Van alle energie die een gemiddelde Nederlander gebruikt is ongeveer 10% (afhankelijk van de soort voedsel) nodig om voedsel te verwerken. Het grootste gedeelte, 50 tot 70 % is nodig voor het dagelijks onderhoud van je lichaam: het basaal metabolisme. Een groot lijf gebruikt meer energie dan een klein lichaam. Daar kun je niet veel aan veranderen. Ook de hoeveelheid energie die je gebruikt voor opname en vertering van je voedsel is maar beperkt te beïnvloeden. Het deel van het energiegebruik dat je het eenvoudigst kunt manipuleren is de lichamelijke inspanning.
Gemengde brandstof
Om te weten hoe spieren met energie omgaan moet je weten hoe die energie wordt opgeslagen en ‘bewerkt’. De bewerking gebeurt in de mitochondria (zie kader), waar een cel ATP maakt uit verschillende grondstoffen. Die grondstoffen kunnen bestaan uit vetdruppels of glycogeenkorrels (een verwerkte vorm van glucose en andere koolhydraten). Welke grondstof wordt gebruikt, dat maakt een spier of de mitochondria in principe niet uit. Als er voldoende zuurstof is en er zijn vetzuren dan wordt in de mitochondria ATP gevormd uit vetzuren, is er voldoende glucose beschikbaar dan wordt datzelfde ATP net zo makkelijk uit glucose gemaakt . Meestal gedraagt een spier zich als een echte hybride: hij loopt op een mengsel van verschillende brandstoffen.
De verhouding waarin glucose en vetzuren bijdragen aan de totale energieleverantie is afhankelijk van het aanbod, maar ook van de inspanningsintensiteit en van de mate van training van de betreffende spier. In rust of tijdens inspanning op een lage intensiteit gebruiken de spieren vrijwel uitsluitend vetzuren. Tijdens inspanning op (bijna) maximale intensiteit gebruikt de actieve spier vrijwel uitsluitend glucose als energiebron.
Goed getrainde mensen kunnen bij een hogere inspanning nog steeds veel energie uit vetzuren halen. Neem bijvoorbeeld de wielrenner Lance Armstrong. Als die met de schrijvers van dit stukje dezelfde berg op fietst, ieder voor zich op maximale snelheid, dan zullen allen vrijwel 100% van de benodigde energie halen uit glucose. Lance fietst dan, zeg 36 km/u, en wij hooguit 20 km/u. Fietsen we naast elkaar met 20 km/u de berg op, dan draaien wij op glucose en Lance op vetzuren.
De tank
De opslagcapaciteit van glucose in het lichaam is beperkt. Het wordt opgenomen uit koolhydraatrijke maaltijden en wordt opgeslagen als een keten van meerdere glucosemoleculen aan elkaar: glycogeen. Glycogeen wordt opgeslagen in de lever en in mindere mate ook in spieren. Het voordeel van opslag in de lever is dat die het glycogeen weer kan splitsen in glucose, dat vervolgens via het bloed naar de plekken kan worden gebracht waar het op dat moment nodig is. In totaal kan het lichaam slechts 700 tot 800 gram glycogeen opslaan.
Ook de bulk van de vetzuren komt het lichaam binnen via de voeding. Ze worden in ons lichaam opgeslagen in vetweefsel en in vetdruppeltjes in verschillende organen, in de gezonde situatie vooral in de spieren. De lever kan glucose ook omzetten in vetzuren, die vervolgens ook in het vetweefsel of in organen worden opgeslagen.
Bloed en brein zijn kieskeurig
Waar bijna alle cellen hun energie uit vet of glucose kunnen halen, zijn rode bloedlichaampjes en zenuwcellen, zoals die in de hersenen, kieskeurig. Die draaien uitsluitend op glucose. Vanwege de vitale rol van het centrale zenuwstelsel en de hersenen voor ons functioneren is het essentieel dat er voldoende glucose beschikbaar blijft in het bloed. Wanneer de hoeveelheid glucose in het bloed te ver daalt (hypoglycemie) ga je bijvoorbeeld wazig zien en vermindert je denkvermogen.
Gebrek aan glucose vermindert het denkvermogen. Was dat wellicht de reden dat schaatser Hilbert van der Duim in een legendarische 5.000 meter op het WK in 1981 het laatste rondje vergat?
De hoeveelheid glucose in het bloed wordt onder andere beïnvloed door het hormoon insuline uit de alvleesklier. Insuline stimuleert de opname van bloedglucose in onder andere de skeletspieren, waar het als energiebron aan de mitochondria wordt aangeboden om de ATP-niveaus op peil te houden. Daardoor komt (of blijft) er niet te veel glucose in omloop. Wanneer er lange tijd te veel glucose in het bloed circuleert (hyperglycemie) gaat een deel van de glucosemoleculen zich binden aan andere eiwitten. Die eiwitten werken dan niet meer naar behoren, wat kan leiden tot zogenoemde glucotoxiciteit. Een gezond lichaam zal er [dus] altijd naar streven om langdurige perioden van zowel hyperglycemie als hypoglycemie te voorkomen.
Insuline remt ook de afbraak van leverglycogeen, zodat er niet langer glucose vanuit de lever aan het bloed wordt afgegeven wanneer er ook al glucose vanuit de voeding in het bloed komt. Als je langdurig niet eet en dus in een zogenoemde ‘gevaste toestand’ komt, dan daalt de insulinespiegel, en stijgt die van het hormoon glucagon. Glucagon haalt de rem van de afbraak van leverglycogeen en stimuleert de glucoseafgifte uit de lever om de hersenen te kunnen laten draaien. De andere organen, waaronder de spieren, moeten het in de gevaste toestand hoofdzakelijk met vetzuren doen. Je zou dus kunnen zeggen dat de hersenen wat egoïstisch zijn als het aankomt op het verdelen van de beschikbare energie, maar met reden. Immers: als je hersenen niet voldoende energie krijgen houdt alles op. Insuline remt ook het vrijmaken van vetzuren uit het vetweefsel. In gevaste toestand valt ook die rem weg en worden er vanuit het vetweefsel weer meer vetzuren afgegeven aan het bloed.
Een gezond lichaam streeft er dus naar om sterke en langdurige fluctuaties van zowel glucose- als vetzuurspiegels te voorkomen. Daarvoor is een nauwkeurig samenspel nodig tussen spieren, lever en het vetweefsel. Al die weefsels (de spieren, de lever en het vetweefsel) moeten goed reageren op insuline. Anders gezegd: hun insulinegevoeligheid is belangrijk. Daarnaast is ook het vermogen van de spieren om tussen de verschillende grondstoffen (vetzuren en glucose) als energiebron te kunnen wisselen essentieel. Samen met de mogelijkheid van de mitochondria om te kunnen wisselen van energiebron op basis van beschikbaarheid en vraag staat dit bekend als de metabole flexibiliteit.
Mitochondria: energie uit inwonende bacteriën
Elektronenmicroscopische opname van een spiervezel, met daarin duidelijk zichtbaar (als ‘klonten’) de mitochondria.
Prof. dr. Peter Huijing en dr. Guus Baan, Faculteit Bewegingswetenschappen, VU
De energie voor beweging wordt in zijn meest elementaire vorm geleverd door kleine, rimpelige orgaantjes in onze cellen: mitochondria. Als je die mitochondria onder de microscoop bekijkt lijken ze wel een beetje op bacterien. Ze hebben zelfs hun eigen DNA, los van het genetisch materiaal dat ook in de celkern van onze lichaamscellen zit. Die overeenkomst was ook de Amerikaanse biologe Lynn Margulis opgevallen. Zij schreef in 1970 een baanbrekend boek: On the origin of eukaryotic cells. Daarin beschrijft zij als eerste dat mitochondria van oorsprong zelfstandig levende bacterien waren, die op een gegeven moment in de evolutie permanent zijn gaan samenleven met ‘prokaryote cellen’, die nog geen eigen celkern of mitochondria hadden. Het is een essentiele bijdrage gebleken aan het begrip van de celbiologie; eentje die met recht een Nobelprijs waard was. Helaas overleed Margulis in 2011. Het Nobelcomite heeft als principe dat ze alleen prijzen uitkeert aan levende wetenschappers. Veel biologen zien dit dan ook als een jammerlijk gemiste kans.
Getrainde spieren zijn flexibeler
Al met al zijn de energiefabriekjes in een spiercel niet zo kieskeurig. De mitochondria hebben verschillende manieren om aan hun grondstof voor ATP te komen. Toch zitten er wel verschillen tussen de ene cel en de andere, anders gezegd tussen een flexibel mitochondrion en een minder flexibel exemplaar. Spieren met mitochondria met een hoge metabole flexibiliteit maken het mogelijk om de keuze van de ‘grondstof’ optimaal af te stemmen op de energievraag. Door regelmatige duurtraining kun je de metabole flexibiliteit van mitochondria opvoeren. Hierdoor worden de beschikbare substraten optimaal gebruikt. Het hogere doel: zo lang mogelijk voldoende glucose ter beschikking houden voor de ‘egoïstische’ hersenen.
Vanuit gezondheidsperspectief heeft een goede metabole flexibiliteit nog een ander belangrijk voordeel. Als mitochondria goed kunnen wisselen tussen glucose of vetzuren als energiebron dan kunnen ze daarmee bijdragen aan het voorkomen van extreme schommelingen in glucose en vetzuurspiegels in het bloed. Spieren met flexibele mitochondria dragen dus bij aan het voorkomen van hyperglycemie, een van de problemen waarmee patiënten met type II-diabetes te kampen hebben. Bovendien draagt een goede metabole flexibiliteit bij aan het reduceren van circulerende vetten in het bloed en daarmee aan het voorkomen van aderverkalking.
Minder eten en vooral meer bewegen
Bij het bestrijden van overgewicht, of de overtreffende trap: obesitas, draait het doorgaans om het meest in het oog springende probleem: de lichaamsomvang. En het moet gezegd: iemand die in staat is om succesvol gewichtverlies te bereiken, en vervolgens dat nieuwe lagere lichaamsgewicht ook weet te behouden, heeft minder kans op kwalen dan toen hij of zij nog te zwaar was.
Obese mensen hebben nog een ander, onzichtbaar probleem: een afgenomen metabole flexibiliteit. Sterker nog, nog voordat zij duidelijk merkbare problemen krijgen met hun overgewicht, hebben ze al een lagere metabole flexibiliteit. Die lage flexibiliteit lijkt dan ook een van de oorzaken van de andere problemen die met obesitas samenhangen, zoals diabetes of hart- en vaatproblemen. Het blijkt ook zo te zijn dat de symptomen van mensen met obesitas of type II-diabetes afnemen wanneer zij onder invloed van een bewegingsprogramma hun metabole flexibiliteit weten te verbeteren, zelfs zonder dat zij ook maar één kilo vet verliezen.
Vergroting van de metabole flexibiliteit bereik je niet door alleen maar af te vallen. Programma’s waarbij een dieet wordt gecombineerd met regelmatige beweging blijken wél een verbeterde, metabole flexibiliteit te geven. Gewichtsverlies bij mensen met obesitas is dus een mooi doel, maar dan liefst wel in combinatie met frequente lichamelijke inspanning.
Pil in plaats van sport
De eerste sporen van menselijke bewoning binnen onze landsgrenzen dateren van ongeveer 250.000 jaar geleden en zijn te vinden in de groeve Belvédère in Maastricht. In die tijd moesten we als mens nog echt op jacht naar voedsel. Tegenwoordig zit op deze plek een binnenhaventje met leuke restaurantjes waar je zonder enige inspanning heerlijk en overvloedig kunt eten. In de afgelopen 250.000 jaar is er dus veel veranderd in de manier waarop de mens aan zijn voedsel komt. Aan de mens en met name aan zijn erfelijk materiaal is in dezelfde tijdspanne maar betrekkelijk weinig veranderd. De mens moest lange perioden kunnen doorstaan waarin er geen of maar een beperkte hoeveelheid voedsel aanwezig was, en hij moest goed kunnen jagen om voedsel te krijgen. De mens was een langzame jager met duurvermogen.
Zowel een langdurige jacht als een beperkte voedselinname vragen om het gebruik van een energiebron waar we relatief veel van hebben, zoals opgeslagen vet. Om de energie die in vet zit goed te kunnen gebruiken zijn veel mitochondria nodig die goed overweg kunnen met vet als substraat. De genen inspandie coderen voor eiwitten die er vervolgens voor zorgen dat we veel van dit soort mitochondria krijgen zijn nog steeds vrijwel ongewijzigd aanwezig in het menselijk genoom. Een van die eiwitten is PGC1α. De aanmaak van PGC1α kun je stimuleren door lichamelijke inspanning én door een lage calorische voedselinname; manieren dus die 250.000 jaar geleden met enige regelmaat moesten worden geactiveerd om in leven te blijven.
Nu hongergevoel en zware inspanning geen dagelijks gegeven meer zijn en ook zeker niet meer door iedereen worden gewaardeerd, zoeken wetenschappers over de hele wereld naar een pil die het effect van inspanning en weinig eten kan nabootsen. Een stof die potentieel in zo’n pil terecht zou kunnen komen is resveratrol, een stof die vooral in de schil van druiven voorkomt, en daarmee (in lage concentraties) in rode wijn. Proefdieronderzoek en recent ook onderzoek met mensen laat zien dat een pil waar je het resveratrol-equivalent van 10 liter rode wijn in stopt effecten kan bewerkstelligen die lijken op die van duurinspanning of een laag calorisch dieet. Het is intrigerend om te zien dat deze effecten min of meer langs dezelfde routes lopen als 250.000 jaar geleden.
Bewegen beperkt vet
Voldoende beweging zorgt voor spieren die langer op vet kunnen lopen. Door het verlagen van de hoeveelheid vet ‘in de tank’ en in de bloedbaan, draagt beweging bij aan het reduceren van de risico’s op hart- en vaatziekten.
Zo’n toekomstige pil lijkt goed nieuws voor de Bourgondisch levende stilzitters onder ons, en vooral voor zijn of haar mitochondria die vervolgens beter op vetzuur kunnen draaien. Maar dit betekent niet dat een pilletje kan dienen ter vervanging van lichamelijke activiteit als middel om het ziekterisico te beperken. Op verschillende plekken in dit cahier wordt uitgelegd dat er tijdens lichamelijke inspanning nog talloze (deels onbegrepen) processen plaatsvinden die meetbaar positieve effecten hebben op hersenfunctie, hartfunctie, op de bloedvaten, op het spier- en skeletsysteem en wat al niet meer. Een pil die alle effecten van lichamelijke inspanning nabootst lijkt dus ver achter de horizon te liggen. Dat is misschien maar goed ook.