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Bewegung & Energiestoffwechsel

Ohne Energie können Lebewesen nicht leben. Der menschliche Körper gewinnt Energie aus den pflanzlichen und tierischen Nahrungsmitteln. In den Nährstoffen ist die ursprüngliche Energiequelle jedes Lebens – die Sonnenstrahlung – in umgewandelter Form chemisch gespeichert. Damit diese Energie genutzt werden kann, muss der Körper zuerst aus den Nährstoffen diese Energie wieder freisetzen und dann in mechanische Energie – die muskuläre Bewegung – umwandeln. Die Energie benötigt der Körper für die Grundfunktionen der Lebenserhaltung (zum Beispiel Herzschlag, Atmung, Verdauung, Gehirntätigkeit), die Aufrechterhaltung der Körpertemperatur und für körperliche Aktivität.

Die komplexen Vorgänge der Energieumwandlung im Körper von einer Form (zum Beispiel Zucker) in eine andere (zum Beispiel Wärme, körperliche Aktivität) bezeichnet man als Energiestoffwechsel. Die Verdauung beginnt im Mund, wo die Nahrung zerkleinert wird. Dann wird der Speisebrei im Darm in die einzelnen Bestandteile zerlegt, über die Schleimhaut aufgenommen und von der Leber gefiltert. Der Blutkreislauf besorgt die Verteilung der Nährstoffe im Körper, wo sie gespeichert und verbraucht werden.

Die Energielieferanten aus der Nahrung sind: 

  • Kohlenhydrate (Zucker oder Stärke),
  • Fette und
  • Proteine (Eiweiß).

Die mit der Nahrung eingenommene und auch vom Körper verbrauchte Energiemenge wird in Kilokalorien (kcal) oder in Kilojoule (kJ) angegeben:

  • 1 kcal = 4,184 kJ 

Der Brennstoff für körperliche Aktivität

Die energietragenden Nährstoffe sind Kohlenhydrate, Fette und Eiweiß. Im Darm werden die Nährstoffe zerlegt: Die Kohlenhydrate der Nahrung werden in einzelne Zuckermoleküle (vor allem Glukose, Galaktose und Fruktose) aufgespalten und die Eiweiße in Aminosäuren. Aus den Nahrungsfetten werden Fettsäuren sowie Glyzerin gebildet. Vom Darm gelangen die Nährstoffe ins Blut. Die Zuckermoleküle Galaktose und Fruktose werden in der Leber in Glukose (Traubenzucker) umgewandelt. Von der Leber gelangen die Nährstoffe in den Kreislauf, mit dem sie zu den Körperzellen transportiert werden. In den Körperzellen werden die Energieträger entweder verbraucht bzw. verbrannt oder gespeichert.
 
Nicht sofort verbrauchte Glukose wird als Glykogen in den Muskelzellen gespeichert, während Fett in den Unterhautfettspeichern deponiert wird. Diese Depots werden bei Bedarf abgebaut. Langfristig wird jede nicht verbrauchte Nahrungsenergie als Fett abgespeichert. Eiweiß ist in erster Linie ein Baustoff für alle Körperstrukturen und nur in Ausnahmefällen ein Brennstoff (Hungerstoffwechsel).

Die Energiespeicher des Körpers

Der Körper verfügt über unterschiedliche Energiespeicher. Sie sind ein Puffer, damit nicht ständig Nahrung zugeführt werden muss, aber auch eine Reserve für Zeiten längerer Nahrungsknappheit.

  • Fettspeicher: Der größte Energiespeicher des Organismus sind die Fettzellen. Das gespeicherte Neutralfett sichert vor allem den Energieumsatz in Ruhe und bei mäßig intensiven Ausdauerleistungen (zum Beispiel Alltagsbelastungen). Allerdings kann der Körper ohne Kohlenhydrate Fett nicht abbauen. Normalgewichtige Menschen haben 80.000 bis 100.000 kcal in Form von Fett gespeichert.
  • Kohlenhydratspeicher: In den Muskelzellen wird nicht verbrauchte Glukose als Glykogen gespeichert. 1 kg Muskel enthält zirka 15 g Glykogen. Ein zweiter, größerer Glykogenspeicher ist die Leber (zirka 80 g Glykogen), die Glukose in den Blutkreislauf abgeben kann. Insgesamt enthält der Körper zirka 1.500 bis 2.000 kcal in Form von Muskel- und Leberglykogen.
  • Es gibt keinen eigenen Eiweißspeicher. Daher muss der Körper bei ungenügender Eiweißzufuhr auf das Muskeleiweiß zugreifen – der einzige verfügbar „Eiweißspeicher“. Eiweiß wird nur in sehr geringen Mengen (zirka zehn Prozent vom Gesamtenergieumsatz) für die Energiegewinnung herangezogen. Die eigentliche Aufgabe der Eiweiße liegt im Aufbau von körpereigenen Strukturen, zum Beispiel den Muskelzellen, Knochen, Hornhaut etc.

Hinweis Eine ausreichende Eiweißversorgung ist daher eine Voraussetzung für die Erhaltung oder Verbesserung der körperlichen Leistungsfähigkeit.

