Grundlagen des Energiestoffwechsels

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Wer langfristig abnehmen möchte, sollte zuerst die Physiologie des Körpers verstehen. Informieren Sie sich hier über die wichtigsten Grundlagen des Stoffwechsels.

Die Aufnahme, Umwandlung und Ausscheidung von unterschiedlichen Stoffen ist der wichtigste Bestandteil eines Organismus. Dies bezeichnet man als Stoffwechsel, oder auch Metabolismus. Die meisten Sportler werden in diesem Zusammenhang etwas von Anabolismus (aufbauende chemische Stoffwechselprozesse) und Katabolismus (abbauende chemische Stoffwechselprozesse) gehört haben. Dieser Artikel soll einen vereinfachten Überblick über die wichtigsten im menschlichen Körper auftretenden Metabolismen geben.

 

Energiegewinnung

Menschen sowie alle Tiere sind, im Gegensatz zu Pflanzen, heterotrophe Organismen. Das heißt, sie benötigen zum Aufbau der Zellen und zum Erhalt der Lebensfunktion organische Substanzen, die Nährstoffe.

Diese werden zur Energiegewinnung, für chemische Prozesse und zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur herangezogen. Damit der sogenannte Energiestoffwechsel aufrechterhalten werden kann, muss eine ausreichende Menge an Energieträgern (wie Fette, Kohlenhydrate und Proteine) zugeführt werden.

Der Kraftstoff, der den Körper antreibt und die Muskeln bewegt, ist dabei die primäre Energiequelle Adenosintriphosphat (kurz ATP). Zerfällt dieses, entsteht Adenosindiphosphat (ADP), ein Phosphatrest und Energie. Der ATP-Speicher eines Muskels ist jedoch sehr begrenzt und reicht gerade einmal für 0-3 Sekunden, so dass dieser möglichst schnell wieder aufgefüllt werden muss. Dies geschieht zum einen durch das „Recyclen“ des übrigbleibenden ADP mittels Adenosinmonophosphat (AMP) zu neuem ATP, zum anderen durch eine weitere Phosphatbindung, dem Kreatinphosphat (KrP). Aber auch die Speicherkapazität des KrP ist auf ca. 9 Sekunden begrenzt. Somit stellt dieser Zeitraum die Phase der alaktazid anaeroben Energiegewinnung dar – ohne Laktatbildung und ohne Sauerstoffverbrauch.

 

Energieliefernde Prozesse

Neben diesen primären Energielieferanten verfügt der Körper logischerweise über weitere Verbindungen zur Wiederaufarbeitung von ATP, um Bewegungen mit einem Zeitumfang von über 9 Sekunden durchführen zu können.

Kohlenhydrate sind als Glykogen im Muskel und als Glukose im Blut gespeichert bzw. vorhanden und stellen die einzigen Substrate dar, welche für eine sauerstofflose Aufbereitung von ATP geeignet sind. Je schwerer die Belastung ist, desto höher ist ihr Anteil am Energieumsatz, wohingegen bei leichter bis mittlerer Belastung ihre Beteiligung auf unter 50 % schrumpft und ein weiteres Substrat in den Vordergrund tritt.

Fette befinden sich in fast allen Zellen, ihr Hauptspeicherplatz ist jedoch im Unterhautfettgewebe. Sie liefern mehr als doppelte so viel Energie wie Kohlenhydrate, benötigen für den Fettsäureabbau und die damit verbundene Energiegewinnung jedoch Sauerstoff (aerober Stoffwechsel). Proteine haben primär eine aufbauende Funktion und sind daher kein Energieträger, können aber in Mangelsituationen, das heißt in Abwesenheit der beiden oben genannten Substanzen, ebenfalls zu einem solchen umfunktioniert werden. Ihr Energiewert ist dann mit dem eines Kohlenhydrats vergleichbar.

Die 3 Stoffwechselprozesse dieser Substanzen sind:

 

1) Glykolyse

Wenn Glukose zu Pyruvat abgebaut wird, nennt man diesen Vorgang Glykolyse. Dieser Vorgang läuft im Sarkoplasma der Muskelzelle ab. Es entsteht Wasserstoff, welcher sich an das Coenzym NAD bindet und im weiteren Verlauf in der Atmungskette oxidiert wird. Die dabei freigesetzte Energie wird beim Aufbau von ATP und KrP genutzt. Das entstandene Pyruvat kann nun auf 2 Arten weiter abgebaut werden.

Ohne Sauerstoff entsteht Laktat, weshalb es auch als laktazide Energiegewinnung bekannt ist. Diese Möglichkeit überwiegt schon nach 5 Sekunden – also noch in der anaerob alaktaziden Phase – und erreicht nach ca. 20 Sekunden die maximale Intensität.

