Zerlegung des Energiebedarfs des Körpers – ein Forschungsreview

Titel und Abstract

McClave SA, Snider HL. Dissecting the energy needs of the body. Curr Opin Clin Nutr Metab Care. (2001) 4(2):143-7.

Der größte Teil des Energieverbrauchs im Ruhezustand kann durch den Energiebedarf einiger weniger stoffwechseltechnisch sehr aktiver Organe erklärt werden, die nur einen kleinen Prozentsatz des Körpergewichts ausmachen. Die Beziehung der spezifischen Größe, des individuellen Stoffwechsels und der proportionalen Verteilung des Körpergewichts und des Gesamtenergieverbrauchs eines jeden dieser Organe ist während Wachstum und Entwicklung, Einsetzen von Krankheiten und Veränderungen des Ernährungsstatus ein dynamischer Prozess. Die Bestimmung des Energiebedarfs der individuellen Gewebe und Organsysteme verbessert unser Verständnis bezüglich der Reaktionen des Körpers auf diese klinischen Prozesse, welche ansonsten nicht leicht durch eine alleinige Betrachtung des Gesamtenergieverbrauchs, der fettfreien Körpermasse, des Stickstoff Ungleichgewichts oder des tatsächlichen Körpergewichts bewertet werden können, in unermesslichem Umfang. Kürzlich ausgeführte Studien dienten hauptsächlich dazu, die bereits zuvor beschriebenen Konzepte zu bestätigen und einige Bereiche, in denen Meinungsverschiedenheiten bestanden, zu klären.

Hintergrund

Im letzten Monat habe ich eine Frage bezüglich der Reduzierung des Körperfettanteils durch den Aufbau von Muskelmasse beantwortet und habe in diesem Artikel erwähnt, dass der eigentliche Kalorienverbrauch durch die Skelettmuskulatur im Vergleich zu dem, was häufig behauptet wird, relativ gering ausfällt. In den Kommentaren zu diesem Artikel erwähnte jemand ein Seminar, in dem der Wert von 110 kcal pro Kilogramm für die Muskulatur angegeben wurde und fragte mich nach einer Klarstellung bezüglich meiner Behauptung.

Anders als bei anderen Forschungsreviews handelt es sich beim heute beschriebenen Paper nicht um eine Studie sondern um ein Review Paper, weshalb meine Betrachtungen bezüglich dem, was ich mir anschauen möchte, etwas anders ausfallen werden. Das Paper selbst ist recht technisch gehalten und ich möchte mich nicht so sehr auf die technischen Aspekte sondern mehr auf die im Paper beschriebenen Konzepte und Implikationen konzentrieren, soweit sie das Thema der Körperkomposition betreffen.

Genauer gesagt möchte ich einige weit verbreitete Behauptungen betrachten, mit denen in der Welt der Körperkomposition herumgeworfen wird. Beispiele hierfür wären "Der Aufbau von Muskelmasse erhöht die Stoffwechselrate signifikant" und "Fettzellen verbrennen keine Kalorien, sie sind stoffwechseltechnisch inaktiv". Auch wenn das Paper das Thema aus einer anderen Perspektive betrachtet, liefert es doch zu beiden Fragen gute Daten.

Das heute behandelte Paper betrachtet im Detail, wie unterschiedliche Gewebetypen des Körpers (z.B. Muskeln vs. Fett vs. Organe) zum Energieverbrauch des Körpers im Ruhezustand beitragen. Desweitern werden Faktoren wie Krankheiten, Wachstum/Entwicklung und Unterernährung dahingehend betrachten, wie sie unterschiedliche Gewebetypen des Körpers und ihren Energieverbrauch beeinflussen.

Wie ich im Artikel "Metabolic Rate Overview" im Detail beschrieben habe, gibt es vier primäre Komponenten des täglichen Energieverbrauchs: die Stoffwechselrate im Ruhezustand (REE), die thermische Wirkung von Aktivitäten (TEA), die thermische Wirkung der Nahrung (TEF) und die Thermogenese, die auf nichtsportlichen Aktivitäten bzw. auf spontanen körperlichen Aktivitäten beruht (NEAT/SPA).

