Energieaufnahme, -verbrauch und -bedarf: Energiestoffwechsel des Menschen

Der Energiehaushalt des Menschen bildet die Grundlage aller körperlichen und geistigen Funktionen. Ohne eine kontinuierliche Energiezufuhr wären weder Bewegung noch Konzentration, Wachstum, Regeneration noch die Funktion lebenswichtiger Organe möglich. Da der menschliche Organismus Energie nicht selbst herstellen kann, muss sie regelmäßig über die Nahrungsaufnahme zugeführt werden. Die Gesamtheit der Prozesse, mit denen Nahrungsenergie gewonnen, umgewandelt, genutzt und gespeichert wird, wird als Energiestoffwechsel bezeichnet.

Die Energiezufuhr erfolgt über organische Nährstoffe, die im Stoffwechsel verwertbar sind.

Zu den zentralen Energielieferanten zählen die Makronährstoffe (Hauptnährstoffe):

• Kohlenhydrate: liefern etwa 50-55 % der täglichen Energiezufuhr und stellen eine schnell verfügbare Energiequelle dar.
• Fette: tragen mit rund 25-30 % zur Energieversorgung bei und sind die wichtigste Form der langfristigen Energiespeicherung.
• Proteine (Eiweiße): liefern etwa 15-20 % der Energie, dienen jedoch vorrangig als Baustoffe für Gewebe sowie als funktionelle Bestandteile von Enzymen, Hormonen und Transportproteinen.

Nach der Aufnahme werden diese Nährstoffe im Verdauungstrakt enzymatisch aufgeschlossen und in den Körperzellen schrittweise abgebaut. Die dabei frei werdende Energie wird nicht vollständig in nutzbare Arbeit umgesetzt:

• Rund 60 % werden in Wärme umgewandelt und tragen zur Stabilisierung der Körpertemperatur bei.
• Die verbleibenden etwa 40 % stehen als metabolisch nutzbare Energie zur Verfügung, entweder zur unmittelbaren Deckung des Energiebedarfs oder zur Speicherung als Energiereserve, vor allem in Form von Fett oder Glykogen, der Speicherform der Glucose.

Diese fein regulierte Energiegewinnung stellt eine zentrale Voraussetzung für Leistungsfähigkeit, Stoffwechselgesundheit und die langfristige Regulation des Körpergewichts dar.

Prozessualer Energieverbrauch – was bei Bewegung im Körper passiert

Sobald der Körper aus dem Ruhezustand in Bewegung übergeht, steigt der Energiebedarf innerhalb von Sekunden an. Besonders betroffen ist die Skelettmuskulatur, da Muskelkontraktionen einen hohen und unmittelbar verfügbaren Energiebedarf haben. Um diesen Bedarf schnell zu decken, greift der Organismus zunächst auf die im Blut verfügbare Glucose zurück. Diese stammt entweder aus der letzten Mahlzeit oder aus der kontinuierlichen Glucosefreisetzung der Leber.

Reicht die im Blut zirkulierende Glucose nicht aus, werden körpereigene Energiespeicher mobilisiert. Dabei laufen mehrere Stoffwechselprozesse parallel und fein aufeinander abgestimmt ab:

• Glykogenolyse: In Leber und Muskulatur gespeichertes Glykogen wird enzymatisch zu Glucose abgebaut.
  • Das Muskelglykogen dient ausschließlich der Energieversorgung der arbeitenden Muskulatur.
  • Leberglykogen stabilisiert den Blutzuckerspiegel, indem Glucose ins Blut abgegeben wird.
• Lipolyse: In den Fettzellen gespeicherte Triglyzeride werden zu freien Fettsäuren (FFS) und Glycerin gespalten.
  • Die Fettsäuren werden über das Blut zu den Muskelzellen transportiert und dort in den Mitochondrien ("Kraftwerke der Zellen") zur Energiegewinnung oxidiert.
  • Glycerin kann in der Leber als Ausgangssubstanz für die Glucosebildung dienen.

