Der menschliche Energiestoffwechsel

„Der menschliche Körper ist eine ‚Maschine‘, die chemische Energie freisetzen kann, die im ‚Treibstoff‘ der Nahrung gebunden ist; dieser ‚Treibstoff‘ besteht aus Kohlenhydraten, Fetten, Proteinen und Alkohol“ (WHO).

Die bevorzugte Verwendung einer der aufgeführten Quellen weist unterschiedliche Merkmale hinsichtlich des Ausmaßes des Energieaustauschs und der damit verbundenen Stoffwechselverschiebungen auf.

Merkmale verschiedener metabolischer Quellen der Nahrungsenergieversorgung

Indikatoren	Glucose	Palmitat	Protein
Wärmeabgabe, kcal:
Pro 1 Mol oxidiertes	673	2398	475
Pro 1 g oxidiertes	3,74	9.30	5,40
Sauerstoffverbrauch:
Motte	66,0	23,0	5.1
L	134	515	114
Kohlendioxidproduktion:
Motte	66,0	16,0	4.1
L	134	358	92
ATP-Produktion, Mol:	36	129	23
Kosten für ATP-Produkte:
Hölle	18,7	18.3	20,7
V/d	3,72	3,99	4,96
S/d	3,72	2,77	4,00
Respiratorischer Quotient	1,00	0,70	0,81
Energieäquivalent pro 1 Liter verbrauchtem Sauerstoff	5.02	4,66	4.17

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Phasen des Energieaustauschs

Obwohl die Dissimilation und Synthese von Protein-, Fett- und Kohlenhydratstrukturen charakteristische Merkmale und spezifische Formen aufweist, gibt es eine Reihe grundsätzlich gemeinsamer Phasen und Muster bei der Umwandlung dieser verschiedenen Substanzen. In Bezug auf die beim Stoffwechsel freigesetzte Energie lässt sich der Energiestoffwechsel in drei Hauptphasen unterteilen.

In Phase I werden im Magen-Darm-Trakt große Nährstoffmoleküle in kleinere zerlegt. Kohlenhydrate bilden 3 Hexosen (Glukose, Galaktose, Fruktose), Proteine – 20 Aminosäuren, Fett (Triglyceride) – Glycerin und Fettsäuren sowie seltenere Zucker (z. B. Pentosen usw.). Es wurde berechnet, dass der menschliche Körper im Laufe seines Lebens durchschnittlich 17,5 Tonnen Kohlenhydrate, 2,5 Tonnen Proteine und 1,3 Tonnen Fette passiert. Die in Phase I freigesetzte Energiemenge ist unbedeutend und wird als Wärme freigesetzt. So werden etwa 0,6 % der Gesamtenergie beim Abbau von Polysacchariden und Proteinen und 0,14 % der Fette freigesetzt, die bei ihrem vollständigen Abbau zu den endgültigen Stoffwechselprodukten entstehen. Daher besteht die Bedeutung der chemischen Reaktionen in Phase I hauptsächlich darin, Nährstoffe für die eigentliche Energiefreisetzung vorzubereiten.

In Phase II werden diese Stoffe durch unvollständige Verbrennung weiter abgebaut. Das Ergebnis dieser Prozesse – die unvollständige Verbrennung – erscheint unerwartet. Von den 25–30 Stoffen entstehen neben CO2 und H2O nur drei Endprodukte: α-Ketoglutarsäure, Oxalessigsäure und Essigsäure in Form von Acetyl-Coenzym A. Quantitativ überwiegt Acetyl-Coenzym A. In Phase II werden etwa 30 % der in den Nährstoffen enthaltenen Energie freigesetzt.

In Phase III, dem sogenannten Krebs-Tricarbonsäurezyklus, werden die drei Endprodukte der Phase II zu Kohlendioxid und Wasser verbrannt. Dabei werden 60–70 % der Nährstoffenergie freigesetzt. Der Krebs-Zyklus ist der allgemeine letzte Weg des Abbaus von Kohlenhydraten, Proteinen und Fetten. Er ist eine Art Knotenpunkt im Stoffwechsel, an dem die Transformationen verschiedener Strukturen zusammenlaufen und der gegenseitige Übergang synthetischer Reaktionen möglich ist.

Im Gegensatz zur Stufe I – den Stadien der Hydrolyse im Magen-Darm-Trakt – wird in den Phasen II und III des Stoffabbaus nicht nur Energie freigesetzt, sondern auch eine besondere Art ihrer Ansammlung.

Energieaustauschreaktionen

Energieeinsparung wird durch die Umwandlung der Energie aus dem Nahrungsabbau in spezielle chemische Verbindungen, sogenannte makroerge Verbindungen, erreicht. Träger dieser chemischen Energie im Körper sind verschiedene Phosphorverbindungen, bei denen die Bindung des Phosphorsäurerestes die makroerge Bindung darstellt.

Die wichtigste Rolle im Energiestoffwechsel spielt die Pyrophosphatbindung mit der Struktur der Adenosintriphosphatsäure. In Form dieser Verbindung werden 60 bis 70 % der gesamten beim Abbau von Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten freigesetzten Energie im Körper genutzt. Die Energienutzung (Oxidation in Form von ATP) ist von großer biologischer Bedeutung, da dieser Mechanismus es ermöglicht, Ort und Zeit der Energiefreisetzung von ihrem tatsächlichen Verbrauch während der Organfunktion zu trennen. Berechnungen zufolge entspricht die im Körper gebildete und abgebaute ATP-Menge innerhalb von 24 Stunden etwa dem Körpergewicht. Bei der Umwandlung von ATP in ADP werden 41,84–50,2 kJ oder 10–12 kcal freigesetzt.

Die durch den Stoffwechsel erzeugte Energie wird für den Grundstoffwechsel, d. h. für die Aufrechterhaltung des Lebens in einem Zustand völliger Ruhe bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C, für Wachstum (plastischer Stoffwechsel), Muskelarbeit sowie für die Verdauung und Aufnahme von Nahrung (spezifische dynamische Wirkung von Nahrung) verwendet. Der Verbrauch der durch den Stoffwechsel erzeugten Energie unterscheidet sich bei Erwachsenen und Kindern.

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BX

Bei einem Kind kommt es, wie bei allen Säugetieren, die als Frühgeborene geboren werden, zunächst im Alter von 1 1/2 Jahren zu einem Anstieg des Grundumsatzes, der dann absolut gesehen stetig weiter zunimmt und pro Einheit der Körpermasse ebenso regelmäßig abnimmt.

Zur Berechnung des Grundumsatzes werden häufig Rechenverfahren verwendet. Die Formeln orientieren sich dabei meist an den Indikatoren Körperlänge oder Körpergewicht.

Berechnung des Grundumsatzes anhand des Körpergewichts (kcal/Tag). Empfehlungen der FAO/WHO

Alter	Jungs	Mädchen
0-2 Jahre	60,9 R-54	61 R - 51
3-9 Jahre	22,7 R + 495	22,5 R + 499
10-17 »	17,5 R +651	12,2 R +746
17-30 Uhr»	15,3 R +679	14,7 R + 496

Die mit der Nahrung aufgenommene Gesamtenergie wird verteilt, um den Grundstoffwechsel, die spezifische dynamische Wirkung der Nahrung, den mit der Ausscheidung verbundenen Wärmeverlust, die körperliche (motorische) Aktivität und das Wachstum sicherzustellen. Bei der Struktur der Energieverteilung, d. h. des Energiestoffwechsels, wird unterschieden zwischen:

• Erhaltene Energie (aus der Nahrung) = Eingezahlte Energie + verbrauchte Energie.
• Absorbierte Energie = Erhaltene Energie – Mit dem Kot ausgeschiedene Energie.
• Metabolisierte Energie = aufgenommene Energie – Energie zur Erhaltung (Leben) und Aktivität oder „Grundkosten“.
• Die Energie der Hauptkosten entspricht der Summe:
  • Grundumsatz;
  • Thermoregulation;
  • Erwärmungseffekt von Lebensmitteln (WEF);
  • Aktivitätskosten;
  • Kosten für die Synthese neuer Gewebe.
• Die Depositionsenergie ist die Energie, die für die Ablagerung von Protein und Fett aufgewendet wird. Glykogen wird nicht berücksichtigt, da seine Ablagerung (1 %) unbedeutend ist.
• Deponierte Energie = metabolisierte Energie – Energie des Grundverbrauchs.
• Energiekosten des Wachstums = Energie für die Synthese neuen Gewebes + im neuen Gewebe gespeicherte Energie.

Die größten Altersunterschiede liegen im Verhältnis zwischen den Kosten des Wachstums und, in geringerem Maße, der Aktivität.

