Energiestoffwechsel

Grundlagen zum Energiestoffwechsel

Zur Energieaufnahme müssen organische Substanzen zugeführt werden, damit der Körper daraus verwertbare Energie gewinnen kann (Energiestoffwechsel).

Energielieferanten sind die Makronährstoffe Kohlenhydrate, Fette und Proteine. Auch Alkohol liefert Energie (7 kcal/g). Zur Energiegewinnung werden die Makronährstoffe schrittweise im Körper oxidiert. Ungefähr 60 % werden in Wärme umgewandelt, die zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur genutzt wird. Die restliche Energie wird in Form von Adenosintriphosphat (ATP) gespeichert bzw. als Energiequelle für zahlreiche Stoffwechselvorgänge zur Verfügung gestellt. Die Energiefreisetzung erfolgt durch Spaltung von Adenosintriphosphat in Adenosindiphosphat (ADP) und freies Phosphat (P). Da der intrazelluläre ATP-Vorrat sehr begrenzt ist, bedient sich der Körper verschiedener Wege der ATP-Resynthese (Synthese = Herstellung). Die ATP-Resynthese erfolgt durch anaerobe und aerobe Energiegewinnung.

Der menschliche Organismus benötigt Energie für:

  • Synthese und Erneuerung körpereigener Substanzen
  • mechanische Arbeit sowie die Aufrechterhaltung der Körpertemperatur
  • chemische und osmotische Gradienten

Zur anaeroben Energiegewinnung zählen die ATP-Resynthese aus Kreatinphosphat und Adenosindiphosphat sowie die (anaerobe) Glykolyse (Abbau von Glucose zu ATP und Laktat).

Zur aeroben Energiegewinnung zählen die Oxidation von Glucose (aerobe Glykolyse), freien Fettsäuren (Betaoxidation) und Aminosäuren (in Ausnahmefällen). Beim Abbau von Glucose, freien Fettsäuren und Aminosäuren entsteht als Zwischenprodukt Acetyl-CoA, woraus unter Freisetzung von Kohlendioxid und Wasser Adenosintriphosphat gebildet wird (Citratzyklus und Atmungskette).

Prozessualer Energieverbrauch

Der durch körperliche Aktivität hervorgerufene erhöhte Energiebedarf der Skelettmuskulatur wird kurzfristig durch die anaerobe Energiegewinnung bzw. im Blut befindliche Glucose gedeckt. Sind darüber hinaus mehr Energieträger erforderlich, wird durch die Glykogenolyse (Abbau gespeicherter Kohlenhydrate) Glykogen in Glucose und Glucose-1-Phosphat abgebaut und über das Blut zu den energiefordernden Zellen transportiert. Gleichzeitig werden Fettsäuren in Glycerin und freie Fettsäuren (FFS) abgebaut (Lipolyse/Fettabbau) und ebenso über den Blutweg zu den energiefordernden Zellen transportiert. Die Stimulation der Lipolyse erfolgt durch den Anstieg lypolytisch wirkender Hormone (u. a. Noradrenalin, Cortisol) und durch die Senkung des antilypolytischen Insulins (ein erniedrigter Insulin-Blutspiegel führt zum Abbau von Fett aus den Fettzellen). Bei intensiver Muskelarbeit bzw. wenn die Glykogendepots weitestgehend leer sind, wird durch die Gluconeogenese vermehrt Glucose aus Nicht-Kohlenhydrat-Vorstufen (Aminosäuren, Glycerin oder Laktat) gebildet und als Energieträger bereitgestellt.

Wegen des aufwendigen biochemischen Ablaufes der Energiegewinnung über die Oxidation laufen die aeroben Stoffwechselprozesse langsam ab und bilden pro Zeiteinheit weniger ATP als die anaeroben Prozesse.

Im Ruhezustand werden 80 % Fettsäuren und 20 % Glucose oxidiert. Bei leichter Belastungsintensität sind es 70 % Fettsäuren und 30 % Glucose. Bei stärkerer Belastungsintensität beträgt das Oxidationsverhältnis etwa 50 % : 50 %.

Energiegehalt von Nährstoffen

Der physiologische Brennwert von Nahrungsmitteln entspricht ihrem Energiegehalt bei Verstoffwechselung (Zellatmung) im Körper und ist mitunter kleiner als der Brennwert bei der vollständigen Verbrennung in einer Flamme (physikalischer Brennwert). Als Maßeinheit wird die Kalorie (cal) verwendet.

1 g Fett = 9 kcal
1 g Kohlenhydrate = 4 kcal
1 g Protein = 4 kcal

Hinweis
1 g Alkohol = 7 kcal

Energiebedarf

Der Energiebedarf des Körpers setzt sich zusammen aus Grundumsatz, nahrungsinduzierter Thermogenese und körperlicher Aktivität.

