Energiebilanz und ihre Bedeutung für Gesundheit und Krankheit

Worauf basiert die Energiebilanz?

Die Energiebilanz basiert auf dem grundlegenden thermodynamischen Prinzip, dass Energie nicht vernichtet werden kann, sondern von einem Organismus nur gewonnen, verloren oder gespeichert werden kann. Sie ist definiert als der Zustand, der erreicht wird, wenn die Energiezufuhr gleich dem Energieaufwand ist. Bei einer Energiebilanz bleibt das Körpergewicht stabil; bei einer positiven Energiebilanz nimmt das Körpergewicht zu und bei einer negativen Energiebilanz nimmt das Körpergewicht ab. Mit anderen Worten: Energiebilanz bedeutet praktisch Gewichtsausgleich, positive Energiebilanz bedeutet Gewichtszunahme und negative Energiebilanz bedeutet Gewichtsverlust. Dies ist auch als CICO-Regel (calories in/calories out) bekannt, nach der eine Gewichtsabnahme eintritt, wenn die verbrauchten Kalorien geringer sind als die verbrannten Kalorien, und eine Gewichtszunahme, wenn die verbrauchten Kalorien höher sind als die verbrannten Kalorien. Das Gewicht wird gehalten, wenn die verbrauchten Kalorien den verbrannten Kalorien entsprechen.

Energieaufnahme und Energieaufwand

Um die Energiebilanz besser zu verstehen, sollten wir uns mit ihren beiden Komponenten befassen: Energiezufuhr und Energieaufwand. Die Energieaufnahme bezieht sich auf die Kalorien, die der Mensch durch den Verzehr von Lebensmitteln und Getränken aus Eiweiß, Kohlenhydraten, Fett und Alkohol aufnimmt. Auf der anderen Seite bezieht sich der Energieverbrauch auf die Kalorien, die der Mensch durch den Ruheumsatz (RMR), den thermischen Effekt der Nahrung (TEF) und körperliche Aktivität verbraucht. Der RMR ist die Energie, die der Körper im Ruhezustand benötigt, um die lebenswichtigen Körperfunktionen und die Homöostase aufrechtzuerhalten. Die RMR macht 60-75% des täglichen Gesamtenergieverbrauchs aus und ist proportional zur Muskelmasse, d. h. je mehr Muskeln jemand hat, desto höher ist seine RMR. TEF bezieht sich auf die Energie, die für die Aufnahme, Verdauung und Verstoffwechselung der verzehrten Nahrung erforderlich ist, und macht in der Regel 8-10% des täglichen Gesamtenergieverbrauchs aus. Die durch körperliche Aktivität verbrauchte Energie schließlich, die variabelste Komponente des täglichen Gesamtenergieverbrauchs, umfasst die Kalorien, die durch freiwillige und unfreiwillige Bewegung verbraucht werden, z. B. durch Haltungskontrolle und Zittern. Dies wird auch als Nicht-Übungsaktivitäts-Thermogenese (NEAT) bezeichnet.

Die Energieaufnahme und der Energieverbrauch werden in erster Linie durch das zentrale Nervensystem (ZNS) gesteuert. Beim Verzehr von Lebensmitteln werden Geruchs-, Geschmacks- und Textureingänge an das kognitive und emotionale Gehirn gesendet und regulieren das Essverhalten. Während die Nahrung in den Magen-Darm-Trakt gelangt, erzeugt die physische Dehnung des Magens ein Sättigungssignal, das an das Gehirn weitergeleitet wird, um das Essen zu beenden. Darüber hinaus fördern verdaute Nahrungsbestandteile wie Fettsäuren die Sättigung weiter, indem sie kurzfristige Sättigungshormone wie Cholecystokinin aus den endokrinen Zellen des Magen-Darm-Trakts stimulieren. Schließlich werden nach Beendigung der Nahrungsaufnahme Hormone aus dem Fettgewebe (Leptin) und der Bauchspeicheldrüse (Insulin) ausgeschüttet, die den Appetit weiter unterdrücken. Die Regulierung des Energiehaushalts ist nicht nur ein kurzfristiger, sondern vor allem auch ein langfristiger Prozess. Der Hypothalamus, eine bestimmte Hirnregion, reguliert die langfristige Energiebilanz und damit das Körpergewicht, indem er Informationen über die gesamte Energieverfügbarkeit und -reserve im Körper kodiert.