Altersbedingte Merkmale der Verteilung des täglichen Energieverbrauchs (kcal/kg)

Alter	BX	SDDP	Ausscheidungsverluste	Aktivität	Höhe	Gesamt
Verfrüht	60	7	20	15	50	152
8 Wochen	55	7	11	17	20	110
10 Monate	55	7	11	17	20	110
4 Jahre	40	6	8	25	8-10	87-89
14 Jahre alt	35	6	6	20	14	81
Erwachsene	25	6	6	10	0	47

Wie Sie sehen, sind die Wachstumskosten bei Neugeborenen mit geringem Gewicht und im ersten Lebensjahr sehr hoch. Bei Erwachsenen fehlen sie natürlich. Körperliche Aktivität verursacht bereits bei Neugeborenen und Säuglingen einen erheblichen Energieverbrauch, der sich in Saugen an der Brust, Unruhe, Weinen und Schreien äußert.

Bei Unruhe erhöht sich der Energieverbrauch eines Kindes um 20–60 %, bei Schreien sogar um das Zwei- bis Dreifache. Krankheiten stellen ihre eigenen Anforderungen an den Energieverbrauch. Sie steigen insbesondere bei steigender Körpertemperatur (bei einer Erhöhung um 1 °C erhöht sich der Stoffwechsel um 10–16 %).

Im Gegensatz zu Erwachsenen verbrauchen Kinder viel Energie für das Wachstum (plastischer Stoffwechsel). Es wurde festgestellt, dass für den Aufbau von 1 g Körpermasse, also neuem Gewebe, etwa 29,3 kJ oder 7 kcal verbraucht werden müssen. Die folgende Schätzung ist genauer:

• Energiekosten des Wachstums = Energie der Synthese + Energie der Ablagerung in neuem Gewebe.

Bei einem Frühgeborenen mit geringem Gewicht beträgt die Syntheseenergie 1,3 bis 5 kJ (0,3 bis 1,2 kcal) pro 1 g zusätzlichem Körpergewicht. Bei einem voll ausgetragenen Baby beträgt sie 1,3 kJ (0,3 kcal) pro 1 g zusätzlichem Körpergewicht.

Gesamtenergiekosten des Wachstums:

• bis 1 Jahr = 21 kJ (5 kcal) pro 1 g neues Gewebe,
• nach 1 Jahr = 36,5–50,4 kJ (8,7–12 kcal) pro 1 g neuem Gewebe oder etwa 1 % der Gesamtenergie des Nährstoffgehalts.

Da die Wachstumsintensität bei Kindern in verschiedenen Zeiträumen variiert, ist auch der Anteil des plastischen Stoffwechsels am Gesamtenergieverbrauch unterschiedlich. Das intensivste Wachstum findet in der intrauterinen Entwicklungsphase statt, wenn die Masse des menschlichen Embryos auf das 1-Milliarden- bis 20-Millionenfache (1,02 x 109) zunimmt. Die Wachstumsrate bleibt in den ersten Lebensmonaten weiterhin recht hoch. Dies zeigt sich in einer deutlichen Zunahme des Körpergewichts. Daher beträgt bei Kindern in den ersten drei Monaten der Anteil des „plastischen“ Stoffwechsels am Energieverbrauch 46 %, dann nimmt er im ersten Jahr ab, aber ab dem vierten Lebensjahr und insbesondere in der vorpubertären Phase nimmt die Wachstumsintensität zu, was sich wiederum in einer Zunahme des plastischen Stoffwechsels widerspiegelt. Im Durchschnitt werden bei Kindern im Alter von 6 bis 12 Jahren 12 % des Energiebedarfs für das Wachstum aufgewendet.

Energiekosten für Wachstum

Alter	Körpergewicht, kg	Gewichtszunahme, g/Tag	Energiewert , kcal/Tag	Energiewert , kcal/(kg-Tag)	Als Prozentsatz des Grundumsatzes
1 Monat	3.9	30	146	37	71
3 »	5.8	28	136	23	41
6 »	8,0	20	126	16	28
1 Jahr	10.4	10	63	6	11
5 Jahre	17,6	5	32	2	4
14 Jahre alt, Mädchen	47,5	18	113	2	8
16 Jahre alt, Jungen	54,0	18	113	2	7

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Energieverbrauch für schwer kalkulierbare Verluste

Zu den schwer zu erklärenden Verlusten zählen der Verlust von Fett, Verdauungssäften und Sekreten aus der Wand des Verdauungstrakts und der Drüsen mit dem Stuhl, mit der Abschuppung von Epithelzellen, mit dem Abfallen von Deckzellen von Haut, Haaren und Nägeln, mit Schweiß und mit Erreichen der Pubertät bei Mädchen mit der Menstruationsblutung. Leider ist dieser Aspekt bei Kindern kaum erforscht. Man geht davon aus, dass er bei Kindern über einem Jahr etwa 8 % des Energieverbrauchs ausmacht.

