Energie - der Treibstoff des Lebens
Alle Lebewesen brauchen für ihre Existenz Energie. Pflanzen nutzen Energie in Form von Stärke, Tiere und Menschen gewinnen ihre Energie aus der jeweiligen Ernährung. Die Energie ermöglicht es dem Menschen, körperliche und geistige Aktivitäten zu verrichten, die Körpertemperatur aufrecht zu erhalten und körpereigene Substanzen zu bilden. Bei all diesen Aufgaben wird Energie verbraucht. Sie muss dem Körper daher regelmäßig mit Nährstoffen zugeführt werden.
Bei gesunden Menschen werden rund 95% der Nährstoffe im Stoffwechsel verarbeitet. Kohlenhydrate, Proteine, Fette und Alkohol werden im Körper umgewandelt und oxidiert. Rund 60% der aufgenommenen Nährstoffe werden allein für die Herstellung von Energie verbraucht, davon wird rund die Hälfte direkt in Wärme umgesetzt. Ein kleinerer Teil wird für Stoffwechselprozesse im Rahmen der Thermogenese nach dem Essen benötigt. Die restliche Energie wird im Citrat-Zyklus zu Adenosintriphosphat (ATP) umgewandelt, die Energie für zahlreiche Stoffwechselprozesse.
Der Energiegehalt der Nährstoffe
Der Energiegehalt von Nährstoffen wird mit Hilfe der Bombenkalorimetrie bzw. ihrem Brennwert bestimmt. Daraus ergibt sich der physikalische Brennwert, er ist für Kohlenhydrate und Fette genau bestimmbar und identisch mit dem physiologischen Brennwert dieser Nährstoffe im Körper.
Kohlenhydrate 1 g = 4,1 Kalorien, Fette 1 g = 9,3 Kalorien *
Proteine unterscheiden sich in der Zusammensetzung von Aminosäuren, ihr Energiegehalt ist daher unterschiedlich. Der Stickstoff in Aminosäuren wird außerdem nicht völlig oxidiert, sondern über die Nieren und den Harn ausgeschieden. Daher geht ein Teil der Proteine für die Energiegewinnung im Körper verloren. Der physikalische Brennwert von Proteinen ist daher etwas höher als ihr physiologischer Brennwert im Körper. durchschnittlich geht man für Proteine von ähnlichen Werten wie bei Kohlenhydraten aus:
Proteine, z.B. 1 g Casein = 4,25 Kalorien *
* Brennwerte werden üblicherweise in Kalorien, korrekte Bezeichnung Kilokalorien, angegeben, der Messwert Joule hat sich nicht durchsetzen können, wird aber manchmal ebenfalls angegeben: 1 (Kilo)Kalorie, abgekürzt kcal, entspricht 4 (Kilo)Joule, abgekürzt kJ.
Die Energiebilanz
Nicht immer stimmen die Aufnahme von Nährstoffen, die Herstellung von Energie und ihr Verbrauch überein. Das Verhältnis der Zufuhr von Energie und ihr Verbrauch kann von Tag zu Tag und individuell unterschiedlich sein, abhängig von der jeweiligen Nahrungsaufnahme und dem Energiebedarf.
Ausgeglichene Energiebilanz: Die Energie befindet sich im Gleichgewicht, wenn die Zufuhr und der Verbrauch an Energie nahezu gleichwertig sind.
Negative Energiebilanz: die Zufuhr an Energie ist geringer als der Bedarf, z.B. bei einer unzureichenden Ernährung.
Positive Energiebilanz: die Zufuhr an Energie ist höher als der Bedarf, z.B. bei hochkalorischer Nahrungsaufnahme. Werden zu viele Kalorien aufgenommen, wird die überschüssige Energie in den Fettdepots gelagert. Kommt das häufiger bzw. regelmäßig vor, entsteht Übergewicht.
Aerober Stoffwechsel: Genügend Nährstoffe und Sauerstoff stehen für die Oxidation von Nährstoffen zur Verfügung.
Anaerober Stoffwechsel: Bei harter körperlicher Tätigkeit reicht das Sauerstoffangebot für die Energiegewinnung oft nicht aus. Die letzten Stufen (oxidative Phosphorylierung) erfolgen dann nur unzureichend. Dabei häufen sich einige Stoffe, z.B. das Coenzym NADH, verstärkt an und hemmen den Citrat-Zyklus. Zu den Folgen gehört, dass sich weitere Stoffe ansammeln (Pyruvat), das hemmt die Glykolyse und die gesamte Energiebildung. Der Körper setzt dann ein Notprogramm ein, mit dem wieder geringe Mengen an ATP produziert werden können. So kann die Muskulatur ohne Vorbereitung maximale Leistung erbringen.
