................ 357
Barbara Wessner, Erich Roth, Marlene Hofmann, Norbert Bachl
14.1 Einleitung..................................................................... 358
14.2 Theorien des Alterns........................................................... 360
14.2.1 Biologische Uhren.............................................................. 360
14.2.2 Genomischeinstabilität......................................................... 361
14.2.3 Inflammageing.................................................................. 361
14.2.4 Oxidativer Stress.............................................................. 362
14.3 Der alternde Muskel............................................................ 364
14.4 Training im Alter.............................................................. 367
14.5 Wechselwirkung mit Ernährungssubstraten........................................ 368
Literatur...................................................................... 369
15 Körperliche Aktivität in der Prävention und Rehabilitation
von onkologischen Erkrankungen................................................. 373
Eva-Maria Strasser, Michael Quittan
15.1 Einleitung..................................................................... 374
15.2 Körperliche Aktivität in der Tumorprävention................................... 374
15.3 Molekularbiologische Mechanismen der Tumorprävention durch
körperliche Aktivität.......................................................... 376
15.3.1 Einfluss auf körpereigene Abwehrmechanismen.................................... 376
15.3.2 Einfluss auf Stoffwechselprozesse.............................................. 378
15.3.3 Einfluss auf das Immunsystem................................................... 380
15.4 Körperliche Aktivität in der onkologischen Rehabilitation...................... 380
382
382
385
385
391
393
393
393
395
397
397
398
398
401
402
402
405
406
407
407
407
409
409
409
409
411
411
412
412
412
413
413
414
414
414
414
Inhaltsverzeichnis
Tumorkachexie............................................................
Molekularbiologische Mechanismen derTumorkachexie........................
Einfluss von körperlicher Aktivität auf die Tumorkachexie................
Literatur................................................................
Körperliche Aktivität, Sport, Genetik und kardiovaskuläre
Erkrankungen.............................................................
Herbert Löllgen, Ruth Löllgen, Eric Schulze-Bahr; Norbert Bachl
Einführung...............................................................
Epidemiologie............................................................
Langes QT-Syndrom (LQT-Syndrom, Long-QT-Syndrom)............................
Kurzes QT-Syndrom (SQT-Syndrom, Short QT-Syndrom)...........................
Syndrom der frühen Repolarisation........................................
Brugada-Syndrom (BrS)....................................................
Catecholaminerge polymorphe ventrikuläre Tachykardie (CPVT, catecholaminergic
polymorphic ventricular tachycardia).....................................
Wolff-Parkinson-White-Syndrom (WPW-Syndrom, Präexcitations-Syndrom)......
Vorhofflimmern...........................................................
Kardiomyopathien.........................................................
Hypertrophe Kardiomyopathie (HCM) und hypertrophe obstruktive
Kardiomyopathie (HOCM)......................................................
Arrhythmogene rechtsventrikuläre Kardiomyopathie (oder Dysplasie) (ARVD).
Linksventrikuläre Non-Compaction Kardiomyopathie (NCCM)..................
Dilatative Kardiomyopathie...............................................
Mitochondriale DNA-Erkrankung mit kardialer Beteilung....................
Koronare Herzkrankheit...................................................
Körperliche Aktivität und Training.......................................
Allgemeine Hinweise......................................................
Molekulare Mechanismen...................................................
Trainingseffekte bei Herzkrankheiten.....................................
Genetische Untersuchungen bei Sportlern und deren Angehörigen............
Risikoabschätzung........................................................
Leitlinie zur sportärztlichen Vorsorgeuntersuchung.......................
Empfehlungen nach den Leitlinien der AHA.................................
Empfehlung zur genetischen Untersuchung bei langem QT-Syndrom (LQTS).....
Empfehlung zur genetischen Untersuchung bei katecholaminerger polymorpher
Kammertachykardie (Catecholaminergic polymorphic ventricular
tachycardia, CPVT).......................................................