Von diesen vieren spielt die Stoffwechselrate im Ruhezustand beim täglichen Energieverbrauch die wichtigste Rolle und ist im Allgemeinen für 65 bis 70% des Gesamtenergieverbrauchs verantwortlich. Wenn man den Einfluss eines jeden Gewebetyps auf die Stoffwechselrate im Ruhezustand betrachtet, erhält man also ein recht gutes Bild davon, was vor sich geht. preview

Das Paper

Das Paper beginnt mit einer Einführung der allgemeinen Konzepte, wobei hervorgehoben wurde, dass eine Abschätzung der Stoffwechselrate im Ruhezustand bei Personen unterschiedlicher Größe klassisch schwierig ist. Während das Körpergewicht per se ein brauchbarer Indikator ist, neigt die Stoffwechselrate im Ruhezustand dazu, besser anhand der Körperoberfläche abschätzbar zu sein. Dies gibt jedoch keinen Hinweis darauf, welche Gewebetypen (und in welchem Verhältnis) zur Gesamtstoffwechselrate im Ruhezustand beitragen.

Der Leser hat vielleicht schon einmal die Aussage gehört, "dass die fettfreie Körpermasse der beste Indikator für die Stoffwechselrate im Ruhezustand ist" und in dieser Aussage liegt mit Sicherheit eine gewisse Wahrheit. Die fettfreie Körpermasse sagt jedoch nur 53 bis 88% der Variabilität des Energieverbrauchs voraus. Hierfür gibt es eine ganze Reihe von Gründen und einer hiervon beruht darauf, dass es sich bei der fettfreien Körpermasse nicht um ein einzelnes homogenes Gewebe handelt.

Wie im Artikel "What Does Body Composition Mean" beschrieben wurde, repräsentiert die fettfreie Körpermasse die Organe, die Skelettmuskulatur, die Knochen, die Haut und im Grunde genommen alles, was keine Fettmasse ist. Und wie der Leser wird in Kürze sehen wird, verbrennt jeder dieser Gewebetypen auf täglicher Basis eine sehr unterschiedliche Menge an Kalorien. Dies bedeutet, dass die Variabilität bezüglich der Mengen und Verhältnisse dieser Gewebetypen den Gesamtenergieverbrauch im Ruhezustand beeinflussen wird.

Als nächstes beschreibt das Paper die unterschiedlichen Methodologien, die verwendet werden, um den Energieverbrauch unterschiedlicher Gewebetypen im Ruhezustand abzuschätzen. Ich möchte hierauf nicht im Detail eingehen. Es reicht aus zu erwähnen, dass neuere Technologien akkuratere Methoden der Bestimmung des Kalorienverbrauchs unterschiedlicher Gewebetypen des Körpers ermöglicht haben.

Auch wenn diese Methoden immer noch nicht fehlerfrei sind (was nichts im Bereich der Wissenschaft je ist), könnten einige der neueren Messmethoden erklären, warum sich einige der weit verbreiteten Ansichten und Werte bezüglich des Energieverbrauchs als falsch herausstellen. Dies bedeutet natürlich auch, dass zukünftige Entwicklungen die augenblicklichen Werte als inkorrekt erweisen könnten.

Der normale Mensch

Das nächste Thema, das in diesem Paper angesprochen wird, ist eine Untersuchung der unterschiedlichen Gewebetypen und wie diese bei einem "durchschnittlichen" Menschen zum Energieverbrauch im Ruhezustand beitragen. Ich habe Tabelle 1 aus diesem Paper kopiert und diese Tabelle war ehrlich gesagt der Hauptgrund dafür, dass ich dieses Paper näher betrachten wollte..