Eine chronisch positive Energiebilanz, die durch eine Kombination von genetischen (Adipositasgene) und umweltbedingten Faktoren (Überfluss an Nahrungsmitteln, niedrige Kosten für fett- und zuckerhaltige schmackhafte Lebensmittel, fehlende Infrastruktur und Motive für körperliche Aktivität) verursacht wird, führt zu Fettansammlungen und schließlich zu Fettleibigkeit. Umgekehrt muss der Energieverbrauch die Energieaufnahme übersteigen (negative Energiebilanz), um Gewicht zu verlieren. Das Ausmaß dieser negativen Energiebilanz ist jedoch höchst umstritten, und im Laufe der Jahre wurden viele Theorien entwickelt. Eine der populärsten Theorien ist die "3.500 kcal pro Pfund"-Regel, die zur Vorhersage des zeitlichen Verlaufs der Gewichtsveränderung durch eine Ernährungsmaßnahme verwendet wird. Diese Regel besagt, dass man ein Kaloriendefizit von 3.500 kcal braucht, um 1 Pfund abzunehmen. Diese Regel hat sich bestätigt, da allgemein anerkannt ist, dass bei einer Gewichtsveränderung kompensatorische Veränderungen des Energieverbrauchs auftreten, was diese Bilanz komplexer macht als eine einfache mathematische Gleichung.

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Die Verschiebung der Energiebilanz hin zu einer geringeren Energiezufuhr im Verhältnis zum Gesamtenergieverbrauch hat eine Vielzahl unterschiedlicher biologischer Anpassungen zur Folge, darunter eine verringerte RMR, eine verringerte NEAT und veränderte Spiegel zirkulierender Hormone, die den Appetit regulieren (erhöhte Spiegel orexigener oder Hungerhormone wie Ghrelin und verringerte Spiegel anorexigener oder sättigender Hormone wie Leptin), die bekanntermaßen die Gewichtsabnahme beeinflussen, aber noch wichtiger ist die langfristige Gewichtserhaltung. Die stärksten biologischen Anpassungen, die während der Gewichtsabnahme auftreten und gegen die Kontinuität der Gewichtsabnahme wirken, sind die Verringerung der RMR und die Erhöhung der Effizienz der Skelettmuskelaktivität, insbesondere bei geringer körperlicher Betätigung (früher als NEAT bezeichnet). Diese Anpassungen werden als adaptive Thermogenese (AT) bezeichnet, bei der die Körperzellen, insbesondere die Skelettmuskelzellen, für ihre Aktivitäten (hauptsächlich NEAT-artige Aktivitäten) pro Gewichtseinheit weniger Kalorien verbrennen als sie es normalerweise tun würden, wenn es das hypokalorische Umfeld nicht gäbe. Die oben genannten Veränderungen sind die Hauptursachen für ein Plateau bei der Gewichtsabnahme und eine vollständige oder teilweise Wiederzunahme des Gewichts. Da der Energiehaushalt ein anfälliger Mechanismus ist, der leicht gestört werden kann, vor allem durch extreme und unsachgemäße Ernährungspraktiken wie die sehr kalorienarme Ernährung (VLCD), sollten sich Diätwillige immer an professionelle Ernährungsberater wenden, die sie bei diesem Prozess begleiten.

