Energiestoffwechsel

Je nach Nahrungszusammensetzung und Trainingszustand variiert die anteilige Nutzung der Verbrennung von Kohlenhydraten, Fetten und Eiweiß. Weiterer Einflussfaktor ist das Vorhanden- oder Abhandensein von Sauerstoff. Vergleichbar mit einem Kraftwerk wandelt der Körper die Energie aus Nahrungsmitteln in Arbeit (Muskelbewegung, Wärmeproduktion, Transport von Molekülen, Auf- und Abbau und Regeneration von Zellen und viele weitere Pflichttätigkeiten, die im Hintergrund ganz unbemerkt ablaufen) um. Die Verwendung der zur Energiegewinnung genutzten Nährstoffe hängt von vielen unterschiedlichen Einflüssen ab und ist keinesfalls konstant, je nach Angebot und Nachfrage (Muskeln mögen Kohlenhydrate und teilweise Fette, Hirnmasse mag ausschließlich Zucker, usw.). Die Nachfrage variiert aufgrund der Beanspruchung – verständlicherweise sind Vorgänge wie Flucht, Jagd oder Sprint auf schnelle Lieferung großer Energiemengen angewiesen, während wir im Schlaf mit ganz wenig Energie auskommen. Intensität und Dauer der Beanspruchung sowie Ausdauerzustand und Zeitpunkt und Art der vorangegangenen Nahrungszufuhr entscheiden über die Art der Energiegewinnung. Welcher Energieträger ausschließlich, überwiegend oder vorübergehend für die Energiegewinnung herangezogen wird, hängt neben der jeweiligen Beanspruchung des Körpers auch von den Eigenschaften der Nährstoffe ab:

Die energetische Flussrate besagt, wie schnell die Energie lieferbar ist. Premiumlieferant ist natürlich ATP und KP, gefolgt von anaerober und aerober Glykolyse. Weit abgeschlagen ist der Energielieferant Fett (das Phänomen ist uns wohl allen bekannt….. eher verlieren wir Muskelmasse als Fettpölster).

Das energetische Sauerstoffäquivalent ist für Sportler von Bedeutung. Kohlenhydrate sind in Bezug auf Sauerstoffaufnahme am günstigsten, dies bedeutet, dass Kohlenhydrate die meiste Energie aus den Nährstoffen pro Liter aufgenommenen Sauerstoffs liefern.

Der energetische Nutzeffekt, als dritte und letzte Eigenschaft der Nährstoffe beschreibt, wie viel der enthaltenen Energie nutzbar ist. Hier schneiden die Fette am besten ab; Pro Gewichtseinheit liefern Fette mehr als doppelt so viel Energie als Kohlenhydrate und Eiweiße.

Die nahrungsinduzierte Thermogenese beschreibt jene Wärmebildungsprozesse, welche nach Nahrungsaufnahme im Körper vorgehen: Durch die ablaufende Verdauung steigt die Körperwärme und es wird Wärme abgegeben. Diese Wärmebildung und damit einhergehend der Energieverlust ist bei Proteinen drei- bis vierfach höher als bei Fetten und Kohlenhydraten! Abnehmwillige greifen daher gerne auf hocheiweißhaltige Nahrung zurück, da diese im Endeffekt weniger Kalorien liefert als andere Nährstoffe.

Glucose hat eine Sonderstellung im Körper, sie muss immer zur Verfügung stehen und kann daher vom Körper selbst gebildet (siehe Gluconeogenese) werden, da lebenswichtige Organe wie Gehirn, Nebennierenmark und die roten Blutkörperchen ausschließlich durch Glucose genährt werden können. Muskeln hingegen können ihre Energie aus Kohlenhydraten und/oder Fetten beziehen. Die Reaktionskette läuft vereinfacht so ab: Nahrungsaufnahme => Verdauungstrakt => Abbau in chemische Grundbausteine => Energieübertragung auf ATP => Transport mittels Blut und Lymphe zu Erfolgsorganen bzw. Speicherung als Körperprotein, Glykogen, Fett für Zeiten zu geringer Energiezufuhr oder Hungerzustände.

