Was sind Kalorien, wie entstehen sie und was machen sie in unserem Körper? - Gannikus.de

Grundlegende Physiologie: Was sind Kalorien, wie entstehen sie und was machen sie in unserem Körper?

Wie die meisten von uns sicherlich wissen, stellen Kalorien eine Einheit dar, in der Wärmeenergie gemessen wird. Laut Definition ist eine Kalorie die Energiemenge, die nötig ist, um einen Liter Wasser um ein Grad Celsius zu erwärmen. Wir verwenden den Terminus umgangssprachlich jedoch eher zur Bemessung, wie viel Energie wir unserem Körper über die Nahrung zuführen oder im Laufe des Tages verbrennen. Dadurch führt eine Über- oder Unterversorgung mit Kalorien zu einer Veränderung der Körpermasse. Nehmen wir mehr Kalorien auf, als unser Körper verbrennt, erhöht sich die Zahl auf der Waage. Verbrennen wir hingegen mehr, als wir aufnehmen, ist eine Gewichtsabnahme die Folge. Im heutigen Artikel werden wir das grundlegende physiologische Konzept der Kalorien im Einzelnen für euch erläutern und gehen darauf ein, wie Masse und Wärmeenergie in diesem Zusammenhang miteinander in Verbindung stehen.

Der Begriff Kalorie wird bereits mindestens seit dem 19. Jahrhundert verwendet, um den Energiegehalt von Nahrung sowie den Energieaufwand von körperlicher Bewegung zu bemessen [1, 2]. Seither haben unzählige Studien herausgefunden und belegt, dass die Energiebilanz die maßgebliche Einflussgröße in der langfristigen Veränderung des Körpergewichts darstellt [3]. Doch obwohl dieses Wissen seit Generationen besteht, hegen viele Leute immer noch Skepsis über jenes Konzept und sie besteht in den meisten Fällen aufgrund der Tatsache, dass eine Kalorie im Grunde eine Maßeinheit für Wärmeenergie statt Masse ist.

In Nahrungsmitteln verwendetet man die direkte Kaloriemetrie, um deren Energiegehalt zu messen. Dabei wird das Lebensmittel in einem Bombenkaloriemeter verbrannt und ermittelt, wie viel Energie frei wird.  Allerdings gewinnt der menschliche Körper die Energie aus der Nahrung sehr viel eleganter, als sie einfach anzuzünden. Unser Organismus ist zweifelsfrei sehr viel komplexer als ein simpler Bunsenbrenner, weshalb die Skepsis durchaus nachvollziehbar erscheint. Deshalb wollen wir die Aspekte der Energie und Wärme für diesen Artikel einmal beiseitelegen und uns rein auf den Aspekt der Masse fokussieren. In welcher Form geht sie in den Körper hinein und wie kommt sie wieder heraus? Sobald du dieses Konzept verstanden hast, sollte dir sehr viel klarer geworden sein, weshalb die Kalorie als Wärmeeinheit hier einen validen Stellvertreter darstellt.

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Unser Körper besteht aus vielen verschiedenen Geweben, doch die Skelettmuskulatur, das Fettgewebe, die Knochen, Organe und natürlich das Wasser in und zwischen den Zellen machen den größten Anteil unseres Organismus aus. Solange du keine ernstzunehmende Krankheit hast, sollte sich die Masse deiner Organe und Knochen im Erwachsenenalter nicht besonders stark verändern, weshalb wir sie zunächst ignorieren können. Auch den Aspekt des Wassers legen wir für den Moment beiseite, da Schwankungen im Wasserhaushalt lediglich für kurzfristige Gewichtsveränderungen verantwortlich sind. Die Wassermasse in deinem Körper nimmt zu, wenn du an Gewicht zunimmst, und sie sinkt, wenn du Körpergewicht verlierst. Der Anteil an Wasser bleibt allerdings im Grunde gleich.

Blieben noch das Körperfett und die Muskeln übrig. Schauen wir also an, wie die Masse aus deinem Essen in diese Gewebe gelangt.

Wenn wir Nahrung aufnehmen, werden die Makronährstoffe durch Enzyme im Mund, Magen und Dünndarm in ihre Einzelteile zerlegt:

  • Proteine werden in Aminosäuren gespalten.
  • Komplexe Kohlenhydrate werden in Zucker gespalten.
  • Fette werden in freie Fettsäuren gespalten.