Organ oder Gewebe	Stoffwechselrate (kcal/kg/Tag)	% der gesamten Stoffwechselrate im Ruhezustand	Gewicht in Kg	% des Körpergewichts
Fettgewebe	4.5	4	15	21.4
Muskeln	13	22	28.2	40
Andere	12	16	23.2	33.1
Leber	200	21	1.8	2.6
Gehirn	240	22	1.4	2.0
Herz	400	9	0.3	0.5
Nieren	400	8	0.3	0.5

"Andere" bezieht sich auf Knochen, Haut, Verdauungsorgane und Drüsen.

Hinweis: Die Lunge wurde aus methodologischen Gründen nicht gemessen, wurde jedoch ähnlich wie die Leber mit 200 kcal/kg abgeschätzt.

Wie man oben sehen kann, fällt der Beitrag der Skelettmuskulatur zum Gesamtenergieverbrauch im Ruhezustand entgegen der weit verbreiteten Meinung mit etwa 13 kcal pro Kilogramm relativ gering aus. Dies steht in krassem Gegensatz zu sehr alten Werten von 220 kcal pro Kilogramm oder neueren Behauptungen, die besagen, dass ein Pfund Muskelmasse die Stoffwechselrate um 90 bis 110 kcal erhöhen wird.

Zusätzlich hierzu verbrennen Fettzellen im Gegensatz zu dem, was für gewöhnlich behauptet wird, Kalorien. Zugegebenermaßen ist dieser Wert nicht enorm (grob 4,5 kcal pro Kilogramm), doch die Idee, dass Fettzellen völlig inaktiv sind, ist auch inkorrekt. Wir wissen, dass die Fettzellen eine ganze Reihe von Hormonen und weiteres produzieren (z.B. Leptin, Adiponectin) und auch das erhöht den Kalorienverbrauch. Diese Werte fallen pro Masseneinheit Fett wie gesagt nicht hoch aus, doch bei jemandem, der eine Menge Fett mit sich herumträgt, summiert sich dies auf.

Vielleicht relevanter ist jedoch die Tatsache, dass die Organe mit Leber, Herz, Nieren und Gehirn den primären Beitrag zum Energieverbrauch im Ruhezustand leisten, der bei etwa 70 bis 80% des Gesamtenergieverbrauchs im Ruhezustand liegt – und dies, obwohl diese Organe nur etwa 7% des Gesamtkörpergewichts ausmachen. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass sie trotz ihres relativ geringen Gewichts auf täglicher Basis massiv stoffwechseltechnisch aktiv sind.

Im Gegensatz hierzu trägt die Skelettmuskulatur, obwohl sie etwa 40% des Körpergewichts ausmacht (etwas weniger bei Frauen) nur 28% zum Energieverbrauch im Ruhezustand bei. Im Grunde genommen wird der relativ geringe Kalorienverbrauch pro Kilogramm Muskelmasse durch die schiere Menge der Muskelmasse ausgeglichen. Dies verändert jedoch nichts an der Tatsache, dass der Aufbau von Muskelmasse keinen massiven Einfluss auf den Energieverbrauch im Ruhezustand besitzen wird.

Um dies in eine mathematische Perspektive zu setzen, würde der Aufbau von 10 Kilogramm Muskelmasse den Kalorienverbrauch im Ruhezustand nur um etwa 130 kcal pro Tag erhöhen. Dies wird mit Sicherheit einen Einfluss besitzen (entsprechend etwa 10 bis 15 Minuten moderatem Cardiotrainings pro Tag), doch man sollte auch den zeitlichen Rahmen für einen solchen Muskelaufbau im Hinterkopf behalten. Zu erwarten, dass der Aufbau von etwas Muskelmasse auf kurze Sicht einen massiven Einfluss auf die Stoffwechselrate besitzen könnte, ist ganz einfach unrealistisch – ein paar Pfund mehr Muskelmasse werden ganz einfach keinen großen Unterschied machen.

Stattdessen würde ich erwarten, dass jeglicher reale Einfluss des Aufbaus von Muskelmasse auf die Gleichung der Energiebilanz vom Training, das durchgeführt wird, um einen Aufbau an Muskelmasse anzuregen, und vom Energieverbrauch für den Aufbau der Muskelmasse ausgehen wird. Sobald die Muskelmasse jedoch einmal da ist, ist der von ihr ausgehende Kalorienverbrauch im Ruhezustand sehr gering.

