Energetik im Sport

Fach Fach

Klasse 12

Autor Traumfängerin

Veröffentlicht am 03.03.2018

Schlagwörter

Sport Ernährung

Zusammenfassung

Energetik im Sport, Ernährung und Sport, Kalorienlehre, Kalorienbedarf, Definition, Grundumsatz, Fett-Messung, Methoden zur fett - Messung, Berechnung des Energiebedarfs mittels Herzfrequenz-Monitoring

Energetik

Grundlagen der Energetik

Um ein Gleichgewicht zw. Verbrauch und Zufuhr lebensnotwendiger Stoffe und Flüssigkeiten zu erhalten müssen 5 Bilanzen beachtet werden:

Kalorienbilanz
Nährstoffbilanz
Vitaminbilanz
Mineralstoffbilanz
Flüssigkeitsbilanz

z.B. Race across America

Ca. 5.000 km, 23.000 Höhenmeter in 9 Tagen 7h 9min, Durchschnittsgeschwindigkeit 28kmh, 17h Pause
→ 16.000 kcal/Tag, 16 l/Tag
→ insgesamt 144.000 kcal Kalorienzufuhr, 170 – 180 l Flüssigkeitszufuhr

Die Deckung des täglichen Energiebedarfes erfolgt durch die drei Grundnahrungsstoffe Eiweiße (Proteine) , Fette und Kohlenhydrate.

Die Energieträger

Hier werden wir uns vor allem mit folgenden drei Fragen beschäftigen:

Welche Menge an jeweiligem Substrat befindet sich durchschnittlich im menschlichen Organismus?
Kann ich während länger dauernden sportlichen Leistungen Substrat verwerten und gleichzeitig wieder zuführen?
Wie läuft die Interaktion der Substratbereitstellung ab?

Kohlenhydrate (intramuskulär)

Muskelglykogen

Die Konzentration im Körper hängt von Ernährung, Muskelmasse, Muskelfaserzusammensetzung,… ab. Sie liegt ungefähr zwischen 1200 und 2000 kcal.

Leberglykogen

50 bis max. 110 g Glykogen, was einer Energiemenge von 200 bis max. 450 kcal. entspricht

Kohlenhydrate sind im Körper zwar am schnellsten verfügbar, stellen aber für länger andauernde Belastungen eine Mangelsubstanz dar → wir haben zuwenig Kohlenhydrate gespeichert!

Der anaerobe Kohlenhydrat-Stoffwechsel ist sehr unökonomisch!

z.B. 1 mmol Muskelglykogen kann aerob 36 mol ATP, anaerob aber nur 2 mol ATP bereitstellen.

Bei einem „Ironman“ können z.B. nur 23 % der Energie aus Kohlenhydraten abgedeckt werden.

Fette

Sie bilden das größte Energiedepot im menschlichen Organismus und stellen auch das effizienteste Depot-Substrat dar. Leider braucht es aber aufgrund der langsamen Flussrate sehr lange, um auf sie zugreifen zu können, da es zunächst mittels Transportproteinen durch die Muskelzellenmembran, das Zytoplasma und die Mitochondrienmembranen (Äußere, Innere) transportiert werden muss. Langkettige Fettsäuren müssen an L-Carnitin gebunden sein, um durch die innere Mitochondrienmembran zu gehen.

Intramuskuläre Fette treten in Form von Fetttröpfchen, die in den Muskelfaser liegen („intramuskuläre Triglyceride“) und Fettzellen (Aufbrechen der Fettzelle = Lipolyse) auf.

Eiweiß (Proteine bzw. Aminosäuren)

Der menschliche Organismus besitzt fast überhaupt keine frei zugreifbaren Eiweißspeicher sondern funktionell gebundenes Eiweiß in der Muskulatur.
Wir besitzen einen Aminosäurenpool (freie AS in Körpergeweben und –flüssigkeiten), den wir durch Nahrungsaufnahme ständig wieder auffüllen.

Durch dementsprechendes Krafttraining (u.U. Nahrungszusätze, die das ganze beschleunigen) kommt es zur Synthese zu Körpereiweiß/Muskulatur.

Nimmt man viel Eiweiß zu sich (z.B. Steaks), ohne zu trainieren, werden die Proteine in Kohlenhydrate und Fette umgewandelt und gespeichert.

Essenzielle Aminosäuren für die Energieproduktion: v.a. Leucin, Isoleucin, Valin (verzweigtkettige Aminosäuren oder BCAA branch-chained amino acids)

Der Körper von Kindern, die fast keine Nahrung aufnehmen holt sich das nötige Eiweiß aus dem Blut (Bluteiweiß), was u.a. zu einer verstärkten Wasserabgabe und infolge zu einem Hungerödem (dicker Bauch) führt.