Der Grundumsatz beschreibt den Energieverbrauch bei völliger körperlicher Ruhe zur Funktionserhaltung des Körpers. Er wird im Wesentlichen vom Alter, Geschlecht, der Körperzellmasse (Muskel- und Organmasse), genetischen Voraussetzungen, dem Gesundheitszustand (Fieber) und durch die Wärmedämmung durch Kleidung bzw. die Umgebungstemperatur bestimmt.
Frauen haben einen geringeren Grundumsatz (ca. 200 kcal weniger) als Männer. Die Muskelmasse ist die wesentliche Determinante des Grundumsatzes. Der Anteil des Grundumsatzes am Gesamtenergieverbrauch beträgt 55-70 %.

Die Thermogenese entspricht dem Energieaufwand, der für die Nahrungsaufnahme sowie -verwertung benötigt wird – Verdauung, Resorption, Transport, Ab- und Umbauprozesse. Wie hoch die Thermogenese ausfällt ist abhängig von der Zusammensetzung und Menge der aufgenommenen Nahrung: 2-4 % der mit Fette, 4-7 % der mit Kohlenhydrate, 18-25 % der mit Proteinen aufgenommenen Energiemenge. Somit dauert die nahrungsinduzierte Thermogenese nach einer proteinreichen Mahlzeit ungefähr doppelt solange an wie nach einer kohlenhydrat- oder fettreichen Mahlzeit gleichen Energiegehaltes.
Des Weiteren beschreibt die Thermogenese auch den Energieverbrauch durch Kälte- und Hitzeexposition, Muskelarbeit, psychische Stimuli (Stress, Angst), Hormone und Medikamente.
Die Thermogenese ist unabhängig vom Geschlecht und Alter. Der Anteil der Thermogenese am Gesamtenergieverbrauch beträgt ca. 10 %.

Grundumsatz und Thermogenese sind nur wenig beeinflussbar.

Die körperliche Aktivität wird unterschieden in intentionale und spontane Aktivität. Als intentionale Aktivität wird eine bewusst vorgenommene Aktivität (z. B. Berufsarbeit, Sport) bezeichnet. Als spontane Aktivität werden z. B. spontane Muskelkontraktionen, Zappeln, Körperspannung beim Sitzen bezeichnet. Die spontane Aktivität ist weitestgehend genetisch determiniert und kann zwischen 100 und 800 kcal/Tag verbrauchen. Der Anteil körperlicher Aktivität am Gesamtenergieverbrauch ist stark variabel und kann 15-35 % betragen. Bei Personen mit geringer körperlicher Aktivität in Beruf und Freizeit beträgt der Anteil am Gesamtenergieverbrauch 15-25 %.

Der Energieverbrauch kann durch direkte Kalorimetrie (Wärmeabgabe-Messung), indirekte Kalorimetrie (Gasaustausch-Messung), Doppelt-markiertes Wasser (Goldstandard) gemessen oder durch biometrische Daten (Körperzellmasse = Muskel- und Organmasse) näherungsweise errechnet werden.

Die Messung des Grundumsatzes muss unter stets gleich bleibenden, standardisierten Bedingungen erfolgen: Am frühen Morgen nach ausreichender Nachtruhe; mehr als 12 Stunden nach der letzten Nahrungsaufnahme; liegend, ohne körperliche Bewegung, aber wach; in gesunder Verfassung; nackt bei 27-29 °C, Raumtemperatur oder leicht bekleidet bei 23-15 °C. Erfolgt die Messung unter weniger standardisierten Bedingungen – allerdings ohne körperliche Bewegung und nach längerer Nahrungskarenz – spricht man vom Ruheenergieumsatz (REE). Der Ruheenergieumsatz ersetzt heute den sogenannten Grundumsatz, da die für den Grundumsatz vorgeschriebenen Messbedingungen in der Praxis nicht eingehalten werden können.

Errechnung des Ruheenergieumsatzes (REE) nach WHO:

REE bei Männern = 10 × Gewicht[kg] + 6,25 × Größe[cm] - 5 × Alter[Jahre] + 5

REE bei Frauen = 10 × Gewicht[kg] + 6,25 × Größe[cm] - 5 × Alter[Jahre] - 161


Errechnung des Ruheenergieumsatzes (REE) nach Harris und Benedict [7]:

REE bei Männern [kcal/Tag] = 66,473 + (13,752 × Körpergewicht [kg]) + (5,003 × Körpergröße [cm]) - (6,755 × Alter [Jahre])

REE bei Frauen [kcal/Tag] = 655,096 + (9,563 × Körpergewicht [kg]) + (1,850 × Körpergröße [cm]) - (4,676 × Alter [Jahre])