Der Energieverbrauch des Menschen
Grundumsatz oder Ruhestoffwechsel: Auch wenn der Mensch schläft oder nichts tut, wird Energie verbraucht. Alle inneren Prozesse des Körpers und des Stoffwechsels laufen auch in Ruhezeiten weiter ab, und alle Organe des Körpers sind ständig aktiv und brauchen Energie. Der Grundumsatz schwankt innerhalb der Tageszeiten und hat einen Anteil von etwa 60 bis 75 % des gesamten täglichen Energieumsatzes.
Im Schlaf sinkt der Grundumsatz um 10%, Kälte steigert ihn um 2 bis 5%, Hitze über 30° erhöht den Grundumsatz ebenfalls, der Anstieg beträgt 0,5% pro Grad des Temperaturanstiegs. Frauen haben durch mehr Fettgewebe einen geringeren Grundumsatz (ca. 11% weniger). Im Bezug zum Körpergewicht steigt der Grundumsatz bis zum vierten bzw. fünften Lebensjahr an und sinkt dann langsam bis zum Alter von 25 Jahren ab. Mit zunehmendem Alter verringert sich der Grundumsatz weiter, weil stoffwechselaktive Gewebe, z.B. Muskeln, geringer werden. Nicht zuletzt kann sich der Grundumsatz individuell unterscheiden durch eine gute oder schlechte "Futterverwertung".
Die Differenzen betragen jedoch innerhalb eines Geschlechts allgemein nicht mehr als 5%. Der Energieverbrauch hat zwar einen Bezug zum Körpergewicht, hängt aber sehr viel stärker von der fettfreien Körpermasse ab. Bei erhöhtem Körpergewicht steigt der Anteil an Fettgewebe, das für den Stoffwechsel nicht aktiv ist. Der Energieverbrauch erhöht sich dadurch nur geringfügig.
Eine einfache Formel für den Grundumsatz:
1 Kalorie pro 1 Kilogramm Körpergewicht pro Stunde
Bei leichter körperlicher Tätigkeit erhöht sich der Wert um 1/3
Bei mittlerer körperlicher Tätigkeit erhöht sich der Wert um 2/3
Bei hoher körperlicher Tätigkeit verdoppelt sich der Wert.
Verschiedene Bedingungen können den Grundumsatz des Körpers erhöhen
Ein erhöhter Grundumsatz kann u.a. dazu führen, dass sich bei Übergewicht die Oxidation von Kalorien beschleunigt. Das kann dazu beitragen, Übergewicht abzubauen. Der Grundumsatz kann beispielsweise durch Koffein, Einwirkung von Sonnenstrahlen, Lipide (alpha-Liponsäure, konjugierte Linolensäure und Linolsäure), Jod oder auch durch erhöhten Konsum von Wasser erhöht werden.
Letzteres beruht vor allem darauf, dass der Körper mehr Energie benötigt, um das Wasser auf die Körpertemperatur zu erwärmen. Bei der Verdauung kann die nahrungs-induzierte Wärmegewinnung (Thermogenese) vor allem durch Proteine angeregt werden. Die Stoffwechselrate wird um bis zu 30 Prozent für 12 Stunden nach dem Essen erhöht. Fette erhöhen dagegen den Grundumsatz nur sehr gering.
Verschiedene Bedingungen können den Grundumsatz des Körpers senken
- zunehmendes Alter
- Ernährungsweisen mit geringen Anteil an Kohlenhydraten (bei gleichzeitiger Körperbewegung reduziert sich der Grundumsatz jedoch nicht)
- Reduktionsdiäten, Fasten
- Schilddrüsen-Unterfunktion
Der Energieumsatz bei körperlicher Aktivität
Hier handelt es sich um die Energie, die bei allen Tätigkeiten verbraucht wird. Dazu gehört auch die Energie, die für das Wachstum, bei der Schwangerschaft und beim Stillen benötigt wird. Bei überwiegend leichten beruflichen Körperbelastungen wird die verbrauchte Energie durch körperliche Arbeit, aber auch durch sportliche Aktivitäten meist überschätzt. Sie hat bei dem relativ hohen Grundumsatz nur noch einen Anteil von 15 bis 30% an der energetischen Gesamtbilanz. Körperliche Belastungen, bei denen sehr viel Energie verbraucht wird, kommen heute in Berufen eher selten und fast nur noch im Sport bei Profi- oder Semiprofi-Sportlern vor.
Hobby-Sportler müssen sich damit abfinden, dass ihr Energieverbrauch meist geringer ist, als sie glauben. Der Energieverbrauch hängt von der Anzahl und Intensität der beanspruchten Muskelfasern ab. Stärkere Belastungen führen zu einem erhöhten Sauerstoffbedarf, wobei sich die Atem- und Herzfrequenz steigert. Body-Building erhöht beispielsweise den Energieverbrauch des Körpers nicht wesentlich, da meist nur wenige Muskelgruppen trainiert werden.
Und wer statt des Körpers vor allem seinen Kopf zum Arbeiten gebraucht, sollte wissen, dass geistige Arbeit den Energiestoffwechsel nicht beeinflusst. Regelmäßiger Ausgleichssport ist daher für die Energiebilanz sinnvoll.
Beispiele für den Energieverbrauch bei verschiedenen Aktivitäten:
Schlafen, Liegen, Sitzen, Fahren, Stehen - ca. 1 bis 1,1 Kalorien pro Minute
Laufen, Einkaufen, Tischtennis, Golf - ca. 2,5 bis 5 Kalorien pro Minute
Laufen (mehr als 6 km), Tanzen, Fahrradfahren, Tennis, Putzen - 5 bis 7,5 Kalorien pro Minute
Laufen bergauf mit Gepäck, Graben, Schwimmen (3 km/Std.), Basketball - 7,5 bis 10 Kalorien pro Minute
Rennen, Klettern - 10 bis 12,5 Kalorien pro Minute
Übermäßige, schwer erschöpfende Tätigkeit - 12,5 bis 15,0 Kalorien pro Minute
Unterschiedlicher Energiebedarf im Körper
Der Körper braucht mit seinen Organen, Geweben und Körperprozessen unterschiedliche Formen und Mengen an Energie, einige Beispiele:
Gehirn - braucht vor allem Glukose, rund 120 Gramm Glukose werden täglich verbraucht
Muskeln - verfügen über hohe Energie- bzw. Glykogenspeicher, Glykogen kann bei erhöhten Aktivitäten schnell freigesetzt werden.
Fettgewebe - haben Triglyzerid-Speicher und bieten das größte Reservoir an Brennstoffvorräten. Um Triglyzeride abzubauen, wird ausreichend Glukose benötigt.
Leber - zentrales Organ für die Regulation des Stoffwechsels. Die Leber kann hohe Mengen an Glukose aufnehmen, sie in Form von Glykogen speichern und bei Bedarf zur Verfügung stellen, um die Blutglukose zu stabilisieren. Verfügt die Leber über genügend Brennstoffe, werden Fettsäuren synthetisiert, verestert und mit in der Leber gebildeten Lipoproteinen zu den Körpergeweben transportiert.
Bei Hunger verarbeitet die Leber Fettsäuren vermehrt zu Ketonkörpern. Die werden außerhalb der Leber in anderen Geweben zur Energiegewinnung genutzt. Parallel werden Aminosäuren eingesetzt, um ein Minimum an Glukose zur Verfügung zu stellen. Mit verschiedenen Mechanismen sorgt der Körper dafür, dass auch längere Hungerperioden von mehreren Wochen überlebt werden können.
Der Citrat-Zyklus - Energiegewinnung für die Zellen
Ein erheblicher Teil der aufgenommenen Makro-Nährstoffe, Kohlenhydrate, Proteine und Fette, werden im Citrat-Zyklus regelmäßig in Energie umgesetzt bzw. oxidiert. Endprodukt ist das Molekül Adenosintriphosphat (ATP), das für alle in den Zellen ablaufenden Prozesse benötigt. wird und speicherbar ist. ATP ist zum einen ein Baustein der Ribonukleinsäure (RNA), zum anderen ein universeller Energiespender, da es aus anderen Energiespeichern gebildet und regeneriert werden kann. Für diese Prozesse nutzt und benötigt der Körper den Atmungsapparat bzw. Sauerstoff.
Der kettenartige Prozess der Umwandlung in Energie läuft für die drei Makro-Nährstoffe teils anders, teils ähnlich ab. Schlüsselsubstanz ist jeweils ein Coenzym (Acetyl-CoA), das beim Umbau der Makro-Nährstoffe entsteht. Acetyl-CoA dient einerseits zum Aufbau von Amino- und Fettsäuren, andererseits zur weiteren Gewinnung von Energie im Citrat-Zyklus. Bei diesem Prozess wird Acetyl-CoA schließlich ebenfalls oxidiert, so entstehen Kohlendioxid sowie die reduzierten Coenzyme NADH (Nicotin-Amid-Dinucleotid) und FADH (Flavin-Adenin-Dinucleotid).
