Grundlagen der Ernährung/ Energiestoffwechsel

Einführung

Aus biologischer Sicht dient Nahrung allen Lebewesen in erster Linie der Versorgung mit Energie. Energie wird auf zwei Arten verbraucht:

• Durch die Erfüllung der reinen Körperfunktionen wie Atmung, Herzschlag, Zellteilung, Gehirn- und Nervenfunktionen etc.
• Durch zusätzliche, vom Menschen bewusst ausgeführte Tätigkeiten, von einfachsten Bewegungen bis hinzu zu hohen körperlichen Aktivitäten (z.B. Kraftsport, Ausdauersport etc.).

Beide Formen verbrauchen Energie. Die erste Form heißt Grundumsatz und bezeichnet damit die Energie, die ein Mensch ohne eigenes Dazutun an einem Tag verbraucht (Energieverbrauch im absoluten Ruhezustand). Die zweite Form heißt Leistungszuwachs und bezeichnet die zusätzliche Energie, die ein Mensch aktiv an einem Tag aufbringt.

Addiert man beide Werte zusammen, so ergibt sich der Energieverbrauch der Person an einem Tag, was als Gesamtumsatz bezeichnet wird. Um diesen Verbrauch auszugleichen, muss dieselbe Menge an Energie in Form von Nahrung wieder zugeführt werden.

Grundumsatz

Gemäß Definition bezeichnet der Grundumsatz die Energiemenge, die ein Mensch in absoluter Ruhe bei Indifferenztemperatur und im nüchternen Zustand (leerer Magen) zur Aufrechterhaltung seiner körperlichen Funktionen an einem Tag (24 h) benötigt. Indifferenztemperatur bezeichnet hier die Temperatur, bei der der Körper ein Minimum an Regulation zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur betreiben muss. Beim Erwachsenen liegt diese Temperatur bei ca. 27 bis 31 Grad, beim Säugling etwas höher. Personen verspüren bei dieser Temperatur (unbekleidet und im Ruhezustand) weder Kälte noch Wärme. Grundumsatz heißt demnach nicht allein, dass sich eine Person im absoluten Ruhezustand befindet, sondern auch, dass keine Verdauungsprozesse stattfinden (daher leerer Magen) und keine Energie zum Abkühlen (z.B. schwitzen) oder Erwärmen des Körpers (z.B. frösteln) aufgewendet werden muss.

Der Grundumsatz des Menschen hängt von vier wesentlichen Faktoren ab:

• Geschlecht
• Alter
• Körpergewicht
• Körpergröße

Männer haben einen etwas höheren Energieverbrauch als Frauen (auch unter der Annahme, dass die anderen drei Werte identisch sind). Dies geht u.a. auf den höheren Muskelanteil beim Mann zurück. Da Muskelmasse auch bei Nichtbeanspruchung ein geringes Maß an Energie verbraucht, ergibt sich beim Mann hier ein etwas höherer Wert.

Mit zunehmenden Alter werden viele Prozesse im Körper langsamer, die Körperleistung nimmt generell ab. Daher nimmt auch der Grundumsatz mit zunehmenden Alter ab.

Mit zunehmenden Gewicht und zunehmender Körpergröße steigt der Energieverbrauch an. Der Körper muss zur Versorgung eines schwereren Menschen mehr Energie aufwenden (z.B. mehr Zellen mit Sauerstoff versorgen) als bei einem leichteren Menschen.

Leistungszuwachs

Als Leistungszuwachs bezeichnet man die Energie, die Menschen neben dem Grundumsatz verbrauchen. Hierzu zählen zum einen sämtliche Aktivitäten, die wir bewusst ausüben, sowie die Sachen, die nicht in den Grundumsatz fallen. Dazu gehört wie bereits beschrieben die Verdauung von Nahrung, die den Körper durchaus einen beachtlichen Teil an Energie kostet, sowie Körperregulationsfunktionen wie das Schwitzen.