Energieflussraten von Substraten

Wie viel Energie pro Zeiteinheit aus dem Substrat verfügbar gemacht werden kann.
Dilemma: Fette haben die niedrigsten Energieflussraten, sind aber in großer Zahl vorhanden. Kohlenhydrate fließen schneller als Fette. Ca. doppelt so schnell bei aerober, ca. dreimal so schnell bei anaerober (unökonomischer) Bereitstellung. Energiereiche Phosphate (ATP, Kreatin) haben schnelle Flussraten, sind aber nur sehr begrenzt vorhanden. Wird die Flussrate eines Substrates überschritten, muss auf ein anderes Substrat zurückgegriffen werden.

Ad Energiebereitstellung bei „Steady-State“-Belastungen unterschiedlicher Intensität

Große Überraschung: bei sehr hoher Belastung (hier 85% der VO2max) kommt es zu einer Abnahme des Fettstoffwechsels → zu intensives Ausdauertraining hat zwei Nachteile:
Zu hoher Zugriff auf Kohlenhydrate → negative Auswirkung auf Trainingsdauer
Kohlenhydrat-Stoffwechsel suprimiert Fettstoffwechsel

Fazit:
Der Anteil der Kohlenhydrate an der Energiebereitstellung steigt mit der Belastungsintensität!
Es scheint ein Optimum für den Zugriff auf intramuskuläre Triglyceride zu geben.

Ad FFS-Transport durch die Mitochondrienmembran

Hohe Belastungsintensität → Reichlich Kohlenhydrate fließen in die Mitochondrien
→ diffundiert Citrat aus Mitochondrien → viel Citrat → viel Acetyl-Coenzym-A
→ Anhäufung im Muskel → „Acetylierung“ → freier L-Carnitin-Pool fällt ab → freie Fettsäuren können nicht mehr in die Mitochondrien gelangen, weil der Transportstoff L-Carnitin nicht mehr in genügend Mengen vorhanden ist

Ausdauertraining fördert die Oxidation von intramuskulären Fetten (Vermehrung der intramuskulären Fettdepots). D.h. deren Anteil an der Energiebereitstellung erhöht sich.

Veränderungen der Muskelzelle durch Ausdauertraining

Vermehrung der Mitochondriendichte
Vermehrung des Mitochondrienvolumens
Aktivitätssteigerung der aerob wirksamen muskulären Enzyme (sowohl im Fett-, als auch im Kohlenhydrat-Stoffwechsel)
Erhöhung der Sensitivität der β-Rezeptoren (im Fettgewebe, aber v.a. im Muskel in Form von intramuskulären Triglyceriden)
Verbesserung der Vaskularisierung der Muskelzelle
Verbesserung der Durchblutung
Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen Kapillaren und Muskelfläche
Erhöhung der Zeitdauer, die die Muskelzelle zur Verfügung hat, um Sauerstoff in den Gefäßen aufzunehmen
Muskelfasertypisierung in Richtung Faser mit hoher oxidativer Kapazität

  1. Energiebilanzierung

Die Umsetzung von Nahrungsenergie in mechanische Energie ist Voraussetzung für jede physische Aktivität. Erst eine ausgeglichene Energiebilanz ermöglicht es, über einen längeren Zeitraum optimale physische Leistungen zu erbringen.

Der 24-Stunden-Energieverbrauch

Der 24-Stunden-Energieverbrauch (TEE – total energy expenditure) eines Menschen setzt sich aus vier Komponenten zusammen:

Grundumsatz (REE; Ruhe-Energieverbrauch; ca. 60-70% des Gesamtverbrauch)
Körperliche Aktivität
arbeitsinduzierte Thermogenese (AEE; ca. 20-30% des Gesamtverbrauch)
nahrungsinduzierte Thermogenese (DIT; ca. 5-15% des Gesamtverbrauch)

2.2 Berechnung bzw. Messung des Energiebedarf

Der Grundumsatz

Jene Energiemenge die benötigt wird, um den Körper in Ruhe über 24 Stunden energetisch zu versorgen.