Errechnung des Ruheenergieumsatzes (REE) nach Müller et al [8]:

REE = 0,05192 × fettfreie Masse [kg] + 0,04036 × Fettmasse [kg] + 0,89 × Geschlecht (W=0, M=1) – 0,01181 × Alter [Jahre]

Die fettfreie Masse und die Fettmasse können durch die elektrische Impedanzanalyse (BIA) gemessen werden. Die Anwendung der Formel nach Müller ist empfehlenswert, da sie auf aktuellen Daten der deutschen Bevölkerung beruht. Der Standardfehler (Stichprobenfehler) des Mittelwertes (SEM) der Formel ist 0,70 und das Bestimmtheitsmaß (R²) 0,71. Das EUSANA Expertensystem bestimmt den validen Ruheumsatz (REE) auf der Grundlage der Messdaten einer elektrischen Impedanz-Analyse.

Die körperliche Aktivität kann durch die Messgrößen Metabolic Equivalent (MET) oder Physical Activity Level (PAL) abgebildet werden, um den Leistungs- und/oder Gesamtenergieumsatz errechnen zu können.

MET: 1 MET entspricht dem Ruheenergieumsatz von 3,5 ml O2/kg Körpergewicht/Minute.
PAL: 1 PAL entspricht dem Ruheenergieumsatz.

Die Berechnung erfolgt auf Basis eines Aktivitäts- bzw. Bewegungsprotokolls.

PAL-Werte

 Schlaf        0,95  
 Sitzende Tätigkeit      1,2 bis 1,3  Gebrechliche Person
 Sitzende Tätigkeit mit kleinen Gehstrecken   1,4 bis 1,5  Büroangestellter
 Stehende Tätigkeit      1,6 bis 1,7   Fließbandarbeiter
 Überwiegend gehende Tätigkeit     1,8 bis 1,9   Kellner, Verkäufer, Handwerker
 Körperlich anstrengende Tätigkeit  2,0 bis 2,4   Bauarbeiter, Landwirte

 

Beispiel
Mann, 45 Jahre, 90 kg, 185 cm, 8 h Büroarbeit (1,4 PAL), 8 h Freizeit (1,4 PAL), 8 h Schlaf (0,95 PAL)

Ruheenergieumsatz = 66,47 + (13,7 × 90 kg) + (5 × 185 cm) - (6,8 × 45 Jahre) = 1.918,47 kcal/Tag

Leistungsumsatz = (8 × 1,4 PAL) + (8 × 1,4 PAL) + (8 × 0,95 PAL) / 24 = 1,25 PAL

Gesamtenergieverbrauch = 1.918,47 kcal/Tag × 1,25 PAL = 2.398,08 kcal/Tag

Überhöhte Zufuhr

Energie, die dem Körper über den Verbrauch hinaus zugeführt wird, wird in Form von Depotfett gespeichert. Damit ist eine überhöhte Energiezufuhr (positive Energiebilanz) die Hauptursache für die Entstehung von Übergewicht beziehungsweise Adipositas mit deren Folgeerkrankungen.

Mangel

Bei einem Energiemangel (negative Energiebilanz) greift der Körper auf seine eigenen Energiereserven zurück. Das sind zunächst die Glykogenvorräte, die nach 1-2 Tagen kohlenhydratarmer Ernährung erschöpft sind. Im Anschluss wird das Depotfett – danach das Muskelprotein – zur Energiegewinnung abgebaut.
Eine negative Energiebilanz ist die Voraussetzung um ein erhöhtes Körpergewicht zu reduzieren. 

Zufuhr-Empfehlungen

Der Energiebedarf wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. In der Schwangerschaft, bei Säuglingen, Kindern und Jugendlichen wird zusätzliche Energie für das Wachstum benötigt. In der Stillzeit wird zusätzliche Energie für die Milchproduktion benötigt.
Der Bedarf der Nahrungsenergie wird als Richtwert von der Deutschen Gesellschaft für Ernährung (DGE) angegeben [9].

Alter Richtwerte für die Energiezufuhr in kcal/Tag 
  m w    
Säuglinge    
0 bis unter 4 Monate 550  500    
4 bis unter 12 Monate 700 600    
 