Am Energiestoffwechsel ist eine ganze Kette von einzelnen Organen beteiligt (Atmung, Herz, Blutkreislauf, Muskelzelle). Erst durch ein Mindestmaß an körperlicher Belastung wird die richtige Funktion dieser Organkette sichergestellt. Darüber hinaus wirkt Bewegung auch auf Organe, die nicht unmittelbar am Energiestoffwechsel beteiligt sind (zum Beispiel Gehirn, Leber, Immunsystem). Der gesamte Energiestoffwechsel passt sich an regelmäßige körperliche Aktivität an, indem letztendlich mehr Sauerstoff transportiert und verarbeitet werden kann.

Hinweis Übergewicht entsteht durch eine längerfristige positive Energiebilanz: Es wird mit der Nahrung mehr Energie zugeführt, als durch Bewegung verbraucht wird. Das Übergewicht baut sich nur ab, wenn über einen längeren Zeitraum mehr Kalorien verbraucht als zugeführt werden: negative Energiebilanz.

Mehr zum Thema finden Sie im Artikel "Ernährung und Bewegung".

So verbrauchen die Muskeln Energie

Der Körper ist mit einem komplexen System zur Energieversorgung ausgestattet, um in verschiedenen Situationen die notwendige Leistung erbringen zu können. Voraussetzung für jede körperliche Aktivität ist vor allem ein spezieller Energieträger, das Adenosintriphosphat (ATP). Diese energiereiche Phosphatverbindung muss in den Zellen der Skelettmuskulatur in ausreichender Menge zur Verfügung stehen.

In den Muskelzellen selbst sind nur geringe ATP-Mengen vorhanden, die rasch verbraucht wären. Je nachdem, wie intensiv die körperliche Belastung ist und wie lange sie dauert, benötigen die Muskelzellen ATP-Nachschub. Wenn kein ausreichender Nachschub erfolgen kann, kann die Muskelzelle nicht mehr arbeiten. 

Energiestoffwechsel mit Sauerstoff – der Normalfall

Das wichtigste Verfahren für die Energieerzeugung im Körper – also die ATP-Produktion – ist die Verbrennung von Fettsäuren und Glukose. Die meiste Zeit beziehen die Muskeln über diesen Weg die notwendige Energie. Dieser Vorgang wird auch als aerober (sauerstoffverbrauchender) Stoffwechsel bezeichnet.

In Ruhe und bei einer wenig bis mäßig intensiven Belastung wird der Brennstoff aus der Nahrung bzw. aus den Kohlenhydrat- und den Fettspeichern bereitgestellt und über den Blutkreislauf zu den Muskelzellen transportiert. Die Sauerstoffzufuhr erfolgt über die Atmung und den Blutkreislauf. Die Belastung kann lange aufrechterhalten werden. Als Endprodukt der Verbrennung fallen Kohlendioxid und Wasser an.

Zu den Aktivitäten mit hauptsächlich aerobem Stoffwechsel zählen die meisten Alltagsaktivitäten wie Sitzen, Gehen, Stehen, leichte Hausarbeit oder Büroarbeit. Auch jede sportliche Aktivität, die länger als zirka drei Minuten dauert, kann nur mit hauptsächlich aerobem Stoffwechsel stattfinden.

Je nach Intensität der aeroben Aktivität schwankt der Anteil der Kohlenhydrat- und Fettspeicher an der Energiebereitstellung: 

  • Mäßige Intensität, zum Beispiel bei sitzender Büroarbeit, langsamem Gehen bis hin zu langsamem Dauerlauftempo: zirka 70 bis 80 Prozent aus Fettspeichern, 20 bis 30 Prozent aus Glukosespeichern.
  • Bei weiterer Zunahme der Intensität (zum Beispiel schnelleres Laufen, Schwimmen, Stiegen steigen) steigt der Glukoseanteil an der Verbrennung bis auf 100 Prozent.

Energiestoffwechsel ohne Sauerstoff – die Ausnahme

Für bestimmte Belastungssituationen in Ausnahmefällen kann der Körper zusätzlich zum aeroben Stoffwechsel auch kurzfristig Energie ohne Sauerstoff (anaerob) zuschießen. Das ist dann der Fall, wenn durch eine intensive Bewegung mehr Energie benötigt wird, als die Verbrennung liefern kann.

Die anaerobe Energiebereitstellung kann derartige Situationen allerdings nur sehr kurze Zeit (ca. drei Minuten) überbrücken, weil die Muskeln dann sehr schnell ermüden.
Typische Situationen sind zum Beispiel das Heben oder Werfen schwerer Gegenstände, kurze, schnelle Läufe (Sprints) etc.

Energienachschub für den Muskelantrieb

Die Verbrennung von Glukose oder Fettsäuren für die ATP-Produktion findet in den Kraftwerken der Muskelzellen, den Mitochondrien, statt. Im Zellplasma wird anaerob mittels Glykolyse (aus Glukose) und/oder aus Kreatinphosphat ATP erzeugt. Nur das ATP kann für den kontraktilen Apparat – bestehend aus den Myofibrillen – Energie zur Verfügung stellen.

Nur rund ein Viertel der gesamten bei der Verbrennung entstehenden Energie kann der Körper für Bewegung nutzen. Ca. 60 Prozent werden als Wärme frei. Den Rest benötigt der Körper für die Aufrechterhaltung der Lebensfunktionen. 

In Ruhe oder bei mäßig intensiver Aktivität werden ca. 90 Prozent der aufgenommenen Kohlenhydrate im Muskel als Glykogen gespeichert und stehen dort für die tägliche Muskelaktivität zur Verfügung. Die restlichen zehn Prozent werden sofort verbraucht.