Du willst abnehmen? Atme!

Du willst abnehmen? Atme!

Claudio Viecelli
Claudio Viecelli
Zürich, am 06.01.2021
Mitarbeit: Patrick Bardelli
Die Lust nach Veränderung: Das neue Jahr nehmen viele Menschen zum Anlass, gute Vorsätze zu fassen. Einer davon lautet: «Ich will abnehmen.» Was passiert dabei in unserem Körper?

Abnehmen ist im Prinzip ganz simpel. Du verlierst Körpermasse, wenn du weniger Energie zuführst, als du verbrauchst. So weit, so gut. Angenommen, du setzt deinen guten Vorsatz um und verlierst dieses Jahr zehn Kilogramm Fettmasse. Wo sind diese zehn Kilo hin?

Wieso Asche gleich schwer ist wie Holz: Die Masse bleibt erhalten

Der französische Forscher Antoine Lavoisier führte im 18. Jahrhundert die ersten quantitativen chemischen Experimente durch. Er experimentierte mit Verbrennungs- und Atmungsreaktionen. Dabei wog er die Ausgangsstoffe und die Endprodukte in seinen chemischen Reaktionen und versiegelte die Glasgefässe, in welchen die Reaktionen abliefen, damit kein Gas entwich. So konnte er zeigen, dass Materie ihren Zustand zwar ändern konnte, die Gesamtmasse dieser Materie am Ende aber dieselbe war wie zu Beginn der Reaktion. Wir kennen dies als Massenerhaltungsgesetz.

Das bedeutet: Wenn du ein Stück Holz zu Asche verbrennst, weisen die Asche und die durch die Verbrennung anfallenden Gase dieselbe Masse auf wie das Stück Holz vor der Verbrennung. Weiter erkannte Lavoisier, dass sowohl die Verbrennung als auch die Atmung der Luft Sauerstoff entziehen. Bei beiden Reaktionen wird zudem Kohlendioxid (CO₂) gebildet. Der Verbrauch von Sauerstoff mit gleichzeitiger Produktion von Kohlendioxid brachte ihn zur Annahme, dass das eine an der Produktion des anderen beteiligt sein musste.

Er schlussfolgerte ebenfalls, dass die menschliche Atmung eine langsame Form von Verbrennung darstellt. In der Biologie oder Medizin verwenden wir für einen Verbrennungsprozess das Wort Oxidation. Da nun Tiere sowie der Mensch im Ruhezustand gleich viel Wärme erzeugen wie sie abgeben, ist das Massenerhaltungsgesetz anwendbar.

Im 19. Jahrhundert führte Justus Liebig Tierversuche durch und bemerkte, dass Proteine, Kohlenhydrate und Fette im Körper oxidiert werden. Später konnte bewiesen werden, dass der Sauerstoffverbrauch das Ergebnis des Stoffwechsels unserer Zellen ist. Zur selben Zeit wurden die Hauptenergiewerte bestimmter Lebensmittel wie Proteine, Kohlenhydrate und Fette ermittelt, die wir heute verwenden, um die Kalorienwerte zu berechnen. So produzieren Kohlenhydrate und Proteine ungefähr 4 kcal pro Gramm, während Fett bis zu 9 kcal Energie pro Gramm erzeugen kann.

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Unsere Nahrung: nicht einmal fünf Prozent aller Elemente

Vielleicht kennst du aus der Schule noch das Periodensystem oder weisst, dass 118 Elemente und deren chemische Eigenschaften bekannt sind. Schätze mal, aus wie vielen Elementen unsere Nahrung wie Proteine, Kohlenhydrate oder Fette bestehen. Was denkst du? Proteine bestehen aus Aminosäuren, welche aus maximal fünf Elementen zusammengesetzt werden. Dabei handelt es sich um Stickstoff (N), Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Sauerstoff (O) und Schwefel (S).

Kohlenhydrate sind noch einfacher aufgebaut. Sie bestehen aus lediglich drei Elementen: Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Die unterschiedliche Verknüpfung dieser Elemente ergibt die unterschiedlichen Zuckerarten wie Fruktose, Glukose oder Laktose. Auch Fette sind aus denselben drei Elementen aufgebaut. Sowohl bei Proteinen, Kohlenhydraten und Fetten kommen die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff vor.

