Energieumsatz des Menschen: Berechnung, Beispiel & Faustregel

4.
Grundlagen des Stoffwechsels

4.1 Energieumsatz des Menschen

Thermodynamisch gesehen ist der Mensch
ein offenes System (siehe Klasse 11),
das Energie und Materie mit der Umgebung austauscht. Leben bedeutet
in diesem physikalisch-chemischen Sinn die Aufrechterhaltung des
dynamischen Gleichgewichts (Homöostase).
Dies setzt einen konstanten Substanz- und Energiefluß voraus,
der im Wesentlichen durch die Nahrung gewährleistet
wird. Dabei liefert die Nahrung sowohl Materie als auch Energie.

Aus einem Teil der körperfremden
Substanz werden körpereigene Stoffe aufgebaut (= Assimilation),
ein anderer Teil wird zur Energielieferung oxidiert (= Dissimilation).

Es soll nun besprochen werden, welche
Nahrungsformen in welcher Menge und warum zugeführt werden
müssen, welchen Weg sie durch den Körper nehmen und welche
Bedeutung und Funktion sie im menschlichen Organismus haben.

nahrung - Energieumsatz des Menschen: Berechnung, Beispiel & Faustregel

Betrachten wir zunächst die energetische
Seite des Problems. Wie schon erwähnt, wird einem Teil der
Nahrung die Energie entzogen, umgewandelt und für den körpereigenen
Energiebedarf bereitgestellt. Dabei ist der der Energiebedarf des
Menschen je nach Alter, Klima, Gesundheitszustand, Geschlecht usw.
unterschiedlich.
Menschen gehören wie alle Säugetiere zu Homöothermen
also gleichwarmen Organismen. Wir besitzen ein Temperaturregelungssystem
das ca. 37°C Körpertemperatur aufