Ernährungsphysiologie

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1 Ernährungsphysiologie V04a: Der Energiebedarf des Menschen

2 Grund- und Leistungsumsatz Gesamtenergiebedarf = Energie für Grundumsatz (GU) + Energie für Leistungsumsatz (LU) Grundumsatz: Energie, die innerhalb von 24 h zur Erhaltung wichtiger Körperfunktionen benötigt wird: Atmung Kreislauf (Herztätigkeit) Körpertemperatur Leber, Nieren Gehirn

3 Messung des Grundumsatzes Messen unter Standardbedingungen: - bei völliger Körperruhe - liegend, bei entspannter Muskulatur - mindestens 12 h nach letzter Nahrungsaufnahme - bei Indifferenztemperatur (20-30 C) Untersuchungsmethodik: - Human-Calorimeter nach Atwater-Benedict - Benedict-Roth-Spirometer Messen des Sauerstoffverbrauchs, der Kohlendioxydproduktion, der Wärmeabgabe

4 Atwater-Benedict human calorimeter

5 Einflußfaktoren auf den Grundumsatz (1) Geschlecht: bei Männern GU 10 % höher als bei Frauen (höherer prozentualer Muskelanteil!) Alter: mit zunehmendem Alter nimmt GU ab (Stoffwechselvorgänge verlangsamen sich, geringere Muskelmasse, höherer Fettanteil) t Körperbau: bei großen Menschen GU höher als bei kleinen bei Normalgewicht GU höher als bei Übergewicht Hormone: Schilddrüsenhormone und Adrenalin bei Schilddrüsenüberfunktion ---> erhöhter GU bei Schilddrüsenunterfunktion ---> erniedrigter GU bei Stress ---> erhöhter GU Depression: GU sinkt ( Kummerspeck )

6 Einflußfaktoren auf den Grundumsatz (2) Fieber: GU um 40 % gesteigert (+ 1 C Körpertemperatur ---> + 10 % GU) Schlaf: GU sinkt um 7-10 % (Muskeltonus und Nervensystem weniger aktiv) Fasten: GU kann um bis zu 40 % sinken (Adaptation an geringe Energieaufnahme) Klima: bei Kälte ist GU um ca. 10 % erhöht (kältebedingte, hormonelle Veränderungen) Sportler: höherer GU als Nichtsportler (höhere Muskelmasse = mehr aktive Körpermasse)

7 Richtwerte für den Grundumsatz 4 KJ / kg Körpergewicht / Stunde oder 100 KJ / kg Körpergewicht / Tag

8 Grundumsatz von Frauen und Männer verschiedenen Alters Alter Männer Frauen kj (kcal) kj (kcal) 18 Jahre 7500 (1800) 6700 (1600) 24 Jahre 7100 (1700) 6300 (1500) 42 Jahre 6700 (1600) 6300 (1500) 66 Jahre 6300 (1500) 5900 (1400) 75 Jahre 5900 (1400) 5400 (1300)

9 Gewicht und Energiebedarf g verschiedener Organe

10 Der Leistungsumsatz des Menschen für weitere Leistungen wird Energie benötigt: Muskelarbeit (Arbeits- und Freizeitumsatz) geistige Tätigkeit Wachstum Schwangerschaft Stillzeit Verdauungstätigkeit Wärmeregulation

11 Respirations-Kalorimeter nach Atwater

12 Leistungsumsatz bei speziellen Tätigkeiten Sitzen und Schreiben 2,1 KJ/min Gehen: mit 4 km/h 5,4 KJ/min mit 4 km/h + 20 kg 22,0 KJ/min Laufen mit 9 km/h 42,0 KJ/min Radfahren mit 10 km/h 8,4 KJ/min mit 15 km/h 13,4 KJ/min PKW-Fahren 3,0 KJ/min Schwimmen: Brust mit 20 m/min 19,0 KJ/min Kraulen mit 50 m/min 58,0 KJ/min Tanzen 25,0 KJ/min Skilaufen (Langlauf) 35,0 KJ/min Fensterputzen 16,3 KJ/min

13 Durchschnittswerte für den Leistungsumsatz Mittelschwerarbeiter kcal Schwerarbeiter kcal Schwerstarbeiter kcal

14 Untersuchungsmethodik der Leistungsumsatz-Messung mit steigendem Leistungsumsatz: steigt der Sauerstoffverbrauch steigt die Bildung von Kohlenstoffdioxid steigt die Wärmeabgabe