  PAL-Wert 1,4 PAL-Wert 1,6 PAL-Wert 1,8
  m w m w m w
Kinder und Jugendliche 
1 bis unter 4 Jahre 1.200 1.100 1.300 1.200  –  –
4 bis unter 7 Jahre 1.400 1.300 1.600 1.500 1.800 1.700
7 bis unter 10 Jahre 1.700 1.500 1.900 1.800 2.100 2.000
10 bis unter 13 Jahre 1.900 1.700 2.200 2.000 2.400 2.200
13 bis unter 15 Jahre 2.300 1.900 2.600 2.200 2.900 2.500
15 bis unter 19 Jahre 2.600 2.000 3.000 2.300 3.400 2.600
Erwachsene  
19 bis unter 25 Jahre 2.400 1.900 2.800 2.200 3.100 2.500
25 bis unter 51 Jahre 2.300 1.800 2.700 2.100 3.000 2.400
51 bis unter 65 Jahre 2.200 1.700 2.500 2.000 2.800 2.200
65 Jahre und älter 2.100 1.700 2.500 1.900 2.800 2.100

Die Zahlen beziehen sich auf normalgewichtige Personen. Bei Abweichungen vom Normbereich wie z. B. Übergewicht sind individuelle Anpassungen notwendig.

Schwangeren und Stillenden wird eine zusätzliche Energieaufnahme empfohlen [9].

Richtwerte für die zusätzliche Energiezufuhr für Schwangere:

Die folgenden Angaben gelten nur bei Normalgewicht vor der Schwangerschaft, einer wünschenswerten Gewichtsentwicklung während der Schwangerschaft (Körpergewichtszunahme von 12 kg bis Ende der Schwangerschaft) und bei unverminderter körperlicher Aktivität:

  • 2. Trimester: + 250 kcal/Tag
  • 3. Trimester: + 500 kcal/Tag

Richtwert für die zusätzliche Energiezufuhr für Stillende:

  • bei ausschließlichem Stillen während der ersten 4-6 Monate: + 500 kcal/Tag

Energiestoffwechsel bei Leistungssport

Bei sportlicher Aktivität wird in der Muskulatur Energie verbraucht, welche dem Körper in Form von Nahrungskalorien wieder zur Verfügung gestellt werden muss. Ein arbeitender Muskel besitzt im Vergleich zum Ruhezustand einen circa 300fach höheren Energieumsatz. Sportlich Aktive haben demzufolge einen höheren Energiebedarf. Unabhängig hiervon ist jedoch nicht nur die Deckung des Energiebedarfes der Muskulatur wichtig, sondern vielmehr eine ausgewogene Ernährung. Beim Leistungssport werden nicht nur Glucose und Fettsäuren verbrannt, sondern auch Vitalstoffe wie beispielsweise Vitamine und Spurenelemente. Außerdem bedarf es einer ausreichenden Versorgung mit allen Energieträgern, d.h. mit Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen. Gerät die Zufuhr von den drei Energieträgern in ein Ungleichgewicht, so führt dies unweigerlich in eine Leistungsverminderung.

Vergleicht man den Energiebedarf eines Leistungssportlers mit dem eines Untrainierten, so lässt sich beim Sportler ein signifikanter Mehrbedarf an Energieträgern feststellen. Um den belastungsbedingten Mehrbedarf auszugleichen und sportliche Höchstleistungen vollbringen zu können, sollte die Sportlerernährung der Sportart entsprechend und abwechslungsreich sein und aus einer vollwertigen Mischkost bestehen.

Kohlenhydratbedarf im Leistungssport

  • Betrachtet man die Verstoffwechselung der Kohlenhydrate im menschlichen Organismus, so fällt auf, dass besonders der Einfachzucker Glucose und die Speicherform der Glucose, das Glykogen, für die sofortige Bereitstellung von Energie von Bedeutung sind. Neben dem Gehirn stellt die Muskulatur ein Organsystem dar, welches ununterbrochen auf die Versorgung mit Kohlenhydraten angewiesen ist.
  • Abhängig vom Trainingsgrad des Sportlers können unterschiedliche Mengen von Glucose im Körper gespeichert werden und im Bedarfsfall freigesetzt werden. Je optimierter der Ausdauerzustand des Sportlers ist, desto mehr Glucose kann gespeichert werden. Insgesamt können ungefähr 500 g Glucose eingelagert werden, was einem Wert von 2000 kcal entspricht. Den größten und wichtigsten Speicher für die Glucose im menschlichen Organismus stellt die Leber dar.
  • Bevor jedoch die Leber zur Freisetzung der Glucose angeregt wird, erfolgt der Verbrauch der Glykogenreserven im Muskel.
  • In Abhängigkeit von der Sportart unterscheiden sich der Bedarf und die Bereitstellungsdauer von energiehaltigen Kohlenhydraten. Bei Ausdauersportarten wird häufig eine dauerhafte und konstante Versorgung mit Glucose benötigt. Da beim Ausdauertraining ein Zustand der Sauerstoffanwesenheit vorliegt, können aerobe Energiegewinnungsmechanismen genutzt werden. Wird vom Organismus allerdings eine plötzliche hohe Belastung gefordert, so stellt die aerobe Energiegewinnung keine Alternative dar, da diese zu träge ist. Stattdessen greift der Körper auf die anaerobe Energiegewinnung zurück. Abhängig von der Belastungsintensität überwiegt die anaerob alactazide oder die anaerob lactazide Energiegewinnung.
  • Vergleicht man die Energiegewinnungsmechanismen, so wird deutlich, dass der Vorteil der anaeroben Energiebereitstellung in der schnellen Verstoffwechselung von Glucose liegt, als Nachteil ist jedoch zu erkennen, dass die absolute Energiefreisetzung als weitaus geringer einzustufen ist.
  • Kohlenhydrate spielen in der Sportlerernährung eine wichtige Rolle, da sie den Energieträger für die Muskulatur, das Gehirn und die Erythrozyten darstellen.
  • Ein Gramm Kohlenhydrate liefert 4 Kalorien und pro Liter Sauerstoff etwa 9 % mehr Energie als Fett. Eine unzureichende Kohlenhydratzufuhr vermindert die Konzentration und kann Nausea und Vertigo (Schwindel) zur Folge haben.

