Kraftwerk des Körpers [2|9]

A. Stoffwechsel

Nachdem im ersten Beitrag der Stellenwert der Ernährung hervorgehoben wurde, bedarf es nun eines genaueren Blicks auf die Mechanismen, die hinter der Energiebereitstellung stecken - den Stoffwechsel.

Ohne Stoffwechselvorgänge wäre keine Muskelaktivität, kein Aufbau - beziehungsweise Abbau von Zellen und schlussendlich auch kein menschliches Leben möglich. Der sogenannte Metabolismus umfasst die Aufnahme von Stoffen, ihren Transport und ihre chemische Umwandlung sowie die Abgabe von Stoffwechselendprodukten. Diese Vorgänge dienen der Energiegewinnung und dem Auf- und Abbau von Zellen und anderen Stoffen. Dabei kann zwischen einem katabolen und einem anabolen Stoffwechsel unterschieden werden. Anabolismus bezeichnet den Aufbau von Speichermolekülen und zellulären Baustoffen, Katabolismus hingegen den Abbau von Nahrungs- und Speichermolekülen, durch welchen Energie generiert wird (Müller-Esterl, 2018). Katabole Vorgänge umfassen den Abbau größerer Moleküle wie Polysaccharide, Zucker oder Lipide. Dabei wird unter anderem Energie in Form von ATP frei. Diese neugewonnene Energie wird wiederum in anabole, das heißt in Aufbauprozesse gespeist, wie es aus der Abbildung 1 ersichtlich wird.

Ernährung 2: Ernährung und der Stoffwechsel

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B. Energiestoffwechsel

Jegliche Vorgänge im menschlichen Körper benötigen Energie, welche dem Körper über die Nahrung in Form von Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen zugeführt werden. Über verschiedene Prozesse wird aus der bereitgestellten Energiequelle Adenosintriphosphat (ATP) gewonnen. Das Molekül ist eine energiereiche Phosphat-Sauerstoff-Bindung mit einer geringen Stabilität. Aus diesem Grund können Phosphatgruppen einfach abgespalten werden, wobei Energie frei wird. Das Molekül kann nicht transportiert werden, weshalb die Reaktion in jeder Zelle stattfinden muss, und ATP als „universelle Energiewährung des Körpers“ bezeichnet wird. ATP hat pro Mol ein hohes Gewicht, weshalb eine große Speicherkapazität ineffizient wäre. Das bedeutet, der menschliche Körper verfügt zwar über ATP-Speicher, diese sind jedoch nur klein und somit schnell aufgebraucht. Infolgedessen muss ATP stetig über Stoffwechselvorgänge resynthetisiert werden. Hierfür gibt es vornehmlich drei Wege der Energiegewinnung, welche in Abbildung zwei veranschaulicht werden. Alle Energiesysteme sind zur gleichen Zeit aktiv und je nach Intensität und Dauer der Belastung oder dem Fitnesslevel der Sportlerin, verschiebt sich der prozentuale Anteil der Energiebereitstellung.

B.1 Anaerob - alaktazide Energiegewinnung

Initial zehrt der Körper bei einer Muskelaktivität vom ATP-Speicher (s. Abbildung 2). Dieser ist jedoch bereits nach 2–5 Sekunden aufgebraucht, weshalb anschließend über die Kreatinkinase-Reaktion die schnelle Bereitstellung von ATP gewährleistet wird. Hierbei wird aus Kreatinphosphat (KP) und Adenosindiphosphat (ADP) ATP und Kreatin synthetisiert. Allerdings ist auch der KP-Speicher klein und kann nur wenige Sekunden überbrücken. Diese sehr leistungsstarke, jedoch kurz anhaltende Energiebereitstellung reicht für ca. 10–20 Sekunden, was in etwa einem 100 Meter Sprint entspricht. Soll die körperliche Aktivität fortgeführt werden, verschiebt sich der prozentuale Anteil des Energiestoffwechsels hin zu weiteren Energiegewinnungssystemen.

