Energie und Grundumsatz

Der menschliche Körper ist ein Verband von Zellen, die, zusammengeschlossen zu funktionellen Einheiten, verschiedene Arbeiten verrichten.

Allgemeine Leistungen sind:

  • der Aufbau und die Erhaltung der Zell- und Organstruktur
  • die Bildung und Erhaltung des extra- und intrazellulären Flüssigkeitsmilieus

Spezifische Arbeiten sind:

  • Mechanische Arbeit (Bewegung durch Muskelarbeit)
  • Neurogene Koordination (Signalabgabe, Sinnesarbeit etc.), z.B. beim Essen erwarten wir bestimmte Textur, so überprüfen wir die Lebensmittel, beim schlafen nutzen wir unseren Geruchssinn (Urinstinkt), um zu erkennen, falls es brennt
  • Chemische Arbeit (Stoffwechsel, Biosynthese, Endokrinologie: Hormonarbeit muss immer aufrecht erhalten werden, Immunsystem)
  • Osmotische Arbeit (passive Stofftransporte, aktive Stofftransporte durch Zellwände)

Für die vielfältigen Aufgaben einer Zelle wird Energie benötigt. Der Organismus kann Energie aus den drei Makronährstoffen, Lipide, Kohlenhydrate (Energieliefrant 1. Ordnung) und Proteinen durch Oxidation innerhalb des Intermediärstoffwechsels gewinnen.

Energiegewinnung der Zelle

Die Zelle ist der Energietransformator, sie wandelt chemische Energie (Nährstoffe) in “biologische” Energie um. Energie wird dabei in energiereichen Phosphatverbindungen gespeichert. Die beiden wichtigsten Formen sind:

  • Adenosintriphosphat (ATP)
  • Kreatinphosphat (KP)

Die Energiemenge beider Phosphatverbindungen reicht bei starker körperlicher Belastung max. für 10 Sekunden. ATP und KP müssen ständig neu aufgebaut werden. Die benötigte Energie gewinnt die Zelle aus der biologischen Oxidation der Nährstoffe.

(Bei einer Person mit einer Körpermasse von 70 kg beträgt der ATP Vorrat ca. 7 g. Ohne besondere Anstrengung benötigt der Körper jedoch ca. 70 kg ATP pro Tag. Der Organismus muss daher  ständig ATP synthetisieren.)

Abhängig von der Belastungsintensität nutzt der Körper folgende Energiegewinnungsprozesse:

  • Anaerob – alaktazide Energiegewinnung
  • Anaerob – laktazide Energiegewinnung
  • Aerobe Energiegewinnung aus Kohlenhydraten
  • Aerobe Energiegewinnung aus Lipiden/ Fetten.

Anaerob - alaktazide Energiegewinnung

Bei der Spaltung von Kreatinphosphat wird ATP synthetisiert. Diese Reaktion braucht keinen Sauerstoff (= anaerob) und es wird kein Laktat (= alaktazid) produziert. Die ATP-Nachlieferung erfolgt verzögerungsfrei. Dieser ATP/KP-Speicher ist nach wenigen Kontraktionen bzw. spätestens nach ca. 7 sec vollständig aufgebraucht.

Anaerob – laktazide Energiegewinnung

Diese Art der Energiegewinnung kommt immer dann zum Einsatz, wenn Belastungen länger als 7 sec dauern und eine hohe Intensität haben. Ohne Sauerstoff kann die Zelle unter diesen Bedingungen pro Zeiteinheit etwa doppelt soviel ATP gewinnen wie mit Sauerstoff. 

Neben ATP, CO2 und Wasser entsteht als weiteres Endprodukt jedoch Laktat (laktazid). Dies führt zu einer Übersäuerung der Muskulatur und des Blutes mit der Folge, dass die Enzyme, die die ATP-Bildung bewirken, in ihrer Tätigkeit gehemmt werden. Somit kann kein ATP mehr gebildet werden und die Bewegung muss abgebrochen werden. Das gebildete Laktat wird unter Sauerstoffverbrauch in der Leber, im Herzmuskel und in anderen, weniger belasteten Muskeln abgebaut. Der Laktatspiegel wird so alle 15 Minuten um die Hälfte gesenkt.