Übergewicht und Adipositas, die aus einer chronisch positiven Energiebilanz resultieren, sind wichtige Risikofaktoren für schwerwiegende chronische Krankheiten, insbesondere Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Diabetes Typ II. Adipositas ist ein ursächlicher Faktor für viele Krebsarten, darunter Dickdarm-, Gebärmutterschleimhaut-, Nieren-, Speiseröhren-, Bauchspeicheldrüsen-, Schilddrüsen-, Brust- und Prostatakrebs. Fettgewebe ist ein stoffwechselaktives Gewebe, das Hormone und entzündliche Zytokine produziert, die zu einem erhöhten Risiko für bestimmte Krebsarten beitragen. Darüber hinaus verursacht die Insulinresistenz, ein Kennzeichen der Fettleibigkeit und Vorläufer des Typ-II-Diabetes, eine Hyperinsulinämie, die die Produktion des insulinähnlichen Wachstumsfaktors -1 (IGF-1) anregt, was zu einem erhöhten Krebsrisiko führt. Fettleibigkeit ist auch ein starker Risikofaktor für die Entwicklung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen, da sie Bluthochdruck, Hyperlipidämie und endotheliale Dysfunktion verursacht. Eine Gewichtsabnahme durch eine gesunde, ausgewogene Ernährungsweise, wie z. B. die Mittelmeerdiät, mindert die schädlichen Auswirkungen einer langfristig positiven Energiebilanz auf das Herz und das Kreislaufsystem im Allgemeinen.

Eine positive Energiebilanz ist nur manchmal unglücklich. Die Schaffung eines ausreichenden Energieüberschusses ist häufig eine Voraussetzung, insbesondere für schlanke Sportler, die versuchen, Muskelmasse aufzubauen. Wie groß dieser Überschuss sein muss, damit der Sportler 1 kg Skelettmuskelmasse aufbauen kann, ist aufgrund von unschätzbaren Variablen wie Genetik, Alter, Geschlecht, Körperzusammensetzung und Trainingszustand noch nicht definiert. Da jedoch der Aufbau von Muskelmasse durch eine positive Energiebilanz auch mit einer Zunahme der Fettmasse einhergeht, wird allgemein ein Überschuss von 350-500 kcal pro Tag für einen effizienten anabolen Kontext empfohlen. Eine positive Energiebilanz ist unzureichend, vorausgesetzt, es gibt eine angemessene Verordnung für ein Widerstandstrainingsprogramm und eine angemessene Proteinzufuhr, die der wichtigste Makronährstoff für die Skelettmuskelhypertrophie ist.

Die RMR und damit die Energiebilanz kann mit Hilfe der indirekten Kalorimetrie der Atemwege, dem Goldstandard für die Messung des Energieverbrauchs, genau gemessen werden. Die Atemanalyse überwacht den Gasaustausch, d. h. das Volumen des Sauerstoffverbrauchs (VO2) und der Kohlendioxidproduktion (VCO2) in Ruhe und während der Belastung. Das Verhältnis zwischen CO2-Produktion und O2-Verbrauch wird als respiratorisches Austauschverhältnis (RER) bezeichnet und stellt die Brennstoffoxidation dar, insbesondere den relativen Beitrag von Kohlenhydraten und Fett zum Energieverbrauch. Bei der reinen Kohlenhydratoxidation entspricht die erzeugte CO2-Menge der verbrauchten O2-Menge (RER=1,0), während bei der reinen Fettoxidation das RER 0,7 beträgt. Eine größere Fähigkeit zur Oxidation von Fett in Ruhe ist wichtig für die metabolische Gesundheit, das Gewichtsmanagement und die Körperzusammensetzung, während fettleibige Personen mit Insulinresistenz eine beeinträchtigte Fettverbrennungseffizienz aufweisen. Darüber hinaus ist eine hohe RER in Ruhe prädiktiv für die Wiedergewinnung von Fettmasse nach einer diätbedingten Verringerung des Körpergewichts.

Insgesamt ist der Energiehaushalt ein komplexes Gleichgewicht mit vielen Komponenten, die von Mensch zu Mensch stark variieren können. An diesem Gleichgewicht sind komplexe biologische Mechanismen wie Hormone und neuronale Schaltkreise beteiligt, deren Störung sich langfristig negativ auf die Stoffwechselgesundheit auswirken kann. Eine chronisch positive Energiebilanz steht zwar im Zusammenhang mit Fettleibigkeit und anderen schweren chronischen Gesundheitsproblemen, kann aber auch für Sportler, die Muskelmasse aufbauen wollen, wünschenswert sein. Alle Personen, die eine valide Messung der Energiebilanz anstreben, sollten sich einer Atemanalyse unterziehen, der Goldstandardmethode zur Messung des Energieverbrauchs und damit zur Bestimmung der Energieaufnahme und schließlich der Energiebilanz.

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