Der Grundumsatz ( BMR ) ist der Energieverbrauch pro Zeiteinheit bei endothermen Tieren im Ruhezustand. [ 1 ] Er wird in Energieeinheiten pro Zeiteinheit angegeben, von Watt (Joule/Sekunde) bis ml O₂ / min oder Joule pro Stunde pro kg Körpermasse (J/(h·kg)). Für eine korrekte Messung müssen strenge Kriterien erfüllt sein. Dazu gehören ein ungestörter physischer und psychischer Zustand, eine thermisch neutrale Umgebung und der postabsorptive Zustand (d. h. keine aktive Verdauung ). [ 1 ] Bei bradymetabolischen Tieren wie Fischen und Reptilien wird der entsprechende Begriff Standardumsatz ( SMR ) verwendet. Er folgt denselben Kriterien wie der BMR, erfordert jedoch die Dokumentation der Temperatur, bei der der Stoffwechsel gemessen wurde. Dadurch ist der BMR eine Variante der Standardumsatzmessung, bei der die Temperaturdaten nicht berücksichtigt werden. Diese Vorgehensweise hat bei vielen Säugetieren zu Problemen bei der Definition von „Standard“-Stoffwechselraten geführt. [ 1 ]

Der Stoffwechsel umfasst alle Prozesse, die der Körper zum Funktionieren benötigt. [ 2 ] Der Grundumsatz ist die Energiemenge pro Zeiteinheit, die ein Mensch im Ruhezustand benötigt, um seine Körperfunktionen aufrechtzuerhalten. Zu diesen Prozessen gehören Atmung , Blutkreislauf , Körpertemperaturregulation , Zellwachstum , Gehirn- und Nervenfunktionen sowie Muskelkontraktion . Der Grundumsatz beeinflusst den Kalorienverbrauch und letztendlich, ob eine Person ihr Gewicht hält, zunimmt oder abnimmt. Er macht etwa 70 % des täglichen Kalorienverbrauchs aus und wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Beim Menschen sinkt der Grundumsatz typischerweise nach dem 20. Lebensjahr um 1–2 % pro Jahrzehnt, hauptsächlich aufgrund des Verlusts an fettfreier Masse , [ 3 ] wobei die individuelle Variabilität hoch ist. [ 4 ]

Beschreibung

Die Wärmeproduktion des Körpers wird als Thermogenese bezeichnet und kann gemessen werden, um den Energieverbrauch zu bestimmen. Der Grundumsatz (BMR) sinkt im Allgemeinen mit dem Alter und mit dem Abbau von fettfreier Körpermasse (wie er im Alter auftreten kann). Eine Zunahme der Muskelmasse führt zu einem Anstieg des BMR. Die aerobe (Kraft-) Fitness, ein Produkt von Ausdauertraining , beeinflusst den BMR zwar vermutlich, korreliert jedoch, wie in den 1990er Jahren gezeigt wurde, nicht mit dem BMR, wenn dieser auf die fettfreie Körpermasse bereinigt wird. Anaerobes Training hingegen erhöht den Ruheenergieverbrauch (siehe „ Aerobes vs. anaerobes Training “). [ 5 ] Krankheit, zuvor konsumierte Speisen und Getränke, Umgebungstemperatur und Stress können sowohl den Gesamtenergieverbrauch als auch den BMR beeinflussen.

Labor für indirekte Kalorimetrie mit Abzugshaube (Verdünnungstechnik)

Der Grundumsatz (BMR) wird unter sehr restriktiven Bedingungen im Wachzustand gemessen. Eine genaue BMR-Messung erfordert, dass das sympathische Nervensystem der Person nicht stimuliert wird, was absolute Ruhe voraussetzt. Eine gebräuchlichere Messmethode, die weniger strenge Kriterien anwendet, ist der Ruheumsatz (RMR) . [ 6 ]

Der Grundumsatz (BMR) kann mittels Gasanalyse durch direkte oder indirekte Kalorimetrie gemessen werden . Eine grobe Schätzung lässt sich jedoch auch mithilfe einer Gleichung unter Berücksichtigung von Alter, Geschlecht, Größe und Gewicht vornehmen. Studien zum Energiestoffwechsel, die beide Methoden anwenden, liefern überzeugende Belege für die Validität des respiratorischen Quotienten (RQ). Dieser misst die Zusammensetzung und Verwertung von Kohlenhydraten , Fetten und Proteinen bei deren Umwandlung in Energiesubstrate, die der Körper als Energie nutzen kann.

Phänotypische Flexibilität

Der Grundumsatz (BMR) ist ein flexibles Merkmal (er kann innerhalb von Individuen reversibel angepasst werden), wobei beispielsweise niedrigere Temperaturen im Allgemeinen sowohl bei Vögeln [ 7 ] als auch bei Nagetieren [ 8 ] zu höheren Grundumsatzraten führen . Es gibt zwei Modelle, die erklären, wie sich der Grundumsatz als Reaktion auf die Temperatur verändert: das Modell des variablen Maximums (VMM) und das Modell des variablen Anteils (VFM). Das VMM besagt, dass der Spitzenumsatz (oder die maximale Stoffwechselrate als Reaktion auf Kälte) im Winter ansteigt und dass der anhaltende Umsatz (oder die dauerhaft aufrechterhaltene Stoffwechselrate) einen konstanten Anteil des ersteren ausmacht. Das VFM besagt, dass sich der Spitzenumsatz nicht ändert, der anhaltende Umsatz jedoch einen größeren Anteil davon darstellt. Das VMM wird bei Säugetieren und, bei Verwendung von Ganzkörperumsatzraten, bei Singvögeln gestützt. Das VFM wird in Studien an Singvögeln mit massenspezifischen Stoffwechselraten (oder Stoffwechselraten pro Masseneinheit) gestützt. Diese letztgenannte Messmethode wurde von Eric Liknes, Sarah Scott und David Swanson kritisiert, die darauf hinweisen, dass die massenspezifischen Stoffwechselraten saisonalen Schwankungen unterliegen. [ 9 ]

Neben der Anpassung an die Temperatur kann sich der Grundumsatz (BMR) auch vor jährlichen Zugzyklen verändern. [ 7 ] Der Knutt (Unterart islandica ) erhöht seinen Grundumsatz vor dem Zug nach Norden um etwa 40 %. Dies ist auf den erhöhten Energiebedarf der Langstreckenflüge zurückzuführen. Der Anstieg ist wahrscheinlich primär auf die Zunahme der Masse flugrelevanter Organe zurückzuführen. [ 10 ] Das Zielgebiet der Zugvögel beeinflusst ihren Grundumsatz: Bei Gelbbürzel-Waldsängern, die nach Norden zogen, wurde ein um 31 % höherer Grundumsatz festgestellt als bei solchen, die nach Süden zogen. [ 7 ]

Beim Menschen ist der Grundumsatz (BMR) direkt proportional zur fettfreien Körpermasse . [ 11 ] [ 12 ] Das heißt, je mehr fettfreie Körpermasse eine Person hat, desto höher ist ihr BMR. Akute Erkrankungen beeinflussen den BMR jedoch und führen beispielsweise bei Verbrennungen, Knochenbrüchen, Infektionen und Fieber zu einem Anstieg. [ 12 ] Bei menstruierenden Frauen schwankt der BMR im Verlauf des Menstruationszyklus . Aufgrund des Progesteronanstiegs steigt der BMR zu Beginn der Lutealphase und bleibt bis zu deren Ende auf seinem Höchstwert. Die Forschungsergebnisse zum Ausmaß dieses Anstiegs variieren. Frühere Studien mit kleinen Stichproben fanden unterschiedliche Werte, beispielsweise einen um 6 % höheren Stoffwechsel im postovulatorischen Schlaf [ 13 ] , einen um 7 % bis 15 % höheren Energieverbrauch innerhalb von 24 Stunden nach dem Eisprung [ 14 ] sowie einen Anstieg des BMR in der Lutealphase um bis zu 12 %. [ 15 ] [ 16 ] Eine Studie der American Society of Clinical Nutrition ergab, dass bei einer experimentellen Gruppe weiblicher Probandinnen der 24-Stunden-Energieverbrauch in den zwei Wochen nach dem Eisprung im Durchschnitt um 11,5 % anstieg (Spanne: 8–16 %). Die Messung erfolgte mittels simultaner direkter und indirekter Kalorimetrie. Die Probandinnen hielten sich an standardisierte Tagesabläufe mit überwiegend sitzender Tätigkeit, um einen Einfluss von veränderter Nahrungsaufnahme oder Aktivität auszuschließen. [ 17 ] Eine Studie des Mandya Institute of Medical Sciences aus dem Jahr 2011 zeigte, dass der Grundumsatz (BMR) während der Follikelphase und des Menstruationszyklus einer Frau nicht signifikant variiert. Der Kalorienverbrauch pro Stunde ist jedoch in der Lutealphase signifikant höher (bis zu 18 %). Auch erhöhter Stresspegel führte vorübergehend zu einem Anstieg des Grundumsatzes. [ 18 ]