Es ist relativ schwierig, den Leistungszuwachs einer Person direkt zu bestimmten. Zwar kann man für viele Aktivitäten messen, wie viele Energieverbrauch pro Zeiteinheit bei ihrer Ausübung etwa aufgewendet wird, auf Grund der Vielzahl an Aktivitäten, die Personen in ihrem Alltag ausüben, ist dies jedoch kaum praktikabel. Stattdessen verwendet man oft den PAL-Faktor, der in Abhängigkeit zu einem bestimmten Alltagsschema einen bestimmten Faktor angibt, mit dem man den Gesamtumsatz aus dem Grundumsatz bestimmen kann. Der PAL-Faktor wird mit dem Grundumsatz multipliziert, wodurch sich der Gesamtumsatz ergibt. Dieser Wert sollte maximal als Näherungswert verstanden werden, er hat jedoch den Vorteil, dass die Ermittlung des Werts vergleichsweise einfach ist.

Es gilt damit: $Gesamtumsatz=Grundumsatz\cdot PAL$

Zur Ermittlung des PAL-Werts gibt es bestimmte Kategorien, die ausdrücken, wie „aktiv“ eine Person über den Tag ist. Das wird an bestimmten Tätigkeiten oder Berufen festgemacht. Nicht eingeschlossen sind hierbei zusätzliche körperliche Aktivitäten wie Joggen, Krafttraining etc. Um einen genauen Wert zu erhalten, muss man hier tatsächlich den Kalorienverbrauch für die Aktivität bestimmen und dann noch zusätzlich aufaddieren. Dafür gibt es verschiedene Websites und Apps, die aber letztlich auch nur Näherungswerte bieten können. Die nachfolgende Tabelle gibt ein paar Beispiele für bestimmte PAL-Werte.

Pal-Faktor	Beschreibung	Beispiele (Personen oder Berufe)
1,2	Ausschließlich sitzende oder liegende Aktivität	Immobilie oder bettlägerische Menschen
1,4	Nahezu ausschließlich sitzende Tätigkeit mit nur geringer zusätzlicher Aktivität	Büroangestellte, Reisende im Zug
1,6 .. 1,7	Sitzende Tätigkeit, mit Phasen im stehenden Zustand oder zusätzlicher leichten Tätigkeiten	Lehrer, Studenten, Berufskraftfahrer
1,8 .. 1,9	Überwiegend gehende oder stehende Tätigkeit	Verkäufer, Kellner, Krankenschwester, Handwerker
2,0 .. 2,4	Schwere bis sehr schwere körperliche Tätigkeiten	Möbelpacker, Bauarbeiter, Fitnesstrainer, Bergarbeiter, Landarbeiter

Berechnung des Energiebedarfs beim Menschen

Zur Näherung des Grundumsatzes eines Menschen gibt es verschiedene Formeln, z.B. die Harris-Benedict-Formel. Auf der Basis dieser Formel sind im Nachfolgenden die Grundumsätze für verschiedene Körpermaße dargestellt, jeweils in Abhängigkeit einer Variablen (Alter und Gewicht):

Tabelle 1: Zunahme des Grundumsatzes mit zunehmenden Gewicht (Person: 35 Jahre, 175 cm)

Geschlecht	50 kg	60 kg	70 kg	80 kg	90 kg	100 kg	110 kg	120 kg	130 kg	Zunahme
m	1423	1560	1697	1834	1971	2108	2245	2382	2519	+ 13,7 kcal / kg
w	1309	1405	1501	1597	1693	1789	1885	1981	2077	+ 9,6 kcal / kg

Tabelle 2: Zunahme des Grundumsatzes mit zunehmenden Alter (Person: 175 cm, 75 kg)

Geschlecht	20 J.	30 J.	40 J.	50 J.	60 J.	70 J.	80 J.	90 J.	100 J.	Abnahme
m	1833	1765	1697	1629	1561	1493	1425	1357	1289	- 6,8 kcal / Jahr
w	1596	1549	1502	1455	1408	1361	1314	1265	1220	- 4,7 kcal / Jahr

Die Körpergröße hat einen eher geringer Einflussfaktor auf den Grundumsatz. Sie nimmt pro cm beim Mann mit 5,0 und bei Frauen nur mit 1,8 kcal je cm zu. Da sich die Körpergröße beim Erwachsenen nicht mehr ändert, beeinflusst sie den Grundumsatz eines Menschen nicht mehr weiter (während sein Alter und ggf. auch Gewicht variabel sind und damit auch den Grundumsatz verändern).