Ablauf der Energiestoffwechsels

Grundsätzlich versucht der Körper, die aufgenommene Nahrung möglichst rückstandslos zu verbrennen. Wie jedes Feuer braucht auch die Verbrennung der Nährstoffe Sauerstoff. Dadurch liefern die Nährstoffe Wasserstoff (H), welcher in der inneren Atmung der Zelle in der sogenannten Atmungskette mit dem aus der äußeren Atmung stammenden Sauerstoff (O) zu Wasser (= H2O) aufgebaut wird. Die freiwerdende Energie, also all jene Bestandteile der Nahrung, deren Energie nicht auf Sauerstoff übertragen und somit als Wasser frei wird, wird als chemische Energie in Form von Phosphaten gespeichert oder als Wärmeenergie frei. Der Weg bis zu dieser Endoxidation stellt sich wie folgt dar:

1. Abbau der Nährstoffe bis zur aktivierten Essigsäure:
   Die Glycogenolyse bezeichnet jenen Vorgang, der Glykogen aus der Muskulatur mobilisiert und zur Glucose und in weiter Folge zu Brenztraubensäure (Pyruvat) verwandelt um dadurch brauchbar für den Körper zu werden. Glucose kann nun entweder ohne Sauerstoff (= anaerobe Glycolyse) oder mit Sauerstoff (aerobe Glycolyse) abgebaut werden. Anaerob entsteht Milchsäure (Lactat) welche in nicht arbeitenden Muskeln oder in der Leber verwertet wird oder innerhalb arbeitender Muskelzellen, wenn wieder genügend Sauerstoff zur Verfügung steht. Steigt der Lactatgehalt in der Muskulatur übermäßig an, führt dies zu Leistungsreduktion und Erschöpfung, da der Säurewert des Blutes dadurch bis auf einen pH-Wert von 6,8-6,9 (Normalwert: 7,36-7,44) absinkt. Der Energiegewinn bei anaerober Glycolyse beträgt lediglich 2 ATP. Aerob erfolgt der Glucoseabbau zu Kohlendioxid und Wasser; Dies ist jener Glucoseverarbeitungsweg, der die meiste Energie (nämlich 36 ATP) freisetzt. Fette und Eiweiße werden in die nächstkleineren Einheiten (Fettsäuren + Glycerin bzw. Aminosäuren) zerlegt.
2. Zitronensäurezyklus:
   Wie erwähnt, werden Kohlenhydrate (teilweise über den Umweg Glykogen) zu Brenztraubensäure umgebaut – daraus entsteht im Zitronensäurezyklus aktivierte Essigsäure (= Acetyl-Coenzym A). Hier treffen sich der Abbau von Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißen. Nachdem Brenztraubensäure aus Kohlenhydraten entsteht, und bei Mangel an Kohlenhydraten die in Form von Glykogen gespeicherten Kohlenhydrate zur Glucosegewinnung herangezogen werden, ist es auch nachvollziehbar, dass eine Erhöhung der Kohlenhydratzufuhr dem Glykogen- (und somit Muskel-) Abbau entgegenwirkt.
3. Zellatmung:
   Dieser auch als „innere Atmung“ bezeichnete Prozess beschreibt die treppenförmige Kettenreaktion der Übertragung von Wasserstoffatomen innerhalb der Mitochondrien (Zellbestandteil, „Kraftwerk“ der Zelle). Innerhalb dieser Mitochondrien, die in jeder einzelnen Körperzelle tausendfach vorhanden sind, wird schrittweise Energie von Wasserstoffatomen an Sauerstoff gebunden und dadurch H2O, also Wasser, gebildet.

Energiebereitstellung

Bei jeder sportlichen Betätigung läuft der Energieverbrauch in den Muskelzellen stufenweise ab, es werden also unterschiedliche Phasen durchlaufen, welche den Universalenergielieferant ATP bzw. nach dessen Verbrauch Glucose verschieden nutzen. Jede körperliche Aktivität erhält die erforderliche Energie zu Beginn auf anaerob-alaktazidem Weg. Dies bedeutet, dass von den Muskelzellen kein Sauerstoff verbraucht wird und auch kein Laktat produziert wird. Die Energie stammt alleinig aus ATP und KP, dieses steht sofort zur Verfügung, muss aber umgehend nachproduziert werden, weshalb bereits nach wenigen Sekunden körperlicher Arbeit die anaerob-laktazide Phase beginnt: Die Phosphatvorräte (ATP und KP) dürfen nicht vollständig aufgebraucht werden, deshalb nutzen die Zellen nun Glucose, den zweitschnellsten Energielieferanten. Die Energieausbeute ist aber relativ gering und das entstehende Laktat führt zu Ermüdung, wenn sich zuviel davon anhäuft.