Faktoren, die den Energieverbrauch beeinflussen

Nachdem sie den durchschnittlichen Beitrag unterschiedlicher Gewebetypen des Körpers auf den Energieverbrauch betrachtet hatten, warfen die Wissenschaftler einen Blick auf eine ganze Reihe anderer Themen, von denen ich nur wenige im Detail betrachten werde.

Zuerst wurden Wachstum und Entwicklung behandelt und untersucht, wie sich das Verhältnis des Energieverbrauchs zum Körpergewicht im Verlauf des Lebens verändert. Da es sich bei den meisten, die diesen Artikel lesen, um ausgewachsene Menschen handelt, dürften die Veränderungen, die während der Kindheit und der Pubertät auftreten, nicht so relevant zu sein.

Ein wichtigeres Thema, welches ich als nächstes behandeln werde, ist die Auswirkung der Unterschiede bezüglich der Körpergröße/des Gewichts bei unterschiedlichen Menschen. Wenn man sich zwei Menschen unterschiedlicher Körpermasse ansieht, dann neigen schwerere Menschen im Allgemeinen dazu, relativ zu ihrer Körpermasse einen geringeren Energieverbrauch aufzuweisen. Dies hängt mit größter Wahrscheinlichkeit mit Unterschieden bezüglich des Verhältnisses des Gewichts der Organe (man erinnere sich daran, dass die Organe am meisten zum Energieverbrauch im Ruhezustand beitragen) zum Gesamtkörpergewicht zusammen.

Dies bedeutet Folgendes: im Durchschnitt variiert das Gewicht der Organe bei unterschiedlichen Menschen nicht sehr stark. Wenn eine Person also größer/schwerer als eine andere ist, dann beruht dieser Unterschied wahrscheinlich auf Unterschieden bezüglich der Menge an Muskelmasse oder Fettmasse, welche beide nicht massiv zum Energieverbrauch im Ruhezustand beitragen (und Unterschiede bezüglich der Körperkomposition werden nicht annähernd die Auswirkung besitzen, die von vielen angenommen werden, da der Unterschied bezüglich des Kalorienverbrauchs von Muskel- und Fettmasse relativ gering ist).

Dies bedeutet, dass Gleichungen, die den Energieverbrauch im Ruhezustand lediglich basierend auf dem Körpergewicht abschätzen dazu neigen, den Energieverbrauch bei schwereren Menschen zu überschätzen. Da jedoch alle Abschätzungen des Energieverbrauchs und/oder der Kalorienzufuhr wie im Artikel "Adjusting the Diet" beschrieben wurde, basierend auf den Veränderungen im echten Leben angepasst werden müssen, bin ich mir nicht sicher, wie wichtig dies in der Praxis ist.

Ich sollte vielleicht eine Frage ansprechen, von der ich mir vorstellen kann, dass sie in den Kommentaren gestellt werden wird: woher kommt die schnelle Abschätzung von 22 bis 24 kcal pro Kilogramm Körpergewicht, wenn man die enorme Variabilität des Energieverbrauchs pro Kilo Gewebe berücksichtigt? Und die Antwort lautet, dass es sich im Grunde genommen um einen Durchschnittswert der oben angegebenen Werte handelt. Dies bedeutet, dass man, wenn man die Werte für den Kalorienverbrauch pro Gewichtseinheit mit dem Beitrag zum Gesamtgewicht multipliziert und hiermit weiter rechnet, einen Wert erhält, der sehr nahe am Wert für die schnelle Abschätzung liegt. Dies neigt natürlich dazu, basierend auf dem tatsächlichen Körpergewicht aufgrund der Unterschiede bezüglich des relativen Beitrags eines jeden Gewebetyps zum Gesamtkörpergewicht zu variieren.