Energiebereitstellung in der belasteten Muskulatur

  • Die einzige Verbindung, die der Organismus direkt zur Energiegewinnung anwenden kann, ist das ATP (Adenosintriphosphat). Auf Grund der geringen Konzentration im Muskel reicht dies allerdings nur für wenige Muskelzuckungen und ist nicht für sportliche Belastungen ausreichend. Um den Energiebedarf zu stillen, behilft sich der Muskel durch die Bereitstellung von Kreatinphosphat, durch das der Muskel für ca. 15 Sekunden versorgt werden kann.
  • Wichtig für das Verständnis der Energieversorgung des Muskels ist die Erkenntnis, dass kein Energiebereitstellungsmechanismus für sich allein abläuft, sondern vielmehr alle nebeneinander und gleichzeitig ablaufen. Wichtig ist überdies, dass die Belastungsintensität und die Dauer die wichtigsten Stellgrößen darstellen, mit denen bestimmt wird, welches System der Energiegewinnung dominiert.
  • Besonders bei körperlichen Belastungen, die ungefähr zwei bis acht Minuten dauern, ist die oxidative Energiegewinnung von großer Bedeutung. Als Beispiele hierfür sind Judo, Boxen und der Mittelstreckenlauf zu nennen.
  • Bei einer länger andauernden Belastung bis zu 45 Minuten sind vorwiegend aerobe Energiegewinnungsmechanismen gefordert. Liegt die Belastungsdauer noch höher, so werden zusätzlich Fettsäuren in großen Mengen verstoffwechselt. 
  • Als Konsequenz für den Sportler ergibt sich der Bedarf für eine ausreichende kohlenhydrathaltige Basisernährung mit zusätzlicher Kohlenhydratzufuhr bei Ausdauerbelastungen. Außerdem sollte nach einer Belastung eine möglichst schnelle Wiederauffüllung der Speicher durchgeführt werden.

Fettbedarf im Leistungssport

  • Die Fettzufuhr sollte nicht über 30 % liegen. Fette sind Träger fettlöslicher Vitamine – Vitamin A, E, D, K –, welche nur in Verbindung mit Fett aufgenommen werden.
  • Des Weiteren sind Fette wichtig für die Wärmeisolation (Unterhautfettgewebe). Mit 9,3 kcal in einem Gramm Fett stellen sie eine konzentrierte Energiequelle dar und gelten daher als Langzeit-Brennstoff der Muskulatur. Die Fettspeicherung ist im Gegensatz zur sonstigen Energiespeicherung nahezu unbegrenzt. Zu viel Fett beeinflusst jedoch den Kohlenhydratstoffwechsel ungünstig und belastet den Stoffwechsel, da es für einen längeren Zeitraum im Magen verweilt.
  • Des Weiteren setzt ein zu hoher Fettanteil in der Nahrung vor allem bei Ausdauersport die Leistungsfähigkeit herab. Demzufolge sollte aus ernährungsmedizinischer und leistungsphysiologischer Sicht darauf geachtet werden, dass nicht zu hohe Mengen Fett in der Sportlerernährung verzehrt und bevorzugt pflanzliche Fette konsumiert werden. Pflanzliche Fette wie Olivenöl, Sonnenblumen- und Erdnussöl sind Träger essentieller Fettsäuren, die sich positiv auf den Cholesterin-Serumspiegel auswirken.
  • In Ruhe und bei lang andauernden mittelstarken Belastungen bezieht die Muskelzelle ihre Energie vornehmlich aus der Fettverbrennung. Steigt jedoch die Belastungsintensität an, so werden vermehrt Kohlenhydrate zur Energiebereitstellung genutzt. Ein trainierter Körper lässt sich daher daran erkennen, dass er trotz Leistungssteigerung noch auf fettverbrauchende Verstoffwechselungsmechanismen zurückgreifen kann. 