Deshalb ist dieser Weg der Energiebereitstellung auch nur für kurzzeitige Aktivitäten (Bankdrücken, Gewichteheben,…) relevant.

Wünschenswert ist die aerob-alaktazide Energiebereitstellung: Diese springt zwar erst nach Durchlaufen der ersten beiden Phasen an und erfordert das Vorhandensein von Sauerstoff, dafür ist die Energieausbeute wesentlich besser, es entsteht kaum Laktat und Fettsäuren werden verbrannt!

Energienutzung

Wie oben erwähnt, entscheiden Art und Dauer der Beanspruchung mit, welche Art der Energiegewinnung genutzt wird:

Kurze schnelle Belastung bis zu 2 Sekunden – es wird schnell viel Energie benötigt, diese stammt vorrangig aus ATP und KP. Dauert die Intensivbelastung länger (wie etwa beim Bankdrücken) sind nach mehreren Wiederholungen die Kreatinphosphatvorräte des Muskels aufgebraucht und aufgrund der extremen Muskelanspannung kann nicht genug sauerstoffreiches Blut in die Oberkörpermuskulatur und Oberkörperextremitäten transportiert werden. Die anaerobe Glykolyse setzt in weiterer Folge ein.

Kurze, explosive Belastung von 6-8 Sekunden – die Energie stammt aus KP.

Bei Belastungen von bis zu 2 Minuten erfolgt der Energiegewinn durch anaerobe Glykolyse, es wird also kein Sauerstoff zur Energiegewinnung verwendet.

Belastungen von mehr als 2 Minuten Dauer bedürfen aerober Energiebereitstellung, mit Hilfe des Sauerstoffs werden Kohlenhydrate und Fette zur Energiebereitstellung herangezogen, wobei anfangs primär die Glykogenvorräte (also der Kohlenhydratspeicher) zur Energiegewinnung herangezogen werden (aerobe Glykolyse).

Ab Belastungen von 30-60 Minuten werden primär die Fettreserven zur Energiegewinnung herangezogen (aerobe Lipolyse). Wichtig zu wissen ist, dass aber auch schon davor auf die Fettreserven zurückgegriffen wird, aber eben nicht im selben Ausmaß. Es stimmt also NICHT, dass erst ab einer Belastung von 30 Minuten Fett abgebaut wird.

Stoffwechseltypen

Hinsichtlich der Verstoffwechslung von Nahrungsmitteln werden drei unterschiedliche Typen unterschieden:

Kreatin

Seit 1970 werden Formen von Kreatin zur Leistungssteigerung eingesetzt. In erster Linie wird ATP zur Leistungserbringung in den Muskeln verbraucht. Nachdem die ATP-Speicher in den Muskeln jedoch sehr begrenzt sind und die Nachproduktion nicht von einer Sekunde auf die nächste stattfindet, springt Kreatin als Energielieferant ein, bis die anaerobe Glykolyse anspringt. Kreatin wird physiologisch von verschiedenen Organen hergestellt (Testosteron, Wachstumshormone und Schilddrüsenhormone wirken unterstützend, über die Nahrung zugeführtes Kreatin allerdings hemmend auf die körpereigene Produktion). Die körpereigene Produktion und die über die Nahrung zugeführte Kreatinmenge beträgt in etwa 2 g pro Tag. Um die Muskulatur zu unterstützen reicht eine geringe zusätzliche Zufuhr von 3 g täglich über einen Zeitraum von einem Monat. Will man einen tatsächlich spürbaren Effekt binnen kürzester Zeit, kann die Dosis an künstlich zugeführtem Kreatin auf 6 g täglich erhöht werden. Der Masseaufbau an Muskulatur erfolgt einerseits über Wassereinlagerung, da Kreatin Wasser in den Muskel zieht und weiters wird der Muskel zu vermehrter Glykogeneinlagerung angeregt. Dosis und Wirksamkeit variieren allerdings von Mensch zu Mensch beträchtlich, es wird auch von hoffnungslosen Fällen (Non-Respondern) berichtet, die auch bei langfristiger Einnahme keinen gewünschten Effekt erzielen.

Energiebedarf

Der Energiebedarf richtet sich nach dem Grundumsatz (das ist der tägliche Mindestverbrauch, den wir selbst ohne eine einzige Zuckung zu machen hätten, also wenn wir zum Beispiel schlafen, fernsehen oder sonstwie untätig sind). Allein die Aufrechterhaltung der Vitalfunktionen bedarf einer gewissen Energiemenge.