B.2 Anaerob - laktazide Energiegewinnung

Die Synthetisierung von ATP findet im Zytoplasma der Muskelzelle statt und wird als Glykolyse bezeichnet. Hierfür wird Glukose (Einfachzucker), der kleinste Baustein von Kohlenhydraten, überwiegend aus dem Blutkreislauf oder dem Glykogen-Speicher genutzt. Glykogen ist der menschliche Speicher von Kohlenhydraten, welcher in der Leber und der Skelettmuskulatur aus Glukose synthetisiert wird.

Zwar ist die anaeroben Glykolyse schnell, der Ertrag dahingegen nur gering. Infolge der unvollständigen Verstoffwechselung der Glukose entsteht Milchsäure - das heißt Laktat sowie positive Wasserstoffionen H+. Bei entsprechender Dauer und Intensität der Belastung führen letztere durch eine Anhäufung in der beanspruchten Muskulatur zu einer Übersäuerung. Das Laktat bindet diese H+ Ionen und dient dementsprechend als Pufferfunktion und ist nicht, wie lange Zeit angenommen, die Ursache der Übersäuerung. Diese sogenannte metabolische Azidose hemmt die für die Muskelkontraktion benötigten Enzyme. Der Sportlerin ist dieses Gefühl als Brennen der Muskulatur bekannt und schon bald kann sie die Intensität nicht mehr aufrechterhalten. Die anaerobe Glykolyse stellt den überwiegenden Großteil der benötigten Energie bei einer mittleren bis hochintensiven Belastung zwischen 30 und 60 Sekunden bereit. Das entspricht ungefähr einem 400 Meter Sprint, oder einem sehr kurzen Cross-Fit-Übungsprogramm.

C.3 Aerobe Energiegewinnung

Das aerobe System ist sehr ertragreich und generiert unter Verwendung von Sauerstoff über zwei Wege Energie. Diese umfassen zum einen die aerobe Glykolyse und zum anderen die aerobe Lipolyse, welche bei anhaltender Belastung zunehmend die Energiegewinnung übernimmt.

Bei der aeroben Glykolyse können insgesamt 32 ATP Moleküle pro Glukosemolekül gewonnen werden, womit sie wesentlich effizienter als der anaerobe Weg ist. Allerdings läuft dieser Prozess langsamer ab, wodurch die Bildungsrate (Synthese von ATP pro Zeiteinheit) geringer ist. Zu welchem prozentualen Anteil die aerobe Glykolyse die Energie bereitstellt, hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab - wie der Intensität des Workouts, dem Fitnesslevel, der Kohlenhydratzufuhr während des Sports, oder dem Geschlecht. Typischerweise ist die aerobe Glykolyse bei sportlichen Aktivitäten, welche zwischen 3-20 Minuten andauern dominant, beispielsweise 3000-Meter-Läufe, oder kurz anhaltenden Crossfit-Workouts.

Dementsprechend benötigt der Körper für lange Belastungen eine weitere Form der Energiegewinnung. Hierfür wird in der Lipolyse durch den Abbau von Fettsäuren ATP gebildet. Dieser Prozess kann noch mehr ATP pro Fettsäuremolekül bilden, benötigt dafür jedoch auch nochmals mehr Zeit und mehr Sauerstoff. Pro Atemzug kann nur ein begrenzter Teil des in der Luft enthaltenen Sauerstoffs aufgenommen werden, weshalb diese Form der Energiegewinnung nur bei Aktivitäten mit geringer Intensität und langer Dauer relevant wird. Beispiele hierfür sind lange Wanderungen oder Ultramarathons.

C. Energiebalance

Nachdem nun die Wege der Energiegewinnung beschrieben wurden, stellt sich die Frage, wie viel Energie der menschliche Körper über den Tag benötigt. Und was passiert, wenn dem Körper zu viel oder zu wenig Energie in Form von Nahrung zur Verfügung gestellt wird?