Aerobe Energiegewinnung aus Kohlenhydraten

Reicht eine relativ geringe ATP-Bildungsrate für die Bereitstellung der Energie aus, wird diese Art der Energiegewinnung eingesetzt. Wichtig hier ist, dass das Herz-Kreislauf-System genügend Sauerstoff heranschafft. Es entstehen ATP, CO2, Wasser aber kein Laktat. Die Kohlenhydratspeicher reichen allerdings je nach Belastungsintensität höchsten 90 Minuten. Wenn die Kohlehydrat-Speicher aufgebraucht sind, dann wird es Zeit für die aerobe Energiegewinnung aus Fetten. 

Aerobe Energiegewinnung aus Lipiden/ Fetten

Aus Fetten kann man nur mit Sauerstoff Energie gewinnen. Für die Bildung der gleichen Mengen ATP braucht die Zelle mehr (ca. 16%) Sauerstoff als bei der Verwendung von Kohlenhydraten. Das H.-K.-System muss also deutlich mehr leisten. Die bereitgestellte Energiemenge pro Zeiteinheit ist ungefähr nur halb so groß wie bei der aeroben Energiegewinnung aus KH.
So lange die Glykogenvorräte noch nicht erschöpft sind, beträgt der Anteil der Fette an der Energiegewinnung maximal 50%. Als Endprodukte entstehen hierbei ATP, CO
2 und Wasser. 

Die verschiedenen Energiebereitstellungsprozesse laufen nebeneinander ab und die Belastungsintensität bestimmt zunächst, wie hoch der jeweilige Anteil an der Energiebereitstellung ist.

Aerobe Oxidation = 36 mol ATP pro mol Glucose

Anaerobe Glykolyse =  2 mol ATP pro mol Glucose

Der Grundumsatz (GU)

Der Grundumsatz (GU) bezeichnet den Energieverbrauch unter strikten Ruhebedingungen und im postabsorptiven Zustand. Er soll 12-14 Stunden nach der letzten Mahlzeit, kurz nach dem Aufwachen, bei völliger körperlicher Ruhe und unter thermoneutralen Bedingungen (27 – 31°C in unmittelbarere Körperumgebung) gemessen werden.

Der GU erfasst alle in Ruhe und postabsorptiv ablaufenden Formen der Arbeit, wie:

  • Synthesen, Gruppenübertragungen und andere chemische Reaktionen (für Wachstum, Umbau, Neubildung, Erhaltung und Speicherung von Körpersubstanzen),
  • Transportprozesse (Transport von einfachen Metaboliten, aber auch von komplexen Stoffwechselprodukten über Zellmembranen und intrazellulär, Ionentransporte bei nervalen Aktivitäten und Informationsprozessen) und
  • Unwillkürlich mechanische Arbeit (z.B. Herz-Kreislauf-Arbeit, Atmung, Erhaltung des Muskeltonus).

Die hier benutzen Formeln gehen von der Körpermasse in kg aus, wobei die Faktoren in den Gleichungen sich nur nach Geschlecht und Altersgruppe unterscheiden. Die individuelle Körperzusammensetzung (Muskel-, Fett-, Wasseranteil) spielt dabei keine Rolle.

Das führt allerdings dazu, dass zwei Personen, die sich lediglich durch die Körperzusammensetzung unterscheiden, rechnerisch denselben Grundumsatz aufweisen, unabhängig davon, ob die eine Person eher muskulös ist und die andere mehr Fettgewebe hat.

Der energetische Aufwand zur Regulierung der Körpertemperatur steigt mit zunehmender und sinkt mit abnehmender Wärmeabgabe an die Umgebung. Die Wärmeabgabe an die Umgebung hängt – neben der Art der Bekleidung – zum einen von der relativen Körperoberfläche und zum anderen von der Wärmeisolierung durch das Unterhautfett ab.

Diesen Zusammenhang verdeutlicht nachfolgende Tabelle mit dem Vergleich von drei Frauen, welche dieselbe Körpergröße von 1,72 m haben sollen:

Person Gewicht in kg Fettanteil in % Typus Wärmeabgabe in kJ/d
1 62 23 normal 6,060
2 72 32 übergewichtig 5,635
3 72 20 muskellös 6,654

 

Die Ergebnisse zeigen, dass die Wärmeabgabe eines Menschen an die Umgebung von den anthropometrischen Daten – Körpergewicht, Körpergröße, Körperzusammensetzung – des Individuums abhängt. 

[siehe hierzu: Schlich M (Hrsg.): Über den Area Mass Index (AMI) zur Energiebilanz des Menschen. Band 2 der Reihe “Ernährungs- und Verbraucherbildung” ISBN 978-3-8440-3202-4 Shaker: Aachen (2014)].