Die Auswahl des jeweils genutzten Energieträgers hängt unter anderem von der Belastungsintensität, der Belastungsdauer, dem Trainingszustand sowie der Verfügbarkeit von Kohlenhydratspeichern ab.

Hormonelle Steuerung der Energiebereitstellung

Die Mobilisierung und Nutzung der Energiereserven wird maßgeblich durch Hormone reguliert:

• Noradrenalin steigert bei körperlicher Aktivität kurzfristig die Energiebereitstellung, indem es sowohl die Glykogenolyse als auch die Lipolyse aktiviert.
• Cortisol wirkt eher langfristig und unterstützt den Abbau von Fettreserven sowie – bei länger anhaltender Belastung – auch den Abbau von Proteinen zur Energiebereitstellung.
• Insulin hemmt den Fettabbau, fördert die Glucoseaufnahme in die Zellen und begünstigt die Speicherung von Energie in Form von Glykogen und Fett. Sinkt der Insulinspiegel, wird der Zugang zu den Fettreserven erleichtert.

Dieses hormonelle Zusammenspiel sorgt dafür, dass Energie bedarfsgerecht bereitgestellt wird, ohne die Blutzuckerhomöostase zu gefährden.

Gluconeogenese – Energieversorgung bei leeren Speichern

Sind die Kohlenhydratspeicher weitgehend erschöpft, etwa nach längerer körperlicher Belastung, längerem Fasten oder sehr kohlenhydratarmer Ernährung, gewinnt die Gluconeogenese (Glucoseneubildung) zunehmend an Bedeutung. Dabei stellt der Körper Glucose neu her, obwohl keine Kohlenhydrate zugeführt werden.

Als Ausgangssubstanzen dienen dabei:

• Aminosäuren aus dem Abbau von Körpereiweiß (vor allem aus der Muskulatur).
• Glycerin aus der Lipolyse.
• Lactat (Milchsäure), das bei intensiver Muskelarbeit entsteht und in der Leber wieder zu Glucose umgebaut werden kann.

Die Gluconeogenese stellt sicher, dass besonders glucoseabhängige Organe wie Gehirn, Erythrozyten (rote Blutkörperchen) und Nierenmark auch unter Belastung oder bei Energiemangel weiterhin versorgt werden. Gleichzeitig erklärt dieser Mechanismus, warum eine länger anhaltende negative Energiebilanz mit Muskelabbau einhergehen kann.

Verhältnis von Fett- und Kohlenhydratverbrennung

Der menschliche Körper nutzt Fette und Kohlenhydrate grundsätzlich immer parallel zur Energiegewinnung. Entgegen einer weitverbreiteten Annahme beginnt die Fettverbrennung nicht erst nach 20 oder 30 Minuten Bewegung, sondern läuft vom ersten Moment an – auch im Ruhezustand. Entscheidend ist jedoch nicht, ob Fett verbrannt wird, sondern in welchem Verhältnis Fett- und Kohlenhydratstoffwechsel zur Energiebereitstellung beitragen. Dieses Verhältnis verschiebt sich abhängig von der Belastungsintensität, der Belastungsdauer, dem Trainingszustand sowie der Verfügbarkeit der Kohlenhydratspeicher:

• Ruhezustand: Etwa 80 % der benötigten Energie stammen aus der Fettverbrennung, rund 20 % aus der Verbrennung von Glucose.
• Leichte körperliche Belastung: Der Energiebedarf wird weiterhin überwiegend aus Fetten gedeckt (ca. 70 %), während der Anteil der Glucoseverbrennung auf etwa 30 % ansteigt.
• Höhere Belastungsintensität: Mit zunehmender Intensität verschiebt sich das Verhältnis auf etwa 50 : 50 zwischen Fett- und Glucoseverbrennung.

Der Grund für diese Verschiebung liegt in der Geschwindigkeit der Energiebereitstellung. Kohlenhydrate können deutlich schneller in verwertbare Energie umgewandelt werden als Fette und stehen dem Körper daher bei höherer Belastung bevorzugt zur Verfügung. Fette liefern zwar große Energiemengen, ihre Verwertung ist jedoch langsamer und stärker vom Sauerstoffangebot abhängig.