Als nächstes betrachteten die Wissenschaftler den Einfluss von sowohl einer Unterernährung als auch eines Refeeds auf den Energieverbrauch im Ruhezustand. Sie hoben hervor, das während der Phase der Unterernährung die Skelettmuskulatur und das Fett im Allgemeinen die Gewebetypen sind, die primär abgebaut werden, während die Organe von einem Abbau verschont bleiben. Dies neigt dazu, das relative Verhältnis des Energieverbrauchs zum Körpergewicht zu erhöhen (da Gewebe mit einem niedrigen Energieverbrauch abgebaut wurde). Bei einer länger andauernden Diät kommt natürlich auch eine adaptive Komponente der Stoffwechselrate mit ins Spiel, da alle Gewebetypen des Körpers dazu neigen, ihren Gesamtenergieverbrauch zu reduzieren.

Im Gegensatz hierzu tritt während des Refeeds häufig ein hypermetabolischer Zustand auf, der wahrscheinlich auf einer Erhöhung der Proteinsynthese, einer Erhöhung der Kerntemperatur des Körpers und der thermischen Wirkung der Nahrung beruht. Darüber hinaus gibt es eine Reihe von hormonellen Effekten, die auftreten, wenn die Kalorienzufuhr erhöht wird, die alle einen potentiellen positiven Einfluss auf den Gesamtenergieverbrauch und die Stoffwechselrate besitzen – ein Thema, das ich im Artikel "The Full Diet Break" näher betrachtet habe.

Zu guter Letzt untersuchten die Wissenschaftler den Einfluss von Krankheiten und Verletzungen auf den Energieverbrauch, was ich im Bezug auf diesen Artikel jedoch nicht für so relevant halte.

Zusammenfassung

Das primäre Ziel dieses Artikels bestand darin, einige veraltete (unglücklicherweise inkorrekte) Ideen bezüglich des Einflusses von Dingen wie der Skelettmuskelmasse und der Fettmasse auf den Energieverbrauch im Ruhezustand zu widerlegen. Basierend auf den zurzeit verfügbaren Daten scheint die Idee, dass die Skelettmuskulatur massive Mengen an Energie verbrennt, zu 100% inkorrekt zu sein.

Stattdessen verbrennt die Skelettmuskulatur in Wirklichkeit pro Kilogramm nur recht wenige Kalorien und besitzt primär aufgrund ihrer schieren Menge einen Einfluss auf den Energieverbrauch im Ruhezustand. Der Aufbau moderater Mengen an Muskelmasse wird deshalb mit großer Wahrscheinlichkeit keinen massiven Einfluss auf den Energieverbrauch besitzen. Wie ich oben bereits angemerkt habe, vermute ich, dass die größte Wirkung von den zur Anregung des Aufbaus von Muskelmasse notwendigen Anstrengungen in Verbindung mit dem Energiebedarf für den Aufbau der Muskelmasse ausgeht. Sobald die Muskelmasse jedoch einmal vorhanden ist, verbrennt sie nicht mehr viele Kalorien.

Stattdessen wird der größte Teil des Energieverbrauchs im Ruhezustand durch die Organe generiert, die trotz ihrer geringen Größe eine massive Menge an Kalorien pro Gewichtseinheit verbrennen. Im Forum hat jemand spaßeshalber die Frage gestellt, wie man eine Hypertrophie der Leber anregt.

Zu guter Letzt verbrennen auch die Fettzellen Kalorien, wenn auch diese Kalorienmenge recht gering ausfällt. Sie verbrennen pro Gewichtseinheit in der Tat nur etwa ein Drittel der Menge an Kalorien, die durch dieselbe Menge an Muskelmasse verbrannt wird (ca. 4,5 kcal/kg vs. 13 kcal/kg). Doch auch wenn die durch das Körperfett verbrannte Menge an Kalorien relativ gering ausfällt, kann sich diese bei Menschen, die viel Fett mit sich herumtragen, aufsummieren und zum Gesamtenergieverbrauch im Ruhezustand beitragen.