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Energieverbrauch bei Aktivität und Aufrechterhaltung der Körpertemperatur

Der Anteil des Energieverbrauchs für Aktivität und Aufrechterhaltung der Körpertemperatur ändert sich mit dem Alter des Kindes (ab 5 Jahren wird dies zum Konzept der Muskelarbeit gezählt). In den ersten 30 Minuten nach der Geburt sinkt die Körpertemperatur eines Neugeborenen um fast 2 °C, was einen erheblichen Energieverbrauch verursacht. Bei kleinen Kindern ist der Körper des Kindes gezwungen, 200,8 – 418,4 kJ/(kg • Tag) oder 48 – 100 kcal/(kg • Tag) aufzuwenden, um bei einer Umgebungstemperatur unterhalb des kritischen Werts (28 … 32 °C) und bei Aktivität eine konstante Körpertemperatur aufrechtzuerhalten. Daher steigt mit zunehmendem Alter der absolute Energieverbrauch zur Aufrechterhaltung einer konstanten Körpertemperatur und Aktivität.

Der Anteil des Energieverbrauchs zur Aufrechterhaltung einer konstanten Körpertemperatur bei Kindern im ersten Lebensjahr ist jedoch umso geringer, je kleiner das Kind ist. Anschließend sinkt der Energieverbrauch wieder, da die Körperoberfläche pro 1 kg Körpergewicht wieder abnimmt. Gleichzeitig steigt der Energieverbrauch für Aktivität (Muskelarbeit) bei Kindern über einem Jahr, wenn das Kind beginnt, selbstständig zu gehen, zu rennen, Sport zu treiben oder Sport zu treiben.

Energiekosten körperlicher Aktivität

Art der Bewegung	Kal./min
Radfahren mit niedriger Geschwindigkeit	4.5
Radfahren mit mittlerer Geschwindigkeit	7,0
Fahrradfahren mit hoher Geschwindigkeit	11.1
Tanzen	3,3-7,7
Fußball	8.9
Gymnastische Übungen an Geräten	3.5
Sprintlauf	13,3-16,8
Langstreckenlauf	10.6
Eislaufen	11.5
Langlaufen mit moderater Geschwindigkeit	10,8-15,9
Langlaufen mit Höchstgeschwindigkeit	18,6
Baden	11,0-14,0

Bei Kindern im Alter von 6–12 Jahren beträgt der Energieverbrauch für körperliche Aktivität etwa 25 % des Energiebedarfs, bei Erwachsenen 1/3.

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Spezifische dynamische Wirkung von Lebensmitteln

Die spezifische dynamische Wirkung von Lebensmitteln verändert sich je nach Art der Ernährung. Sie ist bei proteinreichen Lebensmitteln stärker ausgeprägt, bei Fetten und Kohlenhydraten weniger. Bei Kindern im zweiten Lebensjahr beträgt die spezifische dynamische Wirkung von Lebensmitteln 7–8 %, bei älteren Kindern mehr als 5 %.

Kosten der Umsetzung und Stressbewältigung

Dies ist eine natürliche Richtung normaler Lebensaktivität und Energieverbrauchs. Der Prozess des Lebens und der sozialen Anpassung, Bildung und Sport, der Aufbau zwischenmenschlicher Beziehungen – all dies kann mit Stress und zusätzlichem Energieverbrauch einhergehen. Im Durchschnitt sind dies zusätzliche 10 % der täglichen Energieration. Gleichzeitig kann bei akuten und schweren Erkrankungen oder Verletzungen der Stressaufwand erheblich ansteigen, was bei der Berechnung der Lebensmittelration berücksichtigt werden muss.

Nachfolgend werden Daten zur Erhöhung des Energiebedarfs bei Stress dargestellt.

Staaten	Veränderung des Energiebedarfs
Verbrennungen abhängig vom Prozentsatz der verbrannten Körperoberfläche	+ 30...70%
Mehrere Verletzungen mit mechanischer Beatmung	+ 20...30%
Schwere Infektionen und Polytraumata	+ 10...20%
Postoperative Phase, leichte Infektionen, Knochenbrüche	0... + 10%

Ein anhaltendes Energieungleichgewicht (Überschuss oder Mangel) führt zu Veränderungen des Körpergewichts und der Körpergröße in allen Entwicklungs- und biologischen Altersindizes. Selbst ein mäßiger Energiemangel (4–5 %) kann zu Entwicklungsverzögerungen bei Kindern führen. Daher ist die Energiezufuhr aus der Nahrung eine der wichtigsten Voraussetzungen für ausreichendes Wachstum und Entwicklung. Die Berechnung dieser Zufuhr muss regelmäßig durchgeführt werden. Für die meisten Kinder können Empfehlungen zur Gesamtenergie der täglichen Ernährung als Maßstab für die Analyse dienen; für manche Kinder mit besonderen Gesundheits- oder Lebensbedingungen ist eine individuelle Berechnung auf Basis der Summe aller energieverbrauchenden Komponenten erforderlich. Die folgenden Methoden zur Berechnung des Energieverbrauchs können als Beispiel für die Anwendung allgemeiner altersspezifischer Zufuhrstandards und die Möglichkeit einer individuellen Anpassung dieser Standards dienen.

Berechnungsmethode zur Ermittlung des Grundumsatzes

Bis zu 3 Jahre	3-10 Jahre	10-18 Jahre
Jungs
X = 0,249 kg - 0,127	X = 0,095 kg + 2,110	X = 0,074 kg + 2,754
Mädchen
X = 0,244 kg - 0,130	X = 0,085 kg + 2,033	X = 0,056 kg + 2,898

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Zusätzliche Ausgaben

Schadenersatz – der Grundumsatz wird multipliziert: bei kleineren chirurgischen Eingriffen mit 1,2, bei Skeletttraumata mit 1,35, bei Sepsis mit 1,6 und bei Verbrennungen mit 2,1.

Spezifische dynamische Wirkung der Nahrung: + 10 % des Grundumsatzes.

Körperliche Aktivität: Bettlägerigkeit + 10 % des Grundumsatzes; Sitzen auf einem Stuhl + 20 % des Grundumsatzes; Patient auf einer Krankenhausstation untergebracht + 30 % des Grundumsatzes.

Kosten des Fiebers: Für jedes 1°C durchschnittliche tägliche Erhöhung der Körpertemperatur +10-12% des Grundumsatzes.

Gewichtszunahme: bis zu 1 kg/Woche + 1260 kJ (300 kcal) pro Tag.

Es ist üblich, bestimmte Standards für die altersgerechte Energieversorgung der Bevölkerung festzulegen. Viele Länder haben solche Standards. Alle Lebensmittelrationen organisierter Gruppen basieren auf diesen Standards. Auch individuelle Lebensmittelrationen werden anhand dieser Standards überprüft.

Empfehlungen zum Energiewert der Ernährung für Kinder im frühen Alter und bis zu 11 Jahren

	0-2 Monate	3-5 Monate	6-11 Monate	1-3 Jahre	3-7 Jahre	7-10 Jahre
Energie, gesamt, kcal	-	-	-	1540	1970	2300
Energie, kcal/kg	115	115	110	-	-	-

Empfehlungen zur Energiestandardisierung (kcal/(kg • Tag))

Alter, Monate	FAO/WHO (1985)	UN (1996)
0-1	124	107
1-2	116	109
2-3	109	111
3^	103	101
4-10	95-99	100
10-12	100-104	109
12-24	105	90

Die Berechnung und Korrektur des Energiestoffwechsels zielen darauf ab, Mängel der wichtigsten Energieträger, d. h. vor allem Kohlenhydrate und Fette, zu beseitigen. Gleichzeitig ist die Verwendung dieser Träger für die angegebenen Zwecke nur unter Berücksichtigung und Korrektur der Bereitstellung vieler grundsätzlich notwendiger begleitender Mikronährstoffe möglich. Daher ist es besonders wichtig, Kalium, Phosphate, B-Vitamine, insbesondere Thiamin und Riboflavin, manchmal Carnitin, Antioxidantien usw. zu verschreiben. Die Nichteinhaltung dieser Bedingung kann zu lebensunvereinbaren Zuständen führen, die gerade bei intensiver Energieernährung, insbesondere parenteral, auftreten.