C.1 Täglicher Energieverbrauch

Laut Levine (2002) setzt sich der tägliche Energieverbrauch aus dem Grundumsatz, dem TEF (thermic effect of Food) und der „Activity Thermogenesis“ zusammen. Letztere lässt sich wiederum in „Exercise-related activity thermogenesis“ (EAT) und „non-exercise activity theromogenesis“, das NEAT, differenzieren.

Der Grundumsatz beansprucht bei Nichtsportlern mit circa 60 % den größten Anteil des täglichen Energieverbrauchs, wobei er von vielen verschiedenen Faktoren, etwa dem Alter, dem Geschlecht, dem Gewicht sowie dem Anteil der Muskelmasse abhängt und sich deswegen individuell unterscheidet. Für Sportler fällt der EAT, in der Regel, deutlich höher aus, sodass der prozentuale Anteil des Grundumsatzes sinkt. 10-15 % des Energieverbrauchs verwendet der menschliche Körper bei der Verdauung der zugeführten Nahrungsmittel. Levine (2002) zufolge kann, insbesondere in den Industrieländern, die EAT vernachlässigt werden, vielmehr scheint das NEAT eine entscheidende Rolle im täglichen Energieverbrauch zu spielen. Unter NEAT wird jeglicher Energieverbrauch bei nicht Sport-bezogenen Aktivitäten im Alltag verstanden. Das heißt: Sitzen, Lesen, Arbeiten am Computer, spazieren gehen, Gartenarbeit, Sprechen oder mit den Kindern spielen. Dementsprechend variiert dieser Anteil stark zwischen Individuen und reicht von 15 % bis in seltenen Fällen 50 % des täglichen Energieverbrauchs.

Die genaue Ermittlung des NEAT ist komplex und schwer umzusetzen, weshalb sich mittlerweile eine simplere Einteilung etabliert hat, welche in Deutschland auch unter dem PAL - ein Multiplikationsfaktor für NEAT und EAT - bekannt ist. Hier können sich die Patientinnen einer Aktivitätskategorie, von niedrig, moderat, hoch und hochintensiv, zuordnen. Die jeweilige Gruppe ist mit einem spezifischen Faktor assoziiert, der dann wiederum mit dem Grundumsatz multipliziert wird, sodass der individuelle tägliche Energieverbrauch eingeschätzt werden kann.

C.2 Zunehmen, Abnehmen, Gewicht halten

Die annäherungsweise Bestimmung des individuellen Verbrauchs stellt eine sinnvolle Grundlage für den Auf- beziehungsweise Abbau oder das Halten des Gewichts dar. Konkret bedeutet das, dass je nach Zielsetzung, eine eu-, hyper-,hypokalorische Ernährung zur Anwendung kommen sollte.

1. Wird dem Körper so viel Energie zur Verfügung gestellt, wie er am Tag verbraucht, spricht man von einer eukalorischen Kondition, die mit einem Erhalt des Körpergewichts einhergeht. So einfach die Theorie für den Erhalt des Körpergewichts erscheint, so schwierig ist die Umsetzung in der Realität.
   
   Bei der Entwicklung von Übergewicht können verschiedene Faktoren, wie die genetische Prädisposition, der soziale Status, das Gewicht der Mutter in der Schwangerschaft oder psychologische Faktoren eine Rolle spielen, wie Studien von Goltz (2019) oder Reynolds (2010) zeigen. Diese müssen in der Behandlung und im Umgang mit Menschen mit Übergewicht in Betracht gezogen werden.
2. Führt der Mensch dem Körper mehr als für seinen Energieverbrauch benötigte Kalorien zu, werden die zusätzlichen Kohlenhydrate und Fette als Depotfett abgespeichert. Wobei Zucker, welcher nicht direkt zur Umwandlung in ATP benötigt wird, zunächst in der Leber und Muskulatur – in Form von Glykogen – gespeichert wird. Sind die Speicherkapazitäten voll, werden die überschüssigen Zuckermoleküle in Triglyceride umgewandelt und in der Leber als Depotfett gespeichert. Nahrungsfette, die nicht direkt energetisch zu ATP abgebaut werden (Lipolyse), werden hingegen direkt in Depotfett umgewandelt (Lipogenese).
3. Bei einer hypokalorischen Ernährung werden weniger Kalorien aufgenommen als benötigt. Um trotzdem alle lebensnotwendigen Funktionen aufrechtzuerhalten, muss der Körper auf gespeicherte Energieträger sowie andere Energiegewinnungssysteme zurückgreifen. Insbesondere das Gehirn benötigt eine konstante und große Menge an Glukose (Haff, 2019). Bleibt ein Energiedefizit über eine längere Zeit bestehen, greift auch das Gehirn auf andere Energiequellen zurück.