Physiologie

Das primäre Organ, das für die Regulation des Stoffwechsels verantwortlich ist, ist der Hypothalamus . Er befindet sich im Zwischenhirn (Diencephalon) und bildet den Boden sowie einen Teil der Seitenwände des dritten Ventrikels des Großhirns . Die Hauptfunktionen des Hypothalamus sind:

  1. Kontrolle und Integration der Aktivitäten des autonomen Nervensystems (ANS)
    • Das autonome Nervensystem reguliert die Kontraktion der glatten Muskulatur und des Herzmuskels sowie die Sekretion vieler endokriner Organe wie der Schilddrüse (die mit vielen Stoffwechselstörungen in Verbindung steht).
    • Über das autonome Nervensystem ist der Hypothalamus der Hauptregulator viszeraler Aktivitäten wie Herzfrequenz, Bewegung der Nahrung durch den Magen-Darm-Trakt und Kontraktion der Harnblase.
  2. Produktion und Regulierung von Wut- und Aggressionsgefühlen
  3. Regulierung der Körpertemperatur
  4. Regulierung der Nahrungsaufnahme durch zwei Zentren:
    • Das Hungerzentrum ist für die Empfindungen verantwortlich, die uns nach Nahrung suchen lassen. Bei ausreichender Nahrungsaufnahme und hohem Leptinspiegel wird das Sättigungszentrum stimuliert und sendet Impulse, die das Hungerzentrum hemmen. Bei unzureichender Nahrungsmenge im Magen und hohem Ghrelinspiegel lösen Rezeptoren im Hypothalamus das Hungergefühl aus.
    • Das Durstzentrum funktioniert ähnlich, wenn bestimmte Zellen im Hypothalamus durch den steigenden osmotischen Druck der extrazellulären Flüssigkeit stimuliert werden. Wird der Durst gestillt, sinkt der osmotische Druck.

Zusammengenommen bilden all diese Funktionen einen Überlebensmechanismus, der uns dazu veranlasst, die Körperprozesse aufrechtzuerhalten, die der Grundumsatz misst.

Variation und Ursachen

Der Grundumsatz variiert zwischen Individuen. Eine Studie aus dem Jahr 2005 mit 150 repräsentativ für die schottische Bevölkerung ausgewählten Erwachsenen berichtete von Grundumsatzwerten zwischen 1.027 Kilokalorien (4.300 kJ) und 2.499 Kilokalorien (10.460 kJ) pro Tag, mit einem mittleren Grundumsatz von 1.500 Kilokalorien (6.300 kJ) pro Tag. [ 19 ]

Die frühen Arbeiten der Wissenschaftler J. Arthur Harris und Francis G. Benedict zeigten, dass sich Näherungswerte für den Grundumsatz (BMR) anhand der Körperoberfläche (berechnet aus Größe und Gewicht), des Alters und des Geschlechts sowie der mittels Kalorimetrie gemessenen Sauerstoff- und Kohlendioxidwerte ableiten lassen. ( Lehrbücher der Sportphysiologie enthalten Tabellen, die die Umrechnung von Größe und Körperoberfläche in Bezug auf Gewicht und Grundumsatzwerte darstellen.)