Wird Pyruvat hingegen mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser weiter abgebaut, spricht man entsprechend von der aeroben Energiegewinnnung. Die aerobe Nutzung ist zwar schneller, hat aber den Nachteil, dass sie viel Energie verschenkt und durch die Laktatbildung zur Übersäuerung der Muskulatur führen kann, was eine weitere Bewegung unmöglich macht. Nach 45 Sekunden ist der Anteil der Glykolyse an der gesamten Energiebereitstellung maximiert und sinkt in der folgenden Zeit wieder ab. Nach 3 Minuten überwiegt die aerobe Energiebereitstellung.

 

2) Zitronensäurezyklus

Die aerobe Energiegewinnung findet in den zelleigenen Kraftwerken (Mitochondrien) statt. Aus dem bereits erwähnten Pyruvat, aus Fettsäuren und seltener auch aus Aminosäuren entsteht die aktive Essigsäure Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA). Beim weiteren Abbau dieser Säure entsteht wieder Kohlendioxid und Wasserstoff. In der anschließenden Atmungskette wird das hohe Energiepotential des Wasserstoffs genutzt und letztendlich durch die Knallgasreaktion Wasser erzeugt. Erwähnenswert ist auch hier die unterschiedliche Energiebilanz, da aus 1 mol Glukose (Kohlenhydrat) 38 mol ATP und aus 1 mol Triglyceride (Fett) 129 mol ATP entstehen. Der Vorrat und die damit zusammenhängende Leistungsfähigkeit bei dieser Energiegewinnung sind nahezu unendlich.

 

3) Lipolyse

Der Fettstoffwechsel deckt den Energiebedarf bei geringer Belastung und in Ruhephasen ab. Zuerst wird in der Fettzelle durch das Enzym Lipase ein Fettmolekül in je 3 Moleküle Fettsäure und ein Molekül Glycerin gespalten. Das Glycerin wird in der Glykolyse weiterverarbeitet. Die Fettsäuren werden weiter zerlegt und enden schließlich als Essigsäure. Dieser Prozess heißt Beta-Oxidation. Hierbei wird wieder Energie freigesetzt und Acetyl-CoA entsteht, welches im oben genannten Zitronensäurezyklus weiterverarbeitet wird. Hierfür ist Oxalacetat nötig, welches beim Glukoseabbau entsteht. Die Synergie der Verstoffwechslung von Kohlenhydraten und der Fettverbrennung sollte hier deutlich werden, ohne Glukoseabbau kann auch kein Fett verbrannt werden.

Der Merkspruch lautet daher: Fette verbrennen im Feuer der Kohlenhydrate!

 

Energiebedarf

Die in den Nährstoffen gespeicherte Energie wird heutzutage in Joule (J) angegeben. Geläufiger ist aber immer noch der eigentlich veraltete Ausdruck Kalorie (cal). 1 Kilokalorie entspricht etwa 4,19 Kilojoule. Dabei stelle eine Kilokalorie die Energie dar, die benötigt wird, um einen Liter Wasser von 14,5 auf 15,5 Grad Celsius zu erwärmen. Als Brennwert der unterschiedlichen Substanzen wird die bei der Verbrennung eines Gramms freigesetzte Energie bezeichnet. Er beträgt für Kohlenhydrate 17,2 kJ (4,1 kcal), Protein 17,2 kJ (4,1 kcal) und Fette 38,9 kJ (9,3 kcal).

Der tägliche Energiebedarf eines Menschen ist abhängig von Alter, Geschlecht und individueller körperlicher und geistiger Arbeit. Unterschieden wird

– der Grundumsatz, welcher die Menge an Energie angibt, die ein Mensch in 24 Stunden völliger Ruhe und Bettlage allein für die lebenswichtigen Stoffwechselprozesse benötigt,

– der Arbeits- oder Leistungsumsatz, hierunter versteht man die zusätzlich aufgebrachte Energie für die geleistete körperliche Arbeit, und

– der Gesamtumsatz, die Summe aus GU und AU.

Es existieren viele, unterschiedlich komplexe und genaue Formeln zur Berechnung des GU und AU. Als Orientierung soll diese einfache GU-Formel dienen:

 

Grundumsatz der Frau in Kcal pro TagGrundumsatz des Mannes in Kcal pro Tag
700 + 7 x Kg Körpergewicht900 + 10 x Kg Körpergewicht

   

Diesen Wert sollten Sie im Hinterkopf behalten, wenn Sie sich mit Diäten, Ernährungsmethoden, Fitness und Ihrem eigenen Essverhalten näher beschäftigen.

 

Lesen Sie auch: Fitness für Anfänger III: Grundlagen der Ernährung (Teil 1) 

 

Marcel Kremer

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