15 Zusatzinformationen Überleben im kalten Wasser: 0 C min 10 C 1-2 h 15 C 6-8 h Verdauungstätigkeit: it für den Ab- und Umbau von Nährstoffen wird Energie benötigt ---> ca % der gesamten Nahrungsenergieaufnahme g ---> Energieverlust durch Verdauung und Stoffwechsel ---> spezifisch-dynamische Wirkung (SDW) ist abhängig von der Nahrungszusammensetzung: nach Kohlenhydrataufnahme: 5-9 % nach Fettaufnahme: 3-4 % nach Proteinaufnahme: %

16 Beispiel für die Berechnung des Gesamtenergiebedarfs Studentin, 20 Jahre, 60 kg GU 6000 KJ (1500 kcal) Arbeitsumsatz 1400 KJ (350 kcal) Freizeitumsatz 800 KJ (200 kcal) SDW (12 %) 1100 KJ (275 kcal) gesamt 9300 KJ (2325 kcal)

17 Beispiel für Soll-Energieverbrauch im Tagesverlauf Energiev verbrauc ch [kcal/2 h] LU = 900 kcal/24 h GU = 1600 kcal/24 h Tageszeit LU GU

18 Beispiel für IST-Energieverbrauch im Tagesverlauf Energiev verbrauc ch [kcal/2 h] LU = 500 kcal/24 h GU = 1600 kcal/24 h Tageszeit LU GU

19 Richtwerte für die Energiezufuhr Energiezufuhr = Grundumsatz + Leistungsumsatz >> Energiezufuhr = PAL x Grundumsatz (PAL = physical activity level; Mehrfaches des GU) PAL A: ausschließlich sitzende Tätigkeit 1,2 (z.b. alte, gebrechliche Menschen) B: A mit wenig o. keiner anstrengenden Freizeitaktivität ,4-1,5 (z.b. Büroangestellte) C: sitzende, zeitweilig auch gehende o. stehende Tätigkeit 1,6-1,7 (z.b. Laboranten, Kraftfahrer, Studierende, Ärzte) D: überwiegend gehende o. stehende Tätigkeit 1,8-1,9 (z.b. Hausfrauen, Kellner, Handwerker) E: körperlich anstrengende berufliche Arbeit 2,0-2,4 (z.b. Landwirte, Bauarbeiter, Leistungssportler, Waldarbeiter)

20 Richtwerte für die tägliche Energiezufuhr nach Geschlecht und Alter kcal/tag Männer Frauen M 4-12 M 1-3 J 4-6 J 7-9 J J J J J J J >= 65 J Alter DACH-Referenzwerte; Kontrollparameter ist das aktuelle Körpergewicht

21 Energiebedarf im Alter und im hohen Alter MJ Leistungsumsatz Grundumsatz 0 Frauen 73 Frauen Männer 73 Männer Alter [Jahre] Rothenberg EM, J Nutr Health & Aging 6 (2002);

22 Die Energiebilanz chronisch positive Energiebilanz --> Übergewicht ausgeglichene Energiebilanz --> Gewicht konstant chronisch negative Energiebilanz --> Untergewicht

23 Die Energiebilanz

24 Der Eintritt des "Energiekonservierungsphänotyps" in die quantitative "Genomfalle" Paläolithikum Generationen zwischen Mangel und Überfluß (feast and famine) Neolithikum 300 Generationen in weitgehender Konstanz der Energieversorgung Moderne 2-3 Generationen im Energieüberfluß ernährungsabhängige/-bedingte b Erkrankungen k

25 Der Eintritt des "Energiekonservierungsphänotyps" in die quantitative "Genomfalle" " Energieaufnahme Energieverbrauch Spezies Gewicht RMR TEE Ratio phys. Akvität kg kcal kcal TEE/RMR kcal Primaten (n-m) ca. 35 ca ca ca. 500 Australopithecus ca. 37 ca ca ca. 670 Homo habilis ca. 48 ca ca ca. 980 Homo erectus ca. 53 ca ca ca Homo sapiens (früh) ca. 57 ca ca ca rez. Jäger/Sammler ca. 53 ca ca ca Homo s. sapiens ca. 70 ca ca ca. 300 Bürokraft Läufer (12km/Tag) ca. 70 ca ca ca. 1100