Studien zeigten zudem, dass die Werte für den Grundumsatz zwischen den Geschlechtern im Wesentlichen gleich sind, wenn die geschlechtsspezifischen Unterschiede, die durch die Ansammlung von Fettgewebe entstehen , durch die Angabe des Stoffwechselumsatzes pro Einheit fettfreier Körpermasse eliminiert werden . Insbesondere die bereits erwähnte Studie aus dem Jahr 2005 ergab, dass 62 % der Variation des Grundumsatzes zwischen den Teilnehmern durch Unterschiede in der fettfreien Masse (FFM) erklärt werden konnten. Weitere Faktoren, die die Variation erklärten, waren die Fettmasse (7 %), das Alter (2 %) und Messfehler, einschließlich intraindividueller Unterschiede (2 %). Die verbleibende Variation (27 %) blieb unerklärt. Dieser Restunterschied ließ sich weder durch das Geschlecht, den Leptinspiegel, den Trijodthyroninspiegel noch durch die unterschiedliche Gewebegröße energiereicher Organe wie des Gehirns erklären. [ 19 ]

Eine Studie aus dem Jahr 2012 mit 8780 übergewichtigen weißen Probanden ergab, dass Körpergewicht und fettfreie Masse eine vergleichbare Aussagekraft zur Schätzung des Grundumsatzes (BMR) besitzen. Ihre jeweilige Kombination mit Geschlecht und Alter konnte 59 % bzw. 60 % der Varianz erklären. Das Geschlecht beeinflusst den BMR bei Kindern und Jugendlichen, nicht aber bei Erwachsenen. Darüber hinaus lässt sich die altersbedingte Reduktion des BMR hauptsächlich durch die Abnahme der fettfreien Masse erklären. [ 20 ]

Der Grundumsatz (BMR) des Durchschnittsmenschen hat sich im Laufe der Zeit verändert. Eine Querschnittsstudie mit über 1400 Probanden in Europa und den USA zeigte, dass der BMR, nach Berücksichtigung von Unterschieden in der Körperzusammensetzung (Muskel- und Fettmasse) und dem Alter, in den letzten 35 Jahren gesunken ist. [ 21 ] Dieser Rückgang wurde auch in einer Metaanalyse von über 150 Studien aus den frühen 1920er Jahren beobachtet , was einem Rückgang des Gesamtenergieverbrauchs um etwa 6 % entspricht. [ 21 ]

BMR-Schätzformeln

Seit dem frühen 20. und 21. Jahrhundert wurden verschiedene Gleichungen zur Vorhersage des Kalorienbedarfs des Menschen veröffentlicht.

Gleichungen basierend auf dem Gesamtkörpergewicht

Historisch gesehen war es schwierig, genaue Messungen der Körperzusammensetzung zu erhalten. Da es zum Zeitpunkt der Entwicklung dieser Gleichungen durch frühe Forscher noch keine Technologien zur direkten Messung der fettfreien Körpermasse gab (z. B. Dual-Röntgen-Absorptiometrie ), verwendeten sie Körpergewicht, Körpergröße, Alter und Geschlecht als Näherungswerte für die Stoffwechselaktivität. In den folgenden Formeln: [ 22 ]

  • P ist die gesamte Wärmeproduktion im Ruhezustand.
  • m ist die Masse (kg),
  • h ist die Höhe (cm),
  • a ist das Alter (in Jahren).

Die ursprüngliche Harris-Benedict-Gleichung (1919)

Die bekannteste frühe Formel war die Harris-Benedict-Gleichung , die 1919 veröffentlicht wurde: [ 22 ]

für Männer
für Frauen

Der Unterschied im Grundumsatz (BMR) zwischen Männern und Frauen ist hauptsächlich auf Unterschiede in der Körpermasse zurückzuführen. Beispielsweise hätte eine 55-jährige Frau mit einem Gewicht von 59 kg (130 Pfund) und einer Größe von 168 cm (66 Zoll) einen Grundumsatz von 1272 Kilokalorien (5320 kJ) pro Tag.

Die revidierte Harris-Benedict-Gleichung (1984)

1984 wurden die ursprünglichen Harris-Benedict-Gleichungen anhand neuer Daten überarbeitet [ 23 ] . Im Vergleich mit den tatsächlichen Ausgaben erwiesen sich die überarbeiteten Gleichungen als genauer: [ 24 ]

für Männer
für Frauen

Bis 1990 war dies die beste Vorhersagegleichung, dann führten Mifflin et al. [ 25 ] die folgende Gleichung ein:

Die Mifflin-St.-Jeor-Gleichung (1990)

wobei s für Männer +5 und für Frauen −161 ist.