Proteinbedarf im Leistungssport

  • Proteine sind in der Ernährung von Sportlern sehr wichtig, da sie zum Aufbau der Muskulatur, von Hormonen, Immunproteinen und zur Bildung von Enzymen, die den Stoffwechsel regulieren, benötigt werden. Proteine sollten in der Nahrung einen Anteil von 10-20 % einnehmen [2]. Es gibt keine konkreten Speicher, wie bei Kohlenhydraten oder Fetten. Vielmehr sind Muskulatur und Leber, aber auch Eiweißbestandteile des Blutes Eiweißträger.
  • Protein trägt nur in einem sehr geringen Umfang zur Energiebereitstellung bei. Bei ungenügender Kohlenhydratzufuhr oder leeren Speichern infolge hoher sowie langer Belastungsintensitäten werden jedoch die Proteinreserven zur Bereitstellung von Energie benötigt. Dauern sportliche Betätigungen besonders lang an, können zwischen 5 und 15 % Protein in Form von Aminosäuren verbrannt werden. Zur Energiegewinnung werden besonders die Aminosäuren Valin, Leucin und Isoleucin herangezogen. Hormonelle Veränderungen im Körper tragen ebenfalls zum vermehrten Verbrauch von Aminosäuren bei [2].
  • Der Körper ist in der Lage, Proteine in Kohlenhydrate umzuwandeln. Werden zu geringe Mengen Kohlenhydrate über die Nahrung aufgenommen, kommt es zur vermehrten Umwandlung körpereigener Proteine in Kohlenhydrate (Glukoneogenese von Glucose aus glucoplastischen Aminosäuren). Dadurch können sich jedoch Proteindefizite entwickeln. Proteinmangel mindert die körperliche Leistungsfähigkeit und schmälert die Immunreaktion. Proteinverluste treten ebenso vermehrt auf, wenn neben hoher Muskelbeanspruchung zu wenige Proteine über die Nahrung zugeführt wird.
  • Training bewirkt katabole Prozesse im Körper, wodurch eine ständige Versorgung mit essentiellen Aminosäuren wichtig ist. Die Aminosäuren Valin, Leucin, Isoleucin, Threonin, Methionin, Phenylalanin, Tryptophan und Lysin können vom Körper nicht gebildet werden, was die Zufuhr über die Nahrung dringend notwendig macht.
  • Geeignete Proteinquellen sind fettarme Milchprodukte, mageres Fleisch, Fisch sowie Hülsenfrüchte. Tierisches Protein ist im Gegensatz zu pflanzlichem Protein qualitativ hochwertiger und deckt den Proteinbedarf des menschlichen Körpers besser ab. Die verschieden biologische Wertigkeit liegt an den in unterschiedlichen Mengen enthaltenden essentiellen Aminosäuren. Auf pflanzliches Protein muss aber nicht verzichtet werden. Die essentiellen Aminosäuren tierischer und pflanzlicher Lebensmittel lassen sich so ergänzen, dass eine ebenfalls hohe biologische Wertigkeit erreicht werden kann. Günstige Kombinationen sind Kartoffeln mit Ei oder Milchprodukten und Getreide mit Ei, Milchprodukten oder Hülsenfrüchten.
  • Bei intensivem Muskelaufbau sind nicht mehr als 0,2-0,3 Gramm Protein pro Kilogramm Körpergewicht zusätzlich notwendig. Durch eine überhöhte Proteinzufuhr über die Nahrung kann der Muskelaufbau jedoch nicht gesteigert werden. Zu viel Protein kann das Auftreten von Stoffwechselerkrankungen wie zum Beispiel Hyperurikämie (Gicht) begünstigen. Bei übermäßiger Proteinzufuhr werden die Nieren aufgrund einer erhöhten Harnstoffausscheidung erheblich belastet. Nierenschäden können die Folge sein.

Innerhalb der einzelnen Sportphasen wie Ausdauerbelastungen, Kraftausdauersport, Schnellkraft- und Schnelligkeitsausdauer, Kraftsport sowie Beweglichkeit und Koordination kommt es zu unterschiedlichen Makronährstoffbedürfnissen.

Ausdauersportler wie Läufer und Schwimmer brauchen zur Aufrechterhaltung ihres Speichers einen hohen Anteil an Kohlenhydraten. Proteine dagegen machen den geringsten Gehalt in der Nahrung aus. Bevorzugen Sportler eher die Kraftkomponente, wie Gewichtheben und Kugelstoßen, sollte der Proteinanteil in der Ernährung bis zu 20 % betragen, um das Muskelwachstum zu unterstützen.