Aus den Werten lassen sich rein rechnerisch einige interessante Folgerungen ableiten:

• Unser Grundumsatz ändert sich mit unserem Alter und Körpergewicht.
• Da der Leistungszuwachs lediglich ein Faktor auf den Grundumsatz ist, ändert sich auch unser Gesamtumsatz im gleichen Verhältnis wie der Grundumsatz.
• Unser Grundumsatz sinkt mit jedem Lebensjahr linear um 6,8 kcal (Mann) bzw. 4,7 kcal (Frau).
  • Ein junger Mensch mit Normalgewicht (ausgeglichene Energiezufuhr) würde mit dem Alter schrittweise immer stärker zunehmen, wenn er seine Essgewohnheiten nicht anpasst.
  • Wer sein Körpergewicht gleichhalten möchte, muss im Grunde mit jedem Jahr seine Nahrungszufuhr etwas senken.
  • Diese Tatsache erklärt zumindest teilweise, warum ältere Menschen tendenziell zunehmen.
• Unser Grundumsatz steigt mit jedem Kilogramm, um das wir zunehmen: um 13,7 kcal (Mann) bzw. 9,6 kcal (Frau). Auf gleiche Weise sinkt er mit jedem Kilogramm, das wir abnehmen.
  • Das macht das Abnehmen für viele Menschen auf lange Zeit schwierig, da mit jedem Erfolg, den sie haben, ihr Grundumsatz sinkt und sie sich ernährungsseitig noch mehr beschränken müssen oder aber noch mehr körperliche Aktivitäten machen müssen, um auf gleiche Weise weiter abzunehmen.
  • Umgekehrt führt Überernährung zu einer gehemmten Zunahme an Körpergewicht, da mit jedem zusätzlichen Kilogramm der Grundumsatz zunimmt. Bei starkem Übergewicht wird es somit theoretisch immer schwieriger, noch mehr zuzunehmen.

Rechenbeispiel: Gesamtumsatz

Beispiel: Heike ist 40 Jahre alt, 1,65 Meter groß und wiegt 70 kg. Sie arbeitet im Büro und hat bei ihrer Arbeit keine nennenswerten körperlichen Tätigkeiten zu verrichten. In ihrer Freizeit geht sie jedoch noch 30 Minuten joggen und legt dabei 5 km zurück. Welchen Gesamtumsatz kann man hier näherungsweise annehmen?

Schritt 1: Mit der Harris-Benedict-Formel würde man auf einen Grundumsatz von 1.579 kcal kommen.

Schritt 2: Heikes Tagesablauf suggeriert eine überwiegend sitzende Tätigkeit ohne größere Anstrengung, hier scheint ein PAL-Faktor von 1,4 sinnvoll. Es ergibt sich daraus $1579kcal\cdot 1,4=2211kcal$.

Schritt 3: Wir fügen die Energie fürs Joggen hinzu. Hierfür gibt es verschiedene Apps und Websites zur genauen Berechnung, man kann aber grob von 1 kcal je Körpergewicht und km ausgehen. Bei Heike sind das damit 70 kcal/km und entsprechend 350 kcal für die 5 km. Es folgt: $2211kcal+350kcal=2561kcal$.

Man kann für Heike damit einen Energieverbrauch von 2500 bis 2600 kcal an diesem Tag annehmen. Um ihr Körpergewicht aufrecht zu erhalten, müsste sie dieselbe Energie wieder in Form von Nahrung zu sich nehmen.

Energiegehalt von Nahrung

Der Energiegehalt von Nährstoffen beträgt etwa:

Nährstoff	Energiegehalt
Kohlenhydrate	4,1 kCal / g
Fett	9,3 kCal / g
Eiweiß	4,1 kCal / g
Alcohol	7,1 kCal / g

Aus der Zusammensetzung der Nahrung kann man damit den Energiegehalt berechnen. Eine Kartoffel enthält bspw. je 100 Gramm rund 21,6 g Kohlenhydrate, 0,1 g Fett und 2 g Eiweiß. Multipliziert man diese Anteile mit dem Energiegehalt der Nährstoffe und addiert sie am Ende, so erhält man für 100 Gramm Kartoffeln rund 98 kCal:

$21,6g\cdot 4,1g/kcal+0,1g\cdot 9,3g/kcal+2g\cdot 4,1g/kcal=97,7kcal$

Dabei gibt es jedoch zwei Sachen zu beachten:

• Die Lebensmittelanteile von Nahrungsmitteln werden chemisch im Labor ermittelt und sind am Ende nur Werte aus Einzelproben. Anbauart, Herkunft (Böden), Transport, Lagerung, Zubereitungsart und andere Faktoren haben Einfluss auf die Zusammensetzung und können daher zu anderen Ergebnissen führen.
• Der ermittelte Energiegehalt ist das, was theoretisch in dem Nahrungsmittel an Energie enthalten ist. Inwieweit der menschliche Körper diese Energie bei der Verdauung vollständig aufnehmen kann, ist individuell stark verschieden.

Aus diesen Gründen sollten solche Kennwerte immer nur als Richtwert verstanden werden, exakte Ergebnisse kann man nur durch aufwendige chemische Verfahren an einem konkret vorliegenden Lebensmittel bestimmen (was im Alltag weder möglich noch sinnvoll ist).

Einheiten

Die physikalische Einheit für Energie ist das Joule. Aus wissenschaftlicher Sicht sollte damit auch der Energiegehalt von Lebensmitteln in Joule (oder entsprechend kJ für 1000 Joule) angegeben werden.

In der Biologie wurde jedoch ursprünglich mit der Einheit Kalorie gerechnet. Eine Kalorie ist demnach die Energie, die man aufwenden muss, um 1 Gramm Wasser um 1 Grad Celsius zu erhitzen. Im Vergleich zum Joule, das eine SI-Einheit ist, ist diese Definition relativ ungenau (z.B. kommt es hier auch auf den Luftdruck und die Umgebungstemperatur an). Sie wird dennoch häufig verwendet.

Es gilt heute eine standardisierte Umrechnung von Kalorien: 1 cal = 4,184 J. Allerdings ist es üblich, Energieangaben immer in kcal anzugeben (1000 Kalorien). Die zuvor erwähnte Kartoffel hat dann bspw. einen Energiewert von rund 98 kCal = 410 kJ. In der Umgangssprache wird oft nur der Begriff „Kalorien“ verwendet, was mathematisch unsauber ist. Gemeint sind praktisch immer Kilokalorien (so entspricht eine Kalorie tatsächlich gerade einmal 1 mg Kartoffel).

Verhältnis Energie zu Gewicht

Theoretische Grundlagen

Ein Kilogramm Körperfett enthält rund 7.000 kcal Energie. Dieser Wert wird oft in Verbindung mit Diäten genannt: Um 1 kg effektiv zuzunehmen, muss man 7.000 kcal mehr an Nahrung zuführen als man verbraucht. Um 1 kg abzunehmen, muss man 7.000 kcal weniger zuführen, als was man verbraucht. Dieser Wert ergibt sich wie folgt: Fett enthält, wie oben aufgeführt, 9,3 kcal Energie je Gramm oder entsprechend 9.300 kcal je Kilogramm. Hierbei ist jedoch reines Fett gemeint; das Körperfett des Menschen hat nur einen reinen Fettanteil von rund 75 %. Daraus ergibt sich dann die Faustformel, dass 7.000 kcal etwa einem Kilogramm Körperfett entsprechen (9.300 kcal * 0,75 = 6.975 kcal). Auch hierbei handelt es sich jedoch wieder nur um einen Näherungswert; Untersuchungen haben ergeben, dass das tatsächliche Äquivalent zwischen Energiegehalt und Körperfett durchaus in einem Bereich von unter 6.000 bis zu über 8.000 kcal liegen kann. Es ist also abermals sehr stark personenabhängig.