Laut dieser Formel beträgt der Grundumsatz der Frau im obigen Beispiel 1204 Kilokalorien (5040 kJ) pro Tag. Da sich die Lebensstile in den letzten 100 Jahren verändert haben, zeigten Frankenfield et al. [ 26 ] , dass die Formel um etwa 5 % genauer ist.

Lazzer-Körpergewichtsformeln (2010)

Die folgenden Formeln basieren auf einer Population von übergewichtigen weißen Menschen, die an einer italienischen Studie teilgenommen haben.

wobei s für Frauen 0 und für Männer 1 ist. [ 20 ]

Gleichungen basierend auf der fettfreien Körpermasse

Diese Formeln berücksichtigen die fettfreie Körpermasse , wodurch sie potenziell genauer für Personen mit einer Körperzusammensetzung sind, die deutlich vom Durchschnitt abweicht (z. B. Sportler und übergewichtige Menschen). Im Folgenden:

  • l ist die fettfreie Körpermasse ( LBM in kg).
  • f ist der Körperfettanteil , wobei l = m (1 - f / 100).

Die Katch-McArdle-Formel (2006)

Die Katch-McArdle-Formel dient zur Vorhersage des Ruheenergieverbrauchs (RDEE). [ 27 ] Zur Vorhersage des Ruheumsatzes (RMR) anstelle des Grundumsatzes (BMR) wird häufig die Cunningham-Formel herangezogen; die Formeln von Katch-McArdle und Cunningham sind jedoch identisch. [ 28 ]

Nach dieser Formel würde bei einer Frau im Beispiel mit einem Körperfettanteil von 30 % ihr täglicher Ruheenergieverbrauch (die Autoren verwenden die Begriffe Grundumsatz und Ruheumsatz synonym) 1262 kcal pro Tag betragen.

Lazzer-Formeln zur Berechnung der fettfreien Masse (2010)

Die folgenden Formeln basieren auf einer Population von übergewichtigen weißen Menschen, die an einer italienischen Studie teilgenommen haben.

wobei s für Frauen 0 und für Männer 1 ist. [ 20 ]

Vergleicht man die Formel für die fettfreie Masse Erwachsener mit der Formel für die Körpermasse Erwachsener, so zeigt sich, dass der Einfluss des Geschlechts deutlich geringer ausfällt. (Tatsächlich schließt das Konfidenzintervall der Steigung die Null ein, was belegt, dass das Geschlecht keinen statistisch signifikanten Effekt hat.) Auch die Steigung für das Alter ist deutlich geringer, was die Annahme stützt, dass der altersbedingte Rückgang des Grundumsatzes hauptsächlich durch den Verlust an fettfreier Masse erklärt wird. [ 20 ]

Biochemie

Aufschlüsselung des Energieverbrauchs [ 29 ]
Leber27 %
Gehirn19%
Skelettmuskulatur18%
Nieren10%
Herz7%
Andere Organe19%
Postprandiale Thermogenese: Der Anstieg des Grundumsatzes erfolgt in unterschiedlichem Ausmaß, abhängig von der Zusammensetzung der aufgenommenen Nahrung.

Etwa 70 % des gesamten Energieverbrauchs eines Menschen sind auf die basalen Lebensprozesse in den Organen des Körpers zurückzuführen (siehe Tabelle). Ungefähr 20 % des Energieverbrauchs stammen aus körperlicher Aktivität und weitere 10 % aus der Thermogenese oder der Verdauung von Nahrung (postprandiale Thermogenese ). [ 30 ] Alle diese Prozesse benötigen die Aufnahme von Sauerstoff sowie von Coenzymen, um Energie für das Überleben bereitzustellen (in der Regel aus Makronährstoffen wie Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen) und Kohlendioxid aufgrund der Verarbeitung durch denKrebszyklus.

Beim Grundumsatz wird der größte Teil der Energie für die Aufrechterhaltung des Flüssigkeitshaushalts im Gewebe durch Osmoregulation verbraucht , nur etwa ein Zehntel wird für mechanische Arbeit wie Verdauung, Herzschlag und Atmung benötigt. [ 31 ]

Exergonische Reaktionen setzen Energie frei und sind im Allgemeinen katabol. Endergonische Reaktionen benötigen Energie und umfassen anabole Reaktionen sowie die Muskelkontraktion. Der Stoffwechsel umfasst alle katabolen, exergonischen, anabolen und endergonischen Reaktionen.