Diese Bausteine werden zum größten Teil gemeinsam mit den Mikronährstoffen über die Schleimhäute deines Dünndarms aufgenommen und dann über das Blut und das Lymphsystem zunächst zur Leber transportiert, wo sie dann gegebenenfalls umgebaut und über das Blut zu den Zellen des Körpers transportiert werden. Ballaststoffe können von den Enzymen im Dünndarm nicht zerlegt werden und gelangen in den Dickdarm, wo ein Teil von ihnen durch die Darmflora in kurzzeitige Fettsäuren umgewandelt werden, die dann ebenfalls aufgenommen und zur Leber transportiert werden.

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Bevor wir an dieser Stelle weitermachen, müssen wir eines klarstellen: Ein geringer Teil der Aminosäuren, Fette und Zucker aus der Nahrung werden nicht über den Dünndarm aufgenommen und bleiben in der Masse zurück, die du am Ende auf der Toilette wieder ausscheidest [4]. Solange du aber gesund bist oder nicht plötzlich eine extreme Menge an Fett auf einmal zu dir nimmst, sollte dieser Anteil so gering sein, dass wir ihn an dieser Stelle vernachlässigen können. Es ist allerdings wichtig zu erwähnen, dass diese Masse hier nicht als aufgenommene Energie – oder in diesem Artikel als aufgenommene Masse – zählt. Solange etwas deine Darmwand nicht überquert hat, befindet es sich noch nicht in deinem Organismus. Das Innere deines Körpers beginnt unter der Haut und damit sind auch die Schleimhäute deines Verdauungstraktes gemeint.

Mit den Nährstoffen oder der Masse, die es über diese Barriere geschafft haben, kann der Körper jetzt genau drei Dinge anfangen:

  1. Sie speichern
  2. Sie nutzen
  3. Sie wieder loswerden

Nährstoffe beziehungsweise Kalorien speichern

Bei Aminosäuren handelt es sich um die Bausteine des Proteins. Es wird im Verdauungstrakt in Aminosäuren zerlegt, die dann im Körper wieder neu zusammengesetzt werden, um Strukturen, wie beispielsweise Muskelzellen, aufzubauen oder zu reparieren. Im Normalfall entspricht die Menge an Protein, die dein Körper aufbaut, auch der Menge, die er innerhalb eines gewissen Zeitabschnittes, wie beispielsweise einem Tag, abbaut. Somit würde die Proteinmasse im Organismus relativ konstant bleiben. Besteht allerdings ein Signal, wie beispielsweise das Krafttraining, welches ihn dazu veranlasst, mehr Proteine aufzubauen als er abbaut, nimmt deine Körpermasse zu. In diesem Beispiel wäre ein Aufbau an Muskelmasse die Folge.

Die drei Makronährstoffe Eiweiß, Kohlenhydrate und Fette können in unserem Körper entweder gespeichert oder genutzt werden.

Beim Molekül Glukose handelt es sich um einen der kleinsten Bausteine der Kohlenhydrate, die wir über die Nahrung aufnehmen. Während andere Vertreter wie Galaktose oder Fruktose ebenfalls in unserer Nahrung zu finden sind, macht Glukose den weitaus größten Teil unserer absorbierten Kohlenhydrate aus. Sie kann an zwei verschiedenen Orten in unserem Körper als lange Ketten, dem Glykogen, gespeichert werden: in den Muskeln und in der Leber. Das Stoffwechselorgan kann dabei im Schnitt etwa 100 Gramm Glykogen speichern, wohingegen zwischen 300 und 600 Gramm in der Muskulatur gespeichert werden können, abhängig davon, wie viel Muskelmasse du besitzt. Jedes Gramm Glykogen ist an drei bis vier Gramm Wasser geknüpft, weshalb das Körpergewicht zwischen minimalem und maximalem Füllstand um bis zu 3,5 Kilogramm schwanken kann [5]. Allerdings schwankt der Füllstand deiner Glykogenspeicher im Normalfall nicht besonders stark, weshalb sich auch das Körpergewicht nicht maßgeblich verändert.