Hinzu kommt der Leistungsumsatz – diesen können wir wesentlich beeinflussen. Bürotätigkeiten steigern diesen verständlicherweise kaum und auch ein Couchpotato kann sich hier keine Extrapunkte verdienen, wer allerdings am Bau tätig ist oder Sport betreibt, kann den Grundumsatz mitunter verdoppeln.  Auch Faktoren wie Alter, Geschlecht, Körperoberfläche und Körperbau, Hormonproduktion können den Energiebedarf erhöhen oder senken. Zum Thema Körperbau sei gesagt, dass Skelettmuskulatur wesentlich mehr Energie benötigt als Fett – so darf man sich nicht wundern, dass trainierte Menschen oft unendlich viel zu essen scheinen ohne an Gewicht zuzulegen!

Der Leistungsumsatz wird auch gerne mit dem metabolischen Äquivalent beschrieben. Dieses stellt dar, um wieviel der Grundumsatz bei gewissen Tätigkeiten gesteigert wird. Der Grundumsatz kann durch Tätigkeiten wie Fernsehen, Lesen oder Schreiben mit dem Faktor 1,3 multipliziert werden (also nur eine 30 %ige Erhöhung), wohingegen Gehen ein metabolisches Äquivalent von 3,3 erhält und Joggen den Grundumsatz sogar verzehnfacht. Betreibt man dauerhaft Sport wird also einerseits die während des Sports benötigte Energiemenge umgesetzt und darüber hinaus über die aufgebaute Muskulatur dauerhaft der Energiebedarf erhöht.

Weitere Einflussgrößen hinsichtlich Energiebedarf sind die spezifisch-dynamische Wirkung der Makronährstoffe (je nach Art und Menge der vom Körper zu verarbeiteten Nährstoffe variiert der Sauerstoffverbrauch und Energieumsatz) und der Verdauungsverlust (darunter versteht man jene Energie, die für Verdauungsvorgänge an sich benötigt wird, auch dies hängt von Art und Menge der zu verdauenden Lebensmittel ab). Große Mengen energiearmer Lebensmittel verbrauchen demnach viel mehr Energie als kleine Mengen energiereicher Lebensmittel.

Entspricht der Energiebedarf nicht der Energiebilanz (also dem Verhältnis zwischen zugeführter und verbrauchter Energie), nehmen wir entweder zu oder ab. Maßeinheit der Energie ist die Kilokalorie (kcal), diese Einheit definiert sich als die Energiemenge, die benötigt wird, um einen Liter Wasser um ein Grad Celsius (genauer: von 14,5° auf 15,5°) zu erwärmen.

Die Grundnährstoffe liefern unterschiedlich viel Energie: Ein Gramm Fett entspricht etwa 9,3 Kalorien. Bei Kohlenhydraten und Eiweißen gilt: 1 Gramm = ca. 4,1 Kalorien.

Als Nährwertangabe wird vielfach auch „Kilojoule“ (kJ) verwendet, wobei der Umrechnungsfaktor 4,1868 beträgt (1 Kalorie = 4,1868 Kilojoule). Je nach individuellem Metabolismus, Körperbau, Aktivität, Alter, Größe und Geschlecht beträgt der tägliche Bedarf an Kalorien zwischen ca. 1600 und ca. 2200, zur genauen Berechnung des jeweiligen Grundumsatzes und des Leistungsumsatzes (in Summe des täglichen Energiebedarfes) haben sich folgende Formeln bewährt:

Harris-Benedict-Formel

Diese Formel wurde bereits im Jahr 1918 entwickelt und hat nach wie vor wissenschaftliche Gültigkeit. Sie dient der Berechnung des Grundumsatzes (engl. "basal metabolic rate (BMR)") und bezieht das Alter, die Körpergröße sowie das Körpergewicht mit ein:

PAL (Physical Activity Level)

Neben dem sich aus der körperlichen Konstitution ergebenden Grundumsatz variiert der tatsächliche Energiebedarf je nach geleisteter Arbeit. Mittels dem Physical Activity Level kann ermittelt werden, wie viele Kalorien tatsächlich verbrannt werden, wobei dieser Wert stark von der Art der körperlichen Betätigung in Freizeit und Arbeit abhängt (siehe oben: metabolisches Äquivalent).