Adenosintriphosphat (ATP) ist das Zwischenprodukt, das den exergonischen Energietransfer zu endergonischen anabolen Reaktionen antreibt, die für die Muskelkontraktion notwendig sind. Dadurch wird die Muskelarbeit ermöglicht, die sowohl Abbauprozesse als auch Aufbauphasen in der Ruhephase erfordert, welche während der mit der Muskelkontraktion verbundenen Kräftigungsphase stattfinden. ATP besteht aus Adenin, einer stickstoffhaltigen Base, Ribose, einem Fünf-Kohlenstoff-Zucker (gemeinsam als Adenosin bezeichnet), und drei Phosphatgruppen. ATP ist ein energiereiches Molekül, da es große Mengen an Energie in den chemischen Bindungen der beiden endständigen Phosphatgruppen speichert. Die Spaltung dieser chemischen Bindungen im Citratzyklus (Krebs-Zyklus) liefert die für die Muskelkontraktion benötigte Energie.

Glucose

Da das Verhältnis von Wasserstoff- zu Sauerstoffatomen in allen Kohlenhydraten stets dem von Wasser entspricht – also 2:1 – wird der gesamte von den Zellen verbrauchte Sauerstoff zur Oxidation des Kohlenstoffs im Kohlenhydratmolekül zu Kohlendioxid verwendet. Folglich entstehen bei der vollständigen Oxidation eines Glucosemoleküls sechs Moleküle Kohlendioxid und sechs Moleküle Wasser, während sechs Sauerstoffmoleküle verbraucht werden.

Die Gesamtgleichung für diese Reaktion lautet:

(30–32 ATP-Moleküle werden je nach Art des mitochondrialen Shuttles produziert, 5–5,33 ATP-Moleküle pro Sauerstoffmolekül.)

Da der Gasaustausch bei dieser Reaktion gleich ist, beträgt der respiratorische Quotient (RQ) für Kohlenhydrate eins oder 1,0:

Fette

Die chemische Zusammensetzung von Fetten unterscheidet sich von der von Kohlenhydraten dadurch, dass Fette im Verhältnis zu Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen deutlich weniger Sauerstoffatome enthalten. In Nährwerttabellen werden Fette üblicherweise in sechs Kategorien unterteilt: Gesamtfette, gesättigte Fettsäuren , mehrfach ungesättigte Fettsäuren , einfach ungesättigte Fettsäuren , Cholesterin und Transfettsäuren . Aus Sicht des Grundumsatzes (Ruhestoffwechsel) wird für die Verbrennung einer gesättigten Fettsäure mehr Energie benötigt als für die einer ungesättigten. Das Fettsäuremolekül wird anhand der Anzahl der Kohlenstoffatome in seiner Molekülstruktur analysiert und kategorisiert. Die Stoffwechselgleichung für die zwölf bis sechzehn Kohlenstoffatome einer gesättigten Fettsäure verdeutlicht den Unterschied zwischen dem Stoffwechsel von Kohlenhydraten und Fettsäuren. Palmitinsäure ist ein häufig untersuchtes Beispiel für eine gesättigte Fettsäure.

Die Gesamtgleichung für die Substratverwertung von Palmitinsäure lautet:

(Es wurden 106 ATP-Moleküle produziert, das entspricht 4,61 ATP-Molekülen pro Sauerstoffmolekül.)

Der RQ-Wert für Palmitinsäure beträgt somit 0,696:

Proteine

Proteine ​​bestehen aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff, die auf vielfältige Weise zu einer großen Anzahl von Aminosäuren angeordnet sind . Im Gegensatz zu Fett speichert der Körper keine Proteine. Alle Proteine ​​sind im Körper als wichtige Bestandteile von Geweben, Bluthormonen und Enzymen enthalten. Die Strukturkomponenten des Körpers, die diese Aminosäuren enthalten, werden ständig abgebaut und ersetzt. Der respiratorische Quotient für den Proteinstoffwechsel lässt sich anhand der chemischen Gleichung für die Albuminoxidation veranschaulichen:

Der RQ-Wert für Albumin beträgt 0,818:

Die Bedeutung dieses Prozesses für das Verständnis des Proteinstoffwechsels liegt darin, dass der Körper die drei Makronährstoffe mischen kann. Abhängig von der Mitochondriendichte lässt sich ein optimales Verhältnis herstellen, das bestimmt, wie viel Energie in welchen Paketen für die Muskelarbeit genutzt wird. Der Proteinabbau (Katabolismus) deckt schätzungsweise 10 bis 15 % des gesamten Energiebedarfs während einer zweistündigen aeroben Trainingseinheit. Dieser Prozess kann lebensnotwendige Proteinstrukturen wie die Kontraktionsfähigkeit von Herzmuskelproteinen, die Zellmitochondrien, die Myoglobinspeicherung und Stoffwechselenzyme in den Muskeln stark beeinträchtigen.

Das oxidative (aerobe) System ist die primäre ATP-Quelle für den Körper in Ruhe und bei leichter körperlicher Aktivität und nutzt vorwiegend Kohlenhydrate und Fette als Substrate. Proteine ​​werden normalerweise nicht nennenswert verstoffwechselt, außer bei längerem Fasten und intensiver körperlicher Belastung (über 90 Minuten). In Ruhe stammen etwa 70 % des produzierten ATP aus Fetten und 30 % aus Kohlenhydraten. Mit Beginn der Belastung und steigender Intensität verschiebt sich die Substratpräferenz von Fetten zu Kohlenhydraten. Bei hochintensivem aerobem Training werden nahezu 100 % der Energie aus Kohlenhydraten gewonnen, sofern ausreichend davon vorhanden ist.

Aerobes vs. anaerobes Training

Studien aus den Jahren 1992 [ 32 ] und 1997 [ 33 ] zeigen, dass die aerobe Fitness einer Person nicht mit ihrem Ruheumsatz korreliert. Beide Studien kommen zu dem Ergebnis, dass die aerobe Fitness die Aussagekraft der fettfreien Masse für den Ruheumsatz nicht verbessert.

Eine aktuelle Studie aus dem Journal of Applied Physiology (2012) [ 34 ] verglich Kraft- und Ausdauertraining hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Körpermasse und Fettmasse bei übergewichtigen Erwachsenen (STRRIDE AT/RT). Unter Berücksichtigung des Zeitaufwands und des gesundheitlichen Nutzens erwies sich Ausdauertraining als optimale Trainingsform zur Reduzierung von Fettmasse und Körpermasse. Krafttraining ist als sekundärer Faktor sinnvoll, insbesondere im Hinblick auf Alterung und den Erhalt der fettfreien Körpermasse. Allerdings birgt Krafttraining ein deutlich höheres Verletzungsrisiko als Ausdauertraining. [ 34 ] Im Vergleich zu Krafttraining führte Ausdauertraining zu einer signifikant stärkeren Gewichtsreduktion durch die Stärkung des Herz-Kreislauf-Systems, welches maßgeblich für die metabolische Verwertung von Fettsubstraten verantwortlich ist. Krafttraining kann, sofern ausreichend Zeit vorhanden ist, auch den Stoffwechsel nach dem Training anregen, ist aber eher ergänzend, da der Körper zwischen den Trainingseinheiten ausreichend Zeit zur Regeneration benötigt, während Ausdauertraining täglich verträglich ist. Ruheumsatz (RMR) und Grundumsatz (BMR) messen den täglichen Kalorienverbrauch. [ 35 ] [ 34 ] Die Mehrheit der zu diesem Thema veröffentlichten Studien befasst sich mit aerobem Training aufgrund seiner Wirksamkeit für die Gesundheit und das Gewichtsmanagement.

Anaerobes Training , wie beispielsweise Gewichtheben , führt zum Aufbau zusätzlicher Muskelmasse. Muskeln tragen zur fettfreien Masse eines Menschen bei, weshalb effektives anaerobes Training den Grundumsatz (BMR) erhöht. [ 36 ] Der tatsächliche Effekt auf den BMR ist jedoch umstritten und schwer zu quantifizieren. Verschiedene Studien [ 37 ] [ 38 ] legen nahe, dass der Ruheumsatz trainierter Muskeln bei etwa 55 kJ/kg pro Tag liegt; demnach hätte selbst eine deutliche Zunahme der Muskelmasse – beispielsweise 5 kg – nur einen geringen Einfluss auf den BMR.