Faustregel: 1 kcal pro Stunde pro kg Körpermagergewicht

z.B. Mensch mit 55 kg benötigt 551 kcal24 Stunden = 1320 kcal
Grundumsatz

Der Grundumsatz hängt von verschiedenen Faktoren ab:

Wärmeproduktion
Aufrechterhaltung von Herz- und Kreislauffunktion, Atmung, Nieren- und Hirntätigkeit
Einflussfaktoren auf die Höhe des Grundumsatzes
Geschlecht (Männer haben einen höheren)
Klima
Ernährungsgewohnheiten (Fasten → Senkung, Überernährung → Erhöhung)
Alter (sinkt mit zunehmendem Alter)

Genaue Berechnung des Grundumsatzes mit der Formel nach Harris-Benedict. Der größte Prädikator für den Grundumsatz eines Menschen ist dessen freie Fettmasse (FFM). Der Grundumsatz ist noch zwei Stunden nach körperlicher Betätigung erhöht!

Einheit der Energie

Energien werden in Joule (J) oder Kilojoule (kJ) gemessen. Ein Joule ist jene Energie, die benötigt wird, um ein Kilogramm in einer Sekunde einen Meter hoch zu heben.
Die (alte) Kalorie war definiert als diejenige Energiemenge, die man braucht, um einen Liter Wasser von 14,5 auf 15,5 Grad Celsius zu erhitzen.

1 Kilokalorie = 4,185 Kilojoule
1 Kilojoule = 0,239 Kilokalorien

Der Energiegehalt von Nährstoffen

Nährstoff, Masse m = 1 g
Energiegehalt in kJ Energiegehalt in kcal
Protein 17,18 4,1
Kohlenhydrat 17,18 4,1
Fett 38,97 9,3
Alkohol 29,75 7,1

Bemerkung: Alkohol stellt neben den Fetten den energiereichsten Nährstoff dar!

Berechnung des Energiebedarfs aus Aktivitätsprofilen

„Bibel“ zu diesem Thema: B.E. Ainsworth – Compendium of physical activities …

Der Begriff des MET
MET – metabolic equivalent oder metabolische Einheit

1 MET ist die Sauerstoffaufnahme einer erwachsenen Person im Sitzen
= 3,5 ml VO² pro kg*min

d.h. eine körperliche Aktivität mit 6 MET entspricht dem 6fachen Energieaufwand einer erwachsenen Person im Sitzen. Energetisch gesprochen: ca. 0,0169 kcal pro kg*min = pro Stunde ca. 1,014 kcal pro kg

Berechnung des Energiebedarfs mittels Herzfrequenz-Monitoring

Berechnung des Energiebedarfs mittels direkter Kalorimetrie

Testperson befindet sich in einer luftdichten, hochisolierten Kammer. Gemessen wird die vom Körper abgegebene Wärme. Daraus können genaue Rückschlüsse auf den Energieverbrauch gezogen werden.

Berechnung des Energiebedarfs mittels indirekter Kalorimetrie

Ausgehend von Sauerstoffaufnahme und respiratorischem Quotienten kann der individuelle Energieverbrauch berechnet werden.
Das Körpergewicht bei Sportlern

Hochtrainierte Sportler weichen stets von den Werten der Durchschnittsbevölkerung ab
→ übliche Körpergewichtsformeln sind irrelevant
→ Alternative: Bestimmung des individuellen Normalgewichts

Ad Gewichtskontrolle

Täglich (mind. aber zwei mal pro Woche)
Morgens (selbe Zeit)
Nüchtern
Nach Toilette
Unbekleidet, oder wenig bekleidet

Ad optimaler Ernährungszustand des Sportlers

Optimales Körpergewicht
Broca-Index
Body Mass Index (BMI/Körpermasse-Index)

Individuelles Körpergewicht
Ist unabhängig von der Körpergröße und wird über den
„Body Composition“ (Körperfettanteil) berechnet.

BMI

Klassifikation des BMI

< 20Untergewicht
20 – 24,9Normalgewicht

30 – 39,9Adipositas

40Krankhafte Adipositas

Wie kann ich mein “optimales“ Körpergewicht berechnen?
BMI = Körpergewicht / Größe ² umgeformt: Körpergewicht = Soll-BMI * Größe ²

Messung des Körperfettanteil (Body Composition)

Eine direkte und exakte Messung ist zur Zeit noch nicht möglich. Es gibt aber eine Unzahl von mehr oder weniger genauen Methoden:

„pars-pro-toto” – Methoden
(von einem Körperteil wird auf den ganzen Körper geschlossen )
Ganzkörpermethoden

Bioelektrische Impedanzanalyse
Dual X-Ray Absorptionsmetrie
Hydrodensitometrie
Air Displacement Plethysmographie
Kernspintomographie (MRT)
Isotopendilution
Bestimmung der Hautfaltendicke
Infrarot-Interaktanzverfahren
Sonographie (Ultraschall)
Computertomographie