Empfehlung zur genetischen Untersuchung bei Brugada-Syndrom (BrS)........
Empfehlung zur genetischen Untersuchung bei hypertropher
Kardiomyopathie (HCM)....................................................
Empfehlung zur genetischen Untersuchung bei arrhythmogener rechtsventriulärer
Kardiomyopathie/Dysplasie (AMC/ARVD).....................................
Empfehlung zur postmortalen genetischen Untersuchung nach einem plötzlichen
und unerwarteten Tod (sudden unexpected death - SUD; sudden infant death
syndrom - SIDS)..........................................................
Literatur................................................................
XXI
17 Genetik der Leistungsfähigkeit und Trainierbarkeit............................ 419
Katharina Blume, Yannis Pitsiladis, Guan Wang, Bernd Wolfarth
17.1 Einleitung.................................................................... 420
17.2 Das sportliche Talent........................................................ 421
17.3 Geographische Variation....................................................... 422
17.4 Genetische Diagnostik......................................................... 423
17.5 Genetik und Sport in der wissenschaftlichen Literatur: wichtige Studien und
Studienkohorten............................................................... 425
17.6 Gene und Polymorphismen von Interesse......................................... 428
17.6.1 Kandidatengene in Bezug zur Ausdauerleistungsfähigkeit........................ 428
17.6.2 Kandidatengene des Muskelstoffwechsels........................................ 431
17.6.3 Kandidatengene im Zusammenhang mit der Sauerstoffzufuhr....................... 434
17.6.4 Kandidatengene im Zusammenhang mit der Energiezufuhr.......................... 434
17.6.5 Andere wichtige Kandidatengene................................................ 436
17.7 Limitationen.................................................................. 437
17.8 Zusammenfassung und Ausblick.................................................. 438
Literatur..................................................................... 439
18 Epigenetik und körperliche Aktivität.......................................... 447
Gerda Katschinka, Barbara Wessner
18.1 Einleitung.................................................................... 448
18.2 Beeinflussung der Gehirnfunktion.............................................. 449
18.3 Epigenetische Modifikationen und Krebs........................................ 452
18.4 Diabetes mellitus............................................................. 454
18.5 Immunsystem................................................................... 454
18.6 Skelettmuskulatur, Epigenetik und körperliche Aktivität....................... 456
18.7 Ausblick zur Bedeutung von Epigenetik im Sport................................ 460
Literatur..................................................................... 460
Serviceteil................................................................... 463
Stichwortverzeichnis.......................................................... 464
Molekulare und zelluläre Vorgänge bei Bewegungs- oder
Trainingsreizen
Dieses Werk vermittelt Grundlagenwissen in Genetik, Molekular- und Zellbiolode,
stellt molekulare Mechanismen in leistungsphysiologischen Systemen dar und verbindet
sportmedizinische mit - wissenschaftlichen Aspekten der körperlichen Leistungsfähigkeit.
Der Brückenschlag zwischen theoretischem Wissen und praktischer Umsetzung gelingt
durch Einbindung methodischer Aspekte in die sogenannten „Methoden-INFOS“
Molekulare Sport- und Leistungsphysiologie ist die Lehre der Genetik und Signaltrans-
duktion im Kontext körperlicher Aktivität. Ihre grundlegenden Ansprüche liegen in
der Erforschung des Einfluss der Genetik auf die sportliche Leistungsfähigkeit und
der Anpassungsprozesse durch Bewegungs- oder Trainingsreize auf molekularer und
zellulärer Ebene.
Das Buch richtet sich an Berufsgruppen aus der Sportmedizin und Sportwissenschaft
sowie sonstige im sportmedizinischen oder -wissenschaftlichen Bereich tätigen Per-
sonen und Studierende, die sich fundiertes Wissen über moderne Erkenntnisse der
körperlichen Leistungsfähigkeit aneignen möchten.
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