Makronährstoffverteilung in der Sporternährung

Vitalstoffe Ausdauer Kraft
Kohlenhydrate 50-60 % 38-46 %
Fette 27-33 % 32-40 %
Proteine 14-16 % 20-24 %

Leistungssport und Energiebereitstellung

Für die Tätigkeit der Muskeln wird Energie gebraucht, welche die körpereigene Verbindung Adenosintriphosphat (ATP) liefert. Um ATP zu erhalten, müssen aufgenommene Makronährstoffe (Vitalstoffe) wie Kohlenhydrate, Fette und Proteine umgewandelt werden. Mit der Hilfe von Adenosintriphosphat kann der Körper die lebensnotwendige Energie aus den Makronährstoffen nutzen.

Eine weitere energiereiche Verbindung stellt das Kreatinphosphat (KrP) dar.

Bei erhöhtem Energiebedarf, kann KrP schnell in ATP umgewandelt werden. Demzufolge kann das Kreatinphosphat längerfristig Energie speichern, während Adenosintriphosphat ein eher kurzfristiger Energiespeicher ist [1].

Während ein Sportler trainiert und die Muskeln arbeiten, wird ATP gespalten und somit die für den Muskel notwendige Energie bereitgestellt. Da die verfügbare Menge des ATP in der Muskulatur begrenzt ist, muss es kontinuierlich neu gebildet werden. Die ATP-Synthese erfolgt auf vier verschiedenen Wegen [2].

Kreatinphosphatspaltung
Da bei hohen Leistungen – kurze, sehr intensive Belastungen, hoher Krafteinsatz – die muskuläre Energiebereitstellung mittels Sauerstoff nicht ausreicht, wird die Energie antioxidativ und damit anaerob hergestellt. Während Kurzsprints, Würfen oder Sprüngen kommt es zu einem erhöhten Energiebedarf und der Körper stellt ATP infolge der KrP-Spaltung sehr schnell, jedoch in sehr geringen Mengen zur Verfügung. Die Energie steht somit nur für begrenzte Zeit bereit – Sekunden bis wenige Minuten.
Sowohl Kurzzeit- als auch Langzeitbelastungen reduzieren die verfügbare Menge des Kreatinphosphates. Es ist somit notwendig, den muskulären Speicher an Kreatinphosphat über eine ausreichende Nahrungszufuhr zu erhöhen, um die Leistungsfähigkeit zu verlängern. Insbesondere sollten Fisch – Hering, Lachs, Thunfisch – und Fleisch – Schweinefleisch, Rindfleisch – aufgrund ihres hohen Kreatingehalts in ausreichenden Mengen konsumiert werden [1].

Laktatbildung
Die muskuläre Energiebereitstellung erfolgt aerob und damit mittels ausreichender Sauerstoffversorgung. Die Makro- und Mikronährstoffe (Vitalstoffe) werden oxidativ verwertet.
Während maximaler, hochintensiver Belastungen – Mittelstreckenläufe – wird der Kohlenhydratspeicher herangezogen und es kommt zur Glucoseoxidation. Glykogen, die Speicherform der Glucose, wird unter schneller ATP-Bereitstellung abgebaut. Die vermehrt stattfindende Glykolyse führt zu einer erhöhten Laktatsäureproduktion und damit zum Anstieg der Laktatmenge in der Muskelzelle. Dadurch kommt es zu einer pH-Verschiebung innerhalb der Zelle – Abnahme des pH-Wertes im Blut – und zu einer Übersäuerung des Muskels (Laktatazidose). Zum einen hemmt die Laktatsäure die Kontraktion des Muskels und zum anderen die Enzyme zur muskulären Energiegewinnung. In der Folge ermüdet der Muskel, woraus ein Leistungsabfall resultiert. Die körperliche Belastung muss letztendlich abgebrochen werden [3].

Vollständige Verbrennung
Die muskuläre Energiebereitstellung erfolgt ebenfalls aerob und damit mittels ausreichender Sauerstoffversorgung. Während lang anhaltender, maximaler und hochintensiver Belastungen – lange Langlaufstrecken je nach Intensität – wird Glykogen komplett zu Kohlendioxid und Wasser verbrannt. Der Energieträger ATP wird mit langsamer Geschwindigkeit und in hohen Mengen gebildet, damit in der Zeit der Belastung die Leistungsfähigkeit möglichst hoch gehalten wird.

Die Glykogenspeicher sind sehr begrenzt und stehen für nur etwa 90 Minuten intensiver Belastungen zur Verfügung.
Sind die Glykogenreserven im Muskel aufgebraucht, vermindert sich die Leistungsfähigkeit [2]. Diese Energiebereitstellung läuft schneller ab als die Lipolyse und liefert in Bezug auf die aufgenommene Menge Sauerstoff etwa 9 % mehr Energie als der Abbau von Fettsäuren [2].