Langlebigkeit

1926 schlug Raymond Pearl vor, dass die Lebensdauer umgekehrt proportional zum Grundumsatz ist (die sogenannte „Rate-of-Living-Hypothese“). Diese Hypothese wird durch die Tatsache gestützt, dass Säugetiere mit größerer Körpergröße eine höhere maximale Lebensspanne aufweisen (große Tiere haben zwar einen höheren Gesamtstoffwechsel, aber der Stoffwechsel auf Zellebene ist deutlich geringer, und Atmung und Herzschlag sind bei größeren Tieren langsamer) und dass die Lebensdauer von Fruchtfliegen umgekehrt proportional zur Umgebungstemperatur ist . [ 39 ] Darüber hinaus kann die Lebensdauer von Stubenfliegen durch die Vermeidung körperlicher Aktivität verlängert werden. [ 40 ] Diese Theorie wurde durch mehrere neuere Studien untermauert, die einen Zusammenhang zwischen einem niedrigeren Grundumsatz und einer erhöhten Lebenserwartung im gesamten Tierreich – einschließlich des Menschen – belegen. Kalorienrestriktion und reduzierte Schilddrüsenhormonspiegel, die beide den Stoffwechsel verringern, wurden mit einer höheren Lebensdauer bei Tieren in Verbindung gebracht. [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]

Das Verhältnis des täglichen Gesamtenergieverbrauchs zum Ruheumsatz kann jedoch zwischen verschiedenen Säugetierarten zwischen 1,6 und 8,0 variieren . Auch der Grad der Kopplung zwischen oxidativer Phosphorylierung und ATP-Produktion , die Menge an gesättigten Fettsäuren in den Mitochondrienmembranen , das Ausmaß der DNA-Reparatur und viele andere Faktoren, die die maximale Lebensspanne beeinflussen, unterscheiden sich zwischen den Tieren. [ 45 ]

Ein Problem beim Verständnis der Zusammenhänge zwischen Lebensspanne und Stoffwechsel besteht darin, dass Stoffwechselveränderungen häufig durch andere Faktoren, die die Lebensspanne beeinflussen können, verfälscht werden. Beispielsweise sinkt bei Kalorienrestriktion der Gesamtstoffwechsel mit zunehmender Restriktion, die Körpertemperatur folgt jedoch demselben Muster. Durch Manipulation der Umgebungstemperatur und Windexposition konnte bei Mäusen und Hamstern gezeigt werden, dass die Körpertemperatur ein wichtigerer Faktor für die Lebensspanne ist als der Stoffwechsel. [ 46 ]

Medizinische Aspekte

Der Stoffwechsel eines Menschen variiert je nach körperlicher Verfassung und Aktivität. Krafttraining kann einen längerfristigen Einfluss auf den Stoffwechsel haben als Ausdauertraining , jedoch gibt es keine bekannten mathematischen Formeln, die die Dauer und den Umfang der Stoffwechselsteigerung durch trophische Veränderungen im Rahmen eines anabolen neuromuskulären Trainings exakt vorhersagen können.

Eine verringerte Nahrungsaufnahme führt typischerweise zu einer Senkung des Stoffwechsels, da der Körper versucht, Energie zu sparen. [ 47 ] Der Forscher Gary Foster schätzt, dass eine sehr kalorienarme Diät mit weniger als 800 Kalorien pro Tag den Stoffwechsel um mehr als 10 Prozent reduzieren würde. [ 48 ]

Der Stoffwechsel kann durch bestimmte Medikamente beeinflusst werden: Schilddrüsenhemmer (Medikamente zur Behandlung von Hyperthyreose) wie Propylthiouracil und Methimazolsenken den Stoffwechsel auf ein normales Niveau und stellen so die Euthyreose wieder her. Einige Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Entwicklung von Medikamenten gegen Adipositas, die den Stoffwechsel anregen, beispielsweise Medikamente zur Stimulation der Thermogenese in der Skelettmuskulatur.

Der Stoffwechsel kann bei Stress , Krankheit und Diabetes erhöht sein . Auch die Menopause kann den Stoffwechsel beeinflussen. [ 49 ]

Siehe auch

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