Energiegehalt von Nährstoffen

Der Energiegehalt von Lebensmitteln wird mit der Einheit Kilokalorie (kcal) angegeben.

• 1 g Fett liefert 9 kcal
• 1 g Kohlenhydrate liefert 4 kcal
• 1 g Eiweiß liefert 4 kcal

Auch Alkohol liefert Energie (7 kcal pro Gramm), ist jedoch kein lebensnotwendiger Nährstoff und hat aufgrund seiner Nebenwirkungen keinen ernährungsphysiologischen Nutzen.

Energiebedarf

Der tägliche Energiebedarf des Körpers setzt sich aus drei Hauptkomponenten zusammen:

• Grundumsatz
• Thermogenese (körpereigene Produktion von Wärme durch Stoffwechselprozesse, die notwendig ist, um die Körpertemperatur aufrechtzuerhalten)
• Körperliche Aktivität

1. Grundumsatz – Energie für die lebenswichtigen Funktionen

Der Grundumsatz beschreibt den Energieverbrauch des Körpers in völliger Ruhe. Diese Energie wird benötigt, um grundlegende Körperfunktionen aufrechtzuerhalten, z. B.:

• Herzschlag
• Atmung
• Gehirnaktivität
• Temperaturregulation

Der Grundumsatz wird beeinflusst durch:

• Alter und Geschlecht
• Muskel- und Organmasse
• Genetische Faktoren
• Gesundheitszustand (z. B. Fieber)
• Umgebungstemperatur und Kleidung

Frauen haben im Durchschnitt einen um etwa 200 kcal niedrigeren Grundumsatz als Männer, hauptsächlich aufgrund einer geringeren Muskelmasse. Der Grundumsatz macht etwa 55-70 % des gesamten Energieverbrauchs aus.

2. Thermogenese – Energieverbrauch durch Essen und Umweltreize

Die Thermogenese beschreibt den Energieaufwand, den der Körper für die Verdauung, Resorption (Aufnahme) Transport sowie Um- und Abbau von Nährstoffen benötigt.

Je nach Nährstoff fällt dieser Energieverbrauch unterschiedlich hoch aus:

• Fett: ca. 2-4 % der aufgenommenen Energie
• Kohlenhydrate: ca. 4-7 %
• Proteine: ca. 18-25 %

Daher hält die Wärmebildung nach einer proteinreichen Mahlzeit deutlich länger an als nach einer fett- oder kohlenhydratreichen Mahlzeit mit gleichem Energiegehalt.

Zur Thermogenese zählen außerdem Energieverbräuche durch:

• Kälte oder Hitze
• Muskelarbeit
• Psychische Reize (Stress, Angst)
• Hormone und Medikamente

Die Thermogenese ist weitgehend unabhängig von Alter und Geschlecht und macht etwa 10 % des Gesamtenergieverbrauchs aus. 
Grundumsatz und Thermogenese sind nur begrenzt beeinflussbar.

3. Körperliche Aktivität – der variabelste Anteil

Die körperliche Aktivität wird unterteilt in:

• Intentionale Aktivität: bewusst ausgeübte Bewegung (Beruf, Sport)
• Spontane Aktivität: unbewusste Muskelbewegungen wie Zappeln, Haltungsarbeit oder Körperspannung beim Sitzen

Die spontane Aktivität ist stark genetisch geprägt und kann zwischen 100 und 800 kcal pro Tag betragen.

Der Anteil körperlicher Aktivität am Gesamtenergieverbrauch liegt je nach Lebensstil zwischen 15 und 35 %. Bei überwiegend sitzender Tätigkeit beträgt er meist 15-25 %.

Überhöhte Zufuhr

Wird dem Körper über einen längeren Zeitraum mehr Energie zugeführt, als er tatsächlich verbraucht, entsteht eine sogenannte positive Energiebilanz. Der Organismus ist darauf ausgelegt, überschüssige Energie nicht ungenutzt auszuscheiden, sondern sie für Zeiten möglicher Knappheit zu speichern. Diese Speicherung erfolgt überwiegend in Form von Depotfett im Fettgewebe.

Kurzfristige Energieüberschüsse, etwa nach einzelnen sehr kalorienreichen Mahlzeiten, lassen sich durch erhöhte Thermogenese oder spontane Aktivität teilweise ausgleichen. Besteht jedoch dauerhaft ein Energieüberschuss, übersteigen die Speicherprozesse die Verbrauchsmechanismen. Die Fettzellen vergrößern sich und können sich bei länger anhaltender Überversorgung auch vermehren.

Eine chronisch positive Energiebilanz gilt als zentrale Ursache für die Entstehung von Übergewicht und Adipositas. Damit verbunden ist ein deutlich erhöhtes Risiko für zahlreiche Folgeerkrankungen, darunter:

• Störungen des Glucosestoffwechsels (z. B. Insulinresistenz, Typ-2-Diabetes)
• Hyperlipidämien/Dyslipidämie (Fettstoffwechselstörungen)
• Hypertonie (Bluthochdruck) und weitere Herz-Kreislauf-Erkrankungen
• Gelenk- und Wirbelsäulenbeschwerden durch erhöhte mechanische Belastung
• Nicht-alkoholische Fettlebererkrankung (NAFLD)

Zusätzlich beeinflusst eine dauerhaft überhöhte Energiezufuhr hormonelle Regelkreise, insbesondere das Zusammenspiel von Insulin, Leptin und Ghrelin, wodurch Hunger- und Sättigungssignale langfristig gestört werden können. Dies erschwert die Regulation des Körpergewichts und begünstigt eine weitere Gewichtszunahme.

Mangel

Liegt über einen längeren Zeitraum eine negative Energiebilanz vor, wird dem Körper also weniger Energie zugeführt, als er verbraucht, ist er gezwungen, auf seine körpereigenen Energiereserven zurückzugreifen. Dieser Anpassungsprozess folgt einer klaren metabolischen Reihenfolge und dient der Aufrechterhaltung lebenswichtiger Funktionen.

Zunächst werden die Glykogenspeicher in Leber und Muskulatur abgebaut. Diese Speicher stehen jedoch nur in begrenztem Umfang zur Verfügung und sind – insbesondere bei kohlenhydratarmer Ernährung oder erhöhter körperlicher Aktivität – bereits nach 1-2 Tagen weitgehend erschöpft.

Im weiteren Verlauf gewinnt der Abbau von Körperfett zunehmend an Bedeutung. Die im Fettgewebe gespeicherten Triglyzeride werden mobilisiert und als freie Fettsäuren (FFS) zur Energiegewinnung genutzt. Dieser Mechanismus stellt die wichtigste Energiequelle bei länger anhaltendem Energiemangel dar.

Hält die negative Energiebilanz an oder ist die Energie- und Proteinzufuhr unzureichend, greift der Körper zusätzlich auf Muskeleiweiß zurück. Aminosäuren werden dann unter anderem zur Gluconeogenese (Glucoseneubildung) verwendet, um glucoseabhängige Organe weiterhin zu versorgen. Dieser Prozess führt zu einem Abbau von Muskelmasse und kann die körperliche Leistungsfähigkeit sowie den Grundumsatz deutlich reduzieren.

Eine negative Energiebilanz ist Voraussetzung für eine Gewichtsreduktion, sie sollte jedoch maßvoll und kontrolliert erfolgen. Eine zu stark ausgeprägte oder langfristige Unterversorgung erhöht das Risiko für Muskelabbau, Nährstoffdefizite, hormonelle Anpassungen und eine Absenkung des Energieverbrauchs, was den Gewichtsverlauf langfristig ungünstig beeinflussen kann.

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 an Nahrungsenergie wird als Richtwert von der Deutschen Gesellschaft für Ernährung (DGE) angegeben [1].

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.

• 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 (Schwangerschaftsdrittel): + 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

Literatur

1. 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)