26 Paläolithikum Generationen zwischen Mangel und Überfluß (feast t and famine) )

27 Neolithikum 300 Generationen in weitgehender Konstanz der Energieversorgung

28 Moderne 2-3 Generationen im Energieüberfluß

29 Der Eintritt in die qualitative "Genomfalle" Paläolithikum Generationen zwischen Mangel und Überfluß (feast and famine) Moderne 2-3 Generationen im Energieüberfluß % der Energie % der Energie mageres Wild Geflügel Eier Fisch Cerealien Milch/-produkte isolierte KH isolierte Fette/Öle Alkohol 50 Fü Fleisch Früchte 50 Geflügel Gemüse (Wurzeln) Fisch Nüsse Honig Früchte Gemüse Leguminosen 0 0

30 Markanteste Veränderungen der "Ernährungsumwelt" in der Hominidenentwicklung rel. Veränderung Energieaufnahme Energieverbrauch Nährstoffdichte primäre pathogenetische Faktoren Fett (u.a. n-6:n-3) Paläolithikum Generationen Neolithikum 300 Generationen Moderne 2-3 Generationen

31 Adipositas: Veränderungen seit Prävalenz: hat in allen Industrieländern weiter zugenommen 2. Energiezufuhr: Abnahme um durchschnittlich -750 kcal/tag Ursache: fettärmere Lebensmittel, gesunde Ernährung 3. Energieverbrauch: Abnahme um durchschnittlich -800 kcal/tag Ursache: weniger Bewegung am Arbeitsplatz und in der Freizeit, gestiegener TV-Konsum (~3 h/tag) 4. Resultat: positive Energiebilanz: + 50 kcal/tag 365 Tage x 50 kcal = kcal/jahr entspricht dem Energiegehalt von 2 kg Körperfett/Jahr

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33 Übergewicht und Adipositas im Kindes- und Jugendalter - KiGGS-Daten (Kinder- und Jugend-Gesundheitssurvey) 25,0 20,0 Jungen übergewichtig adipös Mädchen Prävale enz [%] 15,0 10,0 5,0 0,0 11,3 90 9,0 11,6 8,1 8,9 9,0 64 6,4 6,0 7,0 7,0 8,2 8,9 7,3 5,7 2,5 3, Altersgruppe (Jahre)

34 Prävalenz von Übergewicht und Adipositas bei Einschulungsuntersuchungen [nach Koletzko, 2004 und Kromeyer-Hauschild, 2005] 15,0 12,5 Übergewicht Adipositas Prävalen nz [%] 10,0 7,5 5,0 2,5 0, Bayern Nordrhein-Westfalen Zunahme übergewichtiger Kinder: 0,3 %/Jahr Zunahme adipöser Kinder: 0,1 %/Jahr

35 Begleit- und Folgeerkrankungen Murnauer Komorbidätsstudie ( ) n = 520 Kinder und Jugendliche mit Adipositas it 6 % Störungen im Glukosestoffwechsel 1%Typ-2-Diabetes 35 % metabolisches Syndrom (Hypertonie, Lipidämien, Hyperurikämie) 30 % Steatosis hepatis (Fettleber) 2 % Gallensteine 35 % orthopädische Folgestörungen Unzufriedenheit; erhebliche Störungen der psychosozialen Entwicklung und der Lebensqualität; verminderte körperliche Leistungsfähigkeit; Probleme bei der Partnersuche; etc. Hurrelmann: Kinder haben heute mehr und mehr Erwachsenenkrankheiten [Wabitsch, 2004]

36 Übergewicht (BMI > 90 Perz.) und soziale Schicht (Jugendgesundheitssurvey) 15,0 12,5 Mädchen Jungen Prävalenz in % 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 I II II IV V hoher Wohlstand niedriger Wohlstand Kolip, 2004 soziale Schicht nach family affluence scale; n = 5650; 11-15jährige Schüler/innen

37 Übergewicht in Deutschland nach Mikrozensus (BMI > 25) [1999, 2003, 2005, 2009; n ~ ] 80 Männer 1999 Männer 2003 Männer Männer Frauen 1999 Frauen 2003 Frauen 2005 Frauen >75 Statistisches Bundesamt, 2000, 2004, 2006 und 2009

38 Adipositas in Deutschland nach Mikrozensus (BMI > 30) [1999, 2003, 2005 und 2009; n ~ ] Prä ävalenz mit BMI >30 [%] 25 Männer 1999 Männer Männer 2005 Männer 2009 Frauen 1999 Frauen 2003 Frauen 2005 Frauen >75 Statistisches Bundesamt, 2000, 2004, 2006 und 2009