“Under normal conditions, glucose is the sole energy source (for the Brain), but the brain can adapt to using ketone bodies during prolonged energy deficit as occurs when consuming energy-restricted diets and in starvation. The brain cannot use fatty acids […]. The brain requires a constant and relatively large supply of glucose (Haff, 2019).

Zum einen stellt der Körper über die sogenannte Glyconeogenese aus Pyruvat neues Glykogen her, wobei diese Form der Energiegewinnung nicht energieeffizient ist und eher als Überbrückung von längerer Nahrungskarenz dient.

Zum anderen werden Fettsäuren in der Leber in Acetyl-CoA umgebaut und über den Citratzyklus in ATP umgewandelt. Der Citratzyklus kann jedoch nur eine bestimmte Menge an Acetyl-CoA verstoffwechseln, sodass es beispielsweise bei einer länger anhaltenden Karenz oder kohlenhydratarmen Ernährung zu einem Überschuss an Acetyl-CoA kommen kann. In diesem Fall wird das Acetyl-CoA in der Leber zu Ketonkörpern umgebaut. Diese werden dann in den Blutkreislauf abgegeben, sodass sie in der Zielstruktur — meistens das Gehirn sowie Skelett- oder Herzmuskulatur — wieder in ATP umgewandelt werden können. Die Ketone, welche für diesen Stoffwechselweg verantwortlich sind, besitzen eine saure Verbindung, sodass sie bei übermäßiger Produktion ein sogenanntes azidotisches, das heißt saures Milieu erzeugen können.

D. Was heißt das für die Ernährung?

Im menschlichen Körper finden ständig nebeneinander sowohl Abbau-, sowie Aufbauprozesse statt, die einerseits Energie bereitstellen und andererseits diese verbrauchen. Wie hoch der Energieverbrauch jedes Einzelnen ist, hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Allein der Grundumsatz kann sich beispielsweise zwischen einem 2 Meter großen Rugby-Spieler und einer 1,60 Meter großen Frau, die kaum Sport treibt, um weit über 1000 Kilokalorien unterscheiden. Denn die Energie, welcher der Körper benötigt, um alle lebensnotwendigen Funktionen aufrechtzuerhalten, hängt vom Geschlecht, der Größe, der Muskelmasse und noch vielem mehr ab. Ein weiterer sehr individueller Faktor ist der NEAT, welcher sich von Mensch zu Mensch um bis zu 35 % unterscheiden kann. Allein diese Aspekte lassen erahnen, wie individuell sich Ernährung gestalten kann. Wird zudem die Intention einer Person berücksichtigt, befindet sie sich beispielsweise in der Wettkampfvorbereitung, soll Muskelmasse aufgebaut, Gewicht reduziert oder Krankheitsbilder wie Diabetes oder Rheuma beeinflusst werden, wird deutlich, dass es keine universell zielführende Lösung geben kann.

Schlussendlich müssen dem Körper über die Nahrung ausreichend Nährstoffe zur Verfügung gestellt werden. Dabei spielen insbesondere Kohlenhydrate, Fette und Proteine, sogenannte Makronährstoffe, bei der Energiebereitstellung eine entscheidende Rolle. Welche Nährstoffe welche Funktion einnehmen, wird in den folgenden Beiträgen näher beleuchtet.