Vollständige Fettverbrennung
Bei länger dauernden, niedrigen oder mittleren Belastungsintensitäten – längere Langlaufstrecken je nach Intensität – deckt der Organismus seinen Energiebedarf zu mehr als 60 % durch die komplette Verbrennung von Fettsäuren zu Kohlendioxid und Wasser [3].

Aufgrund einer ausreichenden Versorgung mit Sauerstoff erfolgt die Energiebereitstellung aerob. Die ATP-Bereitstellung läuft infolge länger dauernder niedriger Bewegungen mit mäßiger Geschwindigkeit ab. Die nur langsam verfügbaren Fette werden überwiegend verbrannt.
Die Gesamtmenge an gebildetem ATP sowie der verfügbare Anteil der Fette ist nahezu unbegrenzt, wodurch die Leistungsfähigkeit lange aufrecht erhalten bleibt.

Wird der Körper damit nicht überanstrengt und über einen längeren Zeitraum mit geringer Intensität belastet, verbessert das die Ausdauer, stabilisiert das Immunsystem und gewährleistet einen großen Anteil Fettverbrennung. Nur wenn eine ausreichende Sauerstoffversorgung gewährleistet ist, kann auch effektiv Fett verbrannt werden [2].

In der Regel laufen alle Formen der ATP-Synthese parallel ab, jedoch mit unterschiedlichen Anteilen. Welche ATP-Neubildung vorrangig ist, hängt von der Art, der Intensität und der Dauer der Belastung ab.
Je intensiver die Belastung – zum Beispiel je schneller ein Sportler läuft – umso weniger Fettsäuren und umso mehr Glykogen werden verbrannt [1].

Neben den individuellen Makronährstoffverteilungen (-bedürfnissen) in den unterschiedlichen Sportarten variiert auch der zusätzliche Energieverbrauch.

Zusätzlicher Energieverbrauch bei unterschiedlichen Hauptbelastungsformen [1]

Hauptbelastungsform Energieumsatz in Kalorien pro Stunde
Ausdauer – Mittel- und Langstreckenlauf, Radfahren, Schwimmen etc.
300-800
Beweglichkeit, Koordination – Golf, Gymnastik, Yoga etc. 150-550
Kraft – Bodybuilding, Gewichtheben, Kugelstoßen etc.
500-700
Kraftausdauer – Ballett, Radsport, Rudern etc. 300-1.100
Schnelligkeitsausdauer – Basketball, Fußball, Handball etc. 300-1.200
Schnellkraft – Baseball, Leichtathletik etc. 500-1.000

Literatur

  1. Biesalski HK, Köhrle J, Schümann K: Vitamine, Spurenelemente und Mineralstoffe. Kapitel 51, 326-342. Georg Thieme Verlag Stuttgart/New York 2002
  2. Biesalski HK, Fürst P, Kasper H, Kluthe R, Pölert W, Puchstein Ch, Stähelin HB: Ernährungsmedizin. Kapitel 18, 231-237. Georg Thieme Verlag Stuttgart 1999
  3. Eschenbruch B: Wasser und Mineralstoffe in der Ernährungsmedizin. Kapitel 4, 88-89. Umschau Zeitschriftenverlag Breidenstein GmbH Frankfurt am Main 1994
  4. Hollmann W: Sportmedizin: Grundlagen von körperlicher Aktivität, Training und Präventivmedizin. Schattauer Verlag 2009
  5. Berg A: Optimale Ernährung des Sportlers. Hirzel Verlag 2008
  6. Dickhuth HH: Sportmedizin für Ärzte. Deutscher Ärzte Verlag 2007
  7. Harris JA, Benedict FG: A biometric study of basal metabolism in man. Carnegie Institution of Washington. Publication No 279, 1919
  8. Müller MJ, Bosy-Westphal A, Klaus S, Kreymann G, Lührmann PM, Neuhäuser-Berthold M, Noack R, Pirke KM, Selberg O, Steininger J: World Health Organization equations have shortcomings for pre-dicting resting energy expenditure in persons from a modern, affluent population: generation of a new reference standard from a retro-sspective analysis of a German database of resting energy expenditure. American JClin Nutr 2004; 80: 1379±1390
  9. Deutsche Gesellschaft für Ernährung, Österreichische Gesellschaft für Ernährung, Schweizerische Gesellschaft für Ernährungsforschung, Schweizerische Vereinigung für Ernährung: Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr. 5. Auflage. In: DGE/ÖGE/SGE/SVE. Umschau- Braus-Verlag, Frankfurt/Main (2013)
     
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