Auch sie werden unter Einbeziehung von Sauerstoff wiederum oxidiert (Phosphorylierung), dabei wird Energie in Form von ATP gewonnen und Kohlendioxid ausgeschieden. Rund 85 Kilogramm ATP bildet der Körper täglich und verbraucht es auch wieder, Tag für Tag, ein Leben lang.
Mitochondrien - die Kraftwerke der Zellen
Damit Energie täglich gewonnen und verbraucht werden kann, laufen im Körper viele Kontroll-Mechanismen ab. Dabei spielt die Energieladung der Zellen eine wichtige Rolle. Sie ist, ähnlich wie der pH-Wert, gepuffert und liegt meist zwischen 0,8 und 0,95. An der Regulation sind Enzyme beteiligt, deren Menge, Aktivität und Abbau kontrolliert wird.
Im Rahmen des Citrat-Zyklus sind an der Energiegewinnung hauptsächlich die Mitochondrien in den Zellen beteiligt, die oft als Kraftwerke der Zellen bezeichnet werden. Bei der Energiegewinnung entstehen in den Zellen freie Radikale, unvollständige Sauerstoffmoleküle mit aggressivem Potential. Sie sind für die Prozesse der Oxidation wichtig und werden im Normalfall schnell zu weniger aggressiven Stoffen umgewandelt und abgebaut. Das Ausmaß der Radikalenbildung hängt von der Effizienz der oxidativen Phosphorylierung (Umbauprozess vor allem von Proteinen) in den Mitochondrien, von Entgiftungsprozessen und vom Verbrauch des Organismus an Energie und Sauerstoff ab.
Sind die Mitochondrien in ihrer Funktion eingeschränkt oder älter, steigt der Anteil an Radikalen bzw. der oxidative Stress in den Zellen. Ein erhöhter Energiebedarf durch harte körperliche Arbeit oder intensivem Sport, übermäßige Energieaufnahme durch die Ernährung, erhöhte Belastungen mit Schadstoffen etc. können die freien Radikale in den Mitochondrien übermäßig erhöhen und deren Funktionen stören. Die DNA der Mitochondrien braucht daher generell einen besonderen Schutz. Zur Reparatur von DNA-Schäden in den Mitochondrien stehen wirksame Systeme zur Verfügung, immer vorausgesetzt, alles funktioniert gut. Mit zunehmendem Alter und durch erhöhte Schadstoffbelastung nehmen mitochondriale DNA-Schäden zu.
Die Mitochondrien können sich unabhängig von der Zelle teilen und vermehren, die neuen Mitochondrien sind jedoch weniger effektiv, sie können Energie nur in geringerem Maß bilden. Störungen in den Mitochondrien betreffen die Energiegewinnung und die vermehrte Bildung von freien Radikalen. Zu den Folgen gehören verringerte Muskelkraft, Laktatazidose (erhöhte Milchsäure vor allem nach Aufnahme von Glukose) und vermutlich auch das erhöhte Risiko für einige Krankheiten, z. B. Parkinson. Um aggressive Radikale nicht überhand nehmen zu lassen, stehen dem Körper Antioxidantien zur Verfügung.
Sie fangen Radikale ab, reduzieren sie und bilden stabile, nicht aggressive Endprodukte. Sie müssen in alle Teile der Zellen gelangen, in denen Radikale gebildet werden. Dazu gehören das Zellinnere, die Mitochondrien, der Zellkern. sowie alle Gewebe, in denen oxidative Prozesse ablaufen bzw. Sauerstoff, Glukose oder Fettsäuren als Energieträger vorhanden sind.
Mikro-Nährstoffe schützen die Mitochondrien, verbessern die Energiegewinnung und unterstützen so gesundes Altern, grundlegend sind:
- Basis-Nährstoffe mit allen Vitaminen, Mineralstoffen und Spurenelementen
- Coenzym Q10 stärkt den Energiestoffwechsel
- Omega-3-Fettsäuren mit EPA und DHA für stabile Zellmembranen
- Glutathion als wichtiges Antioxidans, u.a. für die Mitochondrien und Zellkerne
- L-Carnitin verbessert den Transport von Fettsäuren durch die Membran der Mitochondrien.