Das Sudoku der Chemiker: Stöchiometrie

Fette können in verschiedenen Formen und Zusammensetzungen auftreten. Im Körper werden sie meist als dreiteilige Moleküle in Fettzellen, sogenannten Adipozyten gespeichert. Die Fettmoleküle in den Adipozyten bestehen im Durchschnitt aus 55 Kohlenstoffatomen, 104 Wasserstoffatomen und 6 Sauerstoffatomen. Chemiker brauchen hierzu die Formel C₅₅H₁₀₄O₆.

Wir wissen, dass eine Verbrennung oder Oxidation Sauerstoff benötigt sowie Wasser (H₂O) und Kohlendioxid (CO₂) produziert. Wenn nun Chemiker diese Oxidationsreaktion aufschreiben, lautet diese: C₅₅H₁₀₄O₆ + O₂ -> H₂O + CO₂.

Links des Reaktionspfeils, der die Reaktionsrichtung andeutet, stehen die Ausgangsstoffe, rechts davon die Produkte. Da die Massenerhaltung auch beim Menschen gilt, muss also links und rechts die gleiche Anzahl an Atomen vorkommen. Dieser quantitative Ausgleich der Atome wird Stöchiometrie genannt. Wenn du magst, kannst du dich an dieser Gleichung versuchen und berechnen, wie viele Sauerstoffmoleküle benötigt werden und wieviel Wasser sowie Kohlendioxid auf der rechten Seite produziert wird. Überspring dazu einfach den nächsten Abschnitt und hinterlasse dein Resultat in der Kommentarspalte.

Damit die Massenerhaltung erfüllt ist, müssen für die Oxidation eines Fettmoleküls 78 Moleküle Sauerstoff aufgewendet werden. Auf der rechten Seite werden 52 Moleküle Wasser und 55 Moleküle Kohlendioxid produziert. Die korrekte Reaktionsgleichung lautet: C₅₅H₁₀₄O₆ + 78 O₂ -> 52 H₂O + 55 CO₂.

Und wieso sollte dich das jetzt interessieren? Wieso so viel Biochemie? Nun, erinnere dich an die Ausgangsfrage: Wohin verschwinden die Fettmoleküle, wenn du an Fettmasse verlierst? Die Antwort liegt vor dir.

The Missing Link: die Verknüpfung

Unser Körper braucht Sauerstoff und Nahrung, um zu leben. Die Nahrung ist chemische Energie, die wir mit Hilfe von Sauerstoff in andere Energieformen umwandeln, um uns beispielsweise zu bewegen oder Wärme zu erzeugen. Mit jedem Atemzug bringst du Luft in deine Lungen. Dieser Luft wird der Sauerstoff entzogen, welcher in unseren Zellen benötigt wird, um die Oxidationsreaktion anzutreiben. Für diese Reaktion brauchst du Sauerstoff (O₂) und produzierst Kohlendioxid (CO₂).

Kohlendioxid besteht aus einem Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatomen. Kohlendioxid ist also schwerer als Sauerstoff. Woher kommt das Kohlenstoffatom? Natürlich, aus unserer Nahrung. Sie ist chemische Energie, die langsam oxidiert und in andere Energieformen umgewandelt wird. Bei jedem Ausatmen atmest du Kohlendioxid aus und wirst um ein paar Kohlenstoffatome leichter. Diese Kohlenstoffatome kommen aus deiner Nahrung.

Wenn du deinen Neujahrsvorsatz umsetzen und bewusst an Körpermasse verlieren möchtest, kannst du dies auf drei Arten erreichen: Durch eine Erhöhung des Energieumsatzes mit mehr körperlicher Aktivität, durch eine Reduktion der zugeführten Energie oder mit einer Kombination von beidem. Oder anders gesagt: Iss weniger, atme mehr.

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Claudio Viecelli
Claudio Viecelli

Biologe, Zürich

Molekular- und Muskelbiologe. Forscher an der ETH Zürich. Kraftsportler.

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