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40 Häufigkeit von Adipositas [WHO: Obesity and overweight Fact Sheet] Adipositas hat weltweit epidemische Ausmaße erreicht. ( die erste globale Epidemie des 21. Jahrhunderts ) Weltweit sind: > 1 Mrd. Menschen übergewichtig (0,8 Mrd. leiden Hunger), ~ 300 Mio. Menschen e adipös, ~ 22 Mio. Kinder < 5 Jahren sind übergewichtig oder adipös. In Europa haben Kinder ein metabolisches Syndrom. In USA hat sich seit 1980 sich die Zahl - übergewichtiger g Kinder verdoppelt, - übergewichtiger Jugendlicher verdreifacht. Adipositas verursacht schon heute ca. 5-7 % aller Krankheitskosten.

41 Die Evolution der Hominiden ca. 300 Generationen ca Generationen heute Jahre Jahre Jetztzeiternährung Agrarproduktion/Domestikation > relative Nahrungssicherheit ca Generationen Jahre ca Generationen Jahre Jäger/Sammlerkulturen > Adaptation an Phasen des Hungers Jahre ca Generationen Jahre Jahre nach Daniel, TU-München

42 Gene und Adipositas Unsere Gene wurden unter den evolutionären Bedingungen der Vergangenheit geprägt, nicht unter denen der Neuzeit. Effektive Energiespeicherung stellte dabei einen wichtigen Überlebens- und Fortpflanzungsvorteil dar. (Fast) Alle Menschen haben die Fähigkeit, Energiedepots bzw. neue Fettzellen zu bilden und mit Fett zu füllen. Unsere Gene sind darauf eingerichtet, Situationen des Hungers und Mangels, nicht aber der Überernährung, e zu bewältigen. >> Übergewicht und Adipositas sind in Zeiten mit Nahrungsüberfluss und Bewegungsmangel als Normalzustand anzusehen, wenn nicht bewusst gegengesteuert t wird. >> Adipositas ist weniger als (stigmatisierende) Krankheit sondern als eine natürliche physiologische Reaktion auf eine chronisch-positive Energiebilanz anzusehen.

43 Ernährung, Lifestyle und Evolution Die körperliche Aktivität und auch der Energiebedarf waren früher 1,5 2 mal höher als heute. Wir essen heute viel weniger und andere Lebensmittel als die Evolution für unsere Biochemie vorgesehen hat. Der Energiegehalt einer Speise/eines Lebensmittels ist für den Organismus nicht erkennbar, lediglich li das Volumen. Wir haben eine angeborene Schwäche, Lebensmittel mit hoher Energiedichte egedc zu uerkennen. e e Mit Getränken aufgenommene Kalorien werden beim Verzehr fester Lebensmittel kaum kompensiert und beeinflussen auch nicht den Grad der Sättigung (DelaValle ll et al., 2005; Ludwig et al., 2004, Almiron-Roig und Drewnowski, 2003). >> Sättigungsmechanismen funktionieren nur eingeschränkt.

44 Regulation des Körpergewichts. Genotyp und permanente äußere Einflüsse bestimmen die Bandbreite, innerhalb der das Körpergewicht durch Veränderungen von Energieaufnahme und -abgabe homöostatisch reguliert wird Langhans (2010)

45 Die adipogene Umwelt (WHO: obesogenic environment ) Sport & Freizeit unzureichender Schulsport zu wenig Spiel-/Boltzplätze innerhäusliches, passives Entertainment unsichere Straßen zu wenig sichere Radwege Familie Genetische Prädisposition übergewichtige Eltern keine oder kurze Stillzeit i unzureichende Kenntnisse über Gesundheit, Lebensmittelkenntnisse und -zubereitung Adipogene Umwelt energiedichte Lebensmittel gefördert durch: Werbung niedrige i Preise super-sizing Snacks, Softdrinks Sponsoring (z.b. Fußball-WM) Außer-Haus-Verzehr Bildung & Information Defizite im Unterricht: Lebensstil Gesundheit Ernährung Kochen Kulturelle Überzeugungen [IOTF, 2004]

46 Diskrepanz zwischen von Fachgesellschaften empfohlenen und den beworbenen Lebensmitteln Einfluss der Werbung für (Kinder)-Lebensmittel (Hastings et al 2003; Becker et al 2005; IOM 2005)

47 Informationsgesellschaft 1 Generation in der Computer- und Medienwelt

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