In der Nahrung kommen Fettsäuren in Form von Triglyceriden vor. Dabei sind je drei von ihnen an ein Molekül Glycerin gebunden. In der Verdauung werden sie in freie Fettsäuren gespalten, bevor sie im Körper wieder zusammengesetzt und zu den Muskel- und Fettzellen transportiert werden. In den Muskeln können Fette entweder zwischen den Zellen (extrazellulär) oder in den Zellen (intrazellulär) gespeichert werden. Der überwiegende Teil des Fettes im Körper wird als Triglyceride in den Fettpolstern unter der Haut (subkutan) und um die Organe herum (viszeral) gespeichert. Anders als Proteine und Glykogen kann der Organismus eine sehr große Menge an Fettsäuren speichern und auch wieder freisetzen.

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Nährstoffe, beziehungsweise Kalorien nutzen

Proteine sind im Körper so ziemlich für alle interessanten Vorgänge verantwortlich. An dieser Stelle voll ins Detail zu gehen, würde den Rahmen sprengen und eine ganze Artikelreihe füllen. Aus diesem Grund belassen wir es zunächst bei folgender Übersicht:

Proteine sind für eine Vielzahl von Aufgaben und Funktionen im Körper verantwortlich. Ohne eine adäquate Zufuhr wären wir nicht in der Lage zu überleben.

Glukose und Fettsäuren dienen hauptsächlich zur Herstellung von Adenosintriphosphat (ATP), welches die ultimative Energiequelle unseres Körpers darstellt und für unzählige chemische Reaktionen nötig ist, die zu jeder Sekunde in deinem Körper stattfinden. Am Ende ihrer Umwandlung, für die im Übrigen ebenfalls Energie verbraucht wird, bleiben Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) übrig. Auch Aminosäuren können für diesen Prozess herangezogen werden, wofür jedoch erst sie Stickstoffgruppe entfernt werden muss und als Harnstoff ausgeschieden wird, bevor der Rest ebenfalls zu ATP, CO2 und H2O konvertiert werden kann.

Mit Ausnahme der essenziellen Aminosäuren können die drei Makronährstoffe selbst aus den übrigen beiden Nährstoffen herstellen, wenn ein Mangel besteht. Alle drei Vertretern können zu Pyruvat abgebaut werden, welches eine Art Kreuzung in den Wegen des Stoffwechsels darstellt. Über den Prozess der Glukoneogenese kann der Organismus daraus wieder neue Kohlenhydrate aufbauen, was besonders dann passiert, wenn man viel Eiweiß und nur wenige Kohlenhydrate zu sich nimmt. Über die de novo Lipogenese können aus Pyruvat jedoch mit Ausnahme der essenziellen Vertreter auch neue Fettsäuren entstehen, wenn wir im Rahmen eines Kalorienüberschusses ein Übermaß an Kohlenhydraten zu uns nehmen. Mit Ausnahme der acht essenziellen Aminosäuren können aus Pyruvat beziehungsweise Oxalacetat auch Aminosäuren neu aufgebaut werden, wobei ein Stickstoffmolekül einer anderen Aminosäure übertragen werden muss. Schlussendlich wird Pyruvat ebenfalls dafür verwendet Ketonkörper herzustellen, die ebenfalls zur Produktion von ATP herangezogen werden können.

Nährstoffe, beziehungsweise Kalorien loswerden

An diesem Punkt solltest du ein relativ gutes Verständnis darüber erhalten haben, wie Nährstoffe in Form ihrer Masse den Weg durch unseren Körper nehmen. Damit widmen wir uns der alles entscheidenden Frage: Was hat das alles mit Kalorien, der Einheit für Hitzeenergie, zu tun? Genau an dieser Stelle kommt das Molekül ATP wieder ins Spiel. Alle Makronährstoffe können zu ATP umgewandelt werden, bevor ihre Abbauprodukte H2O, CO2 und Harnstoff den Körper verlassen. Die Synthese von ATP ist allerdings nicht zu 100 Prozent effizient. Etwa 40 Prozent der Energie kann dazu genutzt werden Arbeit zu verrichten, wohingegen der restliche Anteil als Wärmeenergie verloren geht. Wichtig zu beachten ist dabei, dass die hier gemeinte Effizienzrate unabhängig davon ist, aus welchem Makronährstoff das ATP gewonnen wurde. Zwar besitzen die Nährstoffe einen unterschiedlichen thermischen Effekt, doch dies ist ein Thema für einen separaten Artikel und kann an dieser Stelle außer Acht gelassen werden.

Eine gegebene Masse an Aminosäuren, Glukose oder Fettsäuren kann dafür verwendet werden, eine gegebene Menge ATP zu produzieren. Davon wird ein Teil wiederum für Stoffwechselreaktionen und die Verrichtung von Arbeit verwendet, wohingegen ein andere Teil in Form von Wäre an die Umwelt abgegeben wird. Unser Körper kann aus einem Gramm Glukose die gleiche ATP-Menge herstellen wie aus einem Gramm Aminosäuren, weshalb beide mit vier Kilokalorien je Gramm deklariert werden. Im Gegensatz dazu liefert ein Gramm an Fettsäuren etwa neun Kilokalorien [6].

Aufgrund der Tatsache, dass die Menge der Makronährstoffe in einem Lebensmittel oder in unserem Körper für die Produktion von ATP nötig und der Verbrauch dieser Energie mit der Wärmeproduktion verbunden ist, bietet der Vergleich zwischen Energieaufnahme und Energieverbrauch eine besonders gute Veranschaulichung für die Veränderungen der Körpermasse. Nehmen wir mehr Proteine, fette und Kohlenhydrate auf, als unser Körper verbraucht, speichert sie unser Körper in Form von Masse. Diese Masse kann im Falle eines Energiedefizits jedoch wieder abgebaut und dann zur Produktion von ATP und Wärmeenergie verwendet werden. 

Wir hoffen, dass unser Artikel für genügend Klarheit bei dem Konzept des Begriffes Kalorien gesorgt hat und ihr jetzt einen besseren Überblick darüber habt, wie Masse, Energie und Wärmeproduktion in unserem Körper zusammenhängen.

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Der Begriff "Kalorien" wird bereits seit dem 19. Jahrhundert verwendet, um die über die Nahrung aufgenommene sowie durch Bewegung verbrauchte Energie zu beschreiben. Nehmen wir mehr Kalorien auf, als wir verbrauchen, steigt unser Körpergewicht unweigerlich an. Ist der Verbrauch hingegen höher als die Aufnahme, bewegt sich die Zahl auf der Waage nach unten. Damit ist die Einheit der Kalorie in unseren Köpfen stark mit dem Körpergewicht, also einer Masse, verknüpft. Die Tatsache, dass eine Kalorie tatsächlich jedoch eine Maßeinheit für Wärmeenergie darstellt, hinterlässt bei vielen von uns Verwirrung und Skepsis. Sie stellt nämlich die Energiemenge dar, die nötig ist, um einen Liter Wasser um ein Grad Celsius zu erwärmen. Unser Experte @coachgoedecke hat sich diesem Thema auf unserer Seite Gannikus.de angenommen und erklärt euch in einem neuesten Artikel, was Kalorien eigentlich sind, woher sie kommen und was mit ihnen in unserem Körper passiert. 😎

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Primärquelle:
Greg Nuckols: "A Comprehensive Concept Review of Energy Balance, Part 1", Monthly Applications in Strength Sport (MASS), Volume 1, Issue 8

Literaturquellen:

  1. Hargrove JL. History of the calorie in nutrition. J Nutr. 2006 Dec;136(12):2957-61.
  2. Levine JA. Measurement of energy expenditure. Public Health Nutr. 2005 Oct;8(7A):1123-32.
  3. Howell S, Kones R. "Calories in, calories out" and macronutrient intake: The Hope, Hype, and Science of Calories. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2017 Aug 1:ajpendo.00156.2017. doi: 10.1152/ajpendo.00156.2017.
  4. Encyclopedia Britannica. Feces. 2017.
  5. Olsson KE, Saltin B. Variation in total body water with muscle glycogen changes in man. Acta Physiol Scand. 1970 Sep;80(1):11-8.
  6. Food and Agricultural Organization of the United Nations. Calculation of the Energy Content of Food