Der Wert von 7.000 kcal erscheint relativ hoch und zeigt, dass das Zunehmen um ein Kilogramm nicht einfach durch eine einzelne übermäßige Mahlzeit entstehen kann, sondern langfristig eine zu hohe Zufuhr an Nahrung bedeutet. Ebenso zeigt der Wert, wie viel ein Mensch sich letztlich einschränken muss (oder wie viel mehr körperliche Aktivität er aufbringen muss), um allein ein Kilogramm abzunehmen. Er zeigt weiterhin, dass Diäten, die mehrere Kilogramm Gewichtsabnahme in einer Woche versprechen, unseriös sind, da allein zwei Kilogramm Gewichtsreduktion ein Einsparen von 14.000 kcal bedeutet, was für die meisten Menschen ein deutlich zu hoch gegriffener Wert ist. Hierbei ist immer zwischen dem effektiven Gewichtsverlust durch Fettverbrennung und anderem Gewichtsverlust (z.B. durch natürlichen Wasserverlust) zu unterscheiden. Fürs Abnehmen ist letztlich immer nur die zusätzliche Fettverbrennung entscheidend, und die ist auch bei größerer Einschränkung ein langfristiger Prozess. Zudem sinkt mit der Gewichtsabnahme, wie oben bereits beschrieben, der Grundumsatz. Der Effekt der Diät nimmt damit tendenziell ab, solange man die Nahrungszufuhr nicht weiter senkt oder die körperliche Aktivität weiter erhöht.

Körpergewicht-Schwankungen

Unser Körper besteht zu rund 60 bis 70 % aus Wasser. Rechnet man auch nur mit dem Wert von 60 %, so würde bei einem 100 kg schweren Menschen der Wasseranteil 60 kg betragen. Senkt sich sein Wasserhaushalt nun um 2 %, bspw. durch Schwitzen oder Auslagerung von Wasser (s.u.), würde die Person auf ein Gewicht von 98,8 kg sinken. Läge der Wasserspiegel um 3 % höher als normal (bspw. durch verstärktes Trinken), würde das Gewicht der Person auf 101,8 kg steigen. Solche Schwankungen des Wasserhaushalts sind völlig normal und können auch in kurzer Zeit auftreten. Sie sind auch nicht allein aufs Schwitzen beschränkt. Auch das Auslagern von Glykogen entzieht den Zellen Wasser, was zur vermehrten Ausscheidung und damit Gewichtsabnahme führt. Dieses Thema wird im Kapitel Kohlenhydrate noch näher thematisiert. Der Verzehr großer Mahlzeiten benötigt hingegen relativ viel Wasser für die Verdauung, kann somit zu starkem Durst in den Stunden nach der Mahlzeit führen und damit den Wasserhaushalt kurzfristig ansteigen lassen.

Die Folgerung aus diesen Rechnungen ist, dass das Gewicht, was eine Körperwaage anzeigt, immer nur eine Momentaufnahme ist. Wer morgens zwei Kilogramm weniger wiegt als am Vortag, hat mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht binnen 24 Stunden 2 kg an Körperfett abgenommen (entsprechend 14.000 kcal Energieverlust). Wer 2 kg mehr wiegt, wird ebensowenig 2 kg an Körperfett zugenommen haben. Um den Erfolg (oder Misserfolg) von Diäten messen zu können, reicht ein solches Verfahren nicht aus und andere Methoden wie das Messen des Körperfettanteils sind geeigneter. Alternativ kann man jedoch auch das Körpergewicht über einen langen Zeitraum messen, idealerweise immer zur selben Tageszeit. Bildet man dann den Mittelwert aus den letzten 7 Tagen, erhält man ein deutlich besseres Ergebnis als bei einzelnen Messwerten.

Theoretisches Rechenbeispiel

Weil es so schwierig ist, den exakten Nährwertgehalt einer Mahlzeit zu bestimmen, ebenso wie den exakten Energieverbrauch eines Menschen, sind Rechnungen zum Energieverbrauch und Gewichtsänderungen damit immer nur sehr vage. Folgende Faktoren sind der Hauptgrund, warum Theorie und Praxis hier manchmal erheblich von einander abweichen können:

• Der tatsächliche Energiegehalt von Lebensmitteln ist, wie schon beschrieben, von vielen Randbedingungen abhängig.
• Die Energie zum Ausführen einer Aktivität (Joggen, Verrichtung körperlicher Arbeiten etc.) ist stark personenabhängig. Er hängt bspw. auch vom Trainingszustand der Muskeln ab (eine trainierte Person benötigt dann für die gleiche Tätigkeit weniger Energie als eine untrainierte Person).
• Die Verwertung der Nahrung im Verdauungstrakt ist von Person zu Person verschieden.

Der letzte Punkt wird manchmal jedoch auch etwas überreizt. Prinzipiell ist unser Verdauungssystem darauf ausgelegt, alles Verwertbare an Energie aus der zugeführten Nahrung herauszuholen. Trotzdem gibt es hierbei natürlich Schwankungen zwischen einzelnen Personen, und insbesondere bei Menschen mit Erkrankungen des Verdauungssystems kann es möglich sein, dass weniger Energie aus der Nahrung aufgenommen wird als was sie eigentlich enthält. Allgemeine Aussagen der Art "wenn man sehr viel in kurzer Zeit isst, geht das direkt durch den Darm durch" sind jedoch unsinnig. Gesunde Menschen werden auch in dieser Situation die entsprechend zugeführte Energie aufnehmen.

Trotz dieser genannten unscharfen Größen bleibt die Basis des Energiehaushalts immer dieselbe, ob wir sie nun exakt berechnen können oder nicht:

• Wir führen über die Nahrung Energie der Größe X zu
• Wir verbrauchen Energie durch Grundumsatz und Leistungszuwachs der Größe Y
  • Gilt X = Y, dann bleibt unser theoretisches Gewicht gleich
  • Gilt X > Y, dann nehmen wir an Gewicht zu
  • Gilt X < Y, dann verlieren wir Gewicht

Auf Grundlage dieser Tatsache soll nun ein Rechenbeispiel erfolgen, wie sich das Gewicht eines Menschen theoretisch ändert, der eine bestimmte Diät verfolgt. Wir betrachten dazu eine männliche Person, die initial 100 kg wiegt und, so nehmen wir an, einen Grundumsatz von 2000 kcal hat. Alter und Größe der Person sind hier für die Rechnung nicht weiter wichtig. Der Leistungszuwachs betrage 2,0 und soll jeden Tag gleich sein. Die Person hat also am ersten Tag einen Gesamtumsatz von 4.000 kcal (2000 kcal * PAL-Faktor 2).

Die nebenstehende Tabelle zeigt den theoretisch ermittelten Wert des Gewichts der Person an, wenn die Person fortan jeden Tag nur noch 3.000 kcal zu sich nimmt. Die Tabelle zeigt außerdem an, wie sich jeden Tag Grundumsatz und Leistungszuwachs ändern. Die Person verliert in dem Beispiel innerhalb von zwei Wochen knapp 2 kg Gewicht, täglich zwischen 143 und 137 Gramm (auf Grund des langsam sinkenden Grundumsatzes nimmt die Rate mit der Zeit ab). Der Gewichtsverlust von rund 140 Gramm je Tag ergibt sich daraus, dass die Person etwa 1.000 kcal weniger zu sich nimmt als sie verbraucht. Da 1 kg Körperfett ungefähr 7.000 kcal entsprechen, verliert die Person entsprechend 1/7 kg pro Tag.

Fazit: Auch wenn dies hier nur ein theoretisches Rechenbeispiel ist, zeigt es, dass das Abnehmen während einer Diät eher langsam geschieht und Angaben wie "5 kg in nur einer Woche" unrealistisch sind. Zwar kann so ein Wert durch besagte Schwankungen im Wasserhaushalt theoretisch geschehen, es handelt sich dann jedoch nicht um eine Gewichtsabnahme wie sie oft bei Übergewichtigen angestrebt wird (und oft auch nicht um eine dauerhafte Gewichtsabnahme). Diese Komponente der Schwankungen ist in der hier ausgeführten Rechnung auch bewusst ausgeblendet; sie zeigt die Gewichtsabnahme ohne die ganzen Randbedingungen. Zudem ist die Diät mit 3.000 kcal pro Tag relativ mild. Würde die Person die Zufuhr auf 2.000 kcal pro Tag beschränken, wäre die Abnehmrate doppelt so hoch (knapp 4 kg in zwei Wochen). Eine noch stärkere Reduktion wäre zunehmend ungesund, da der Körper dann zu wenig mit Nährstoffen versorgt wird und, im extremen Fall, in eine Art Hungermodus übergeht, wo Muskeln abgebaut werden und der Grundumsatz zusätzlich sinkt -- dies wäre dann ein völlig kontrakproduktives Vorgehen zu einer Person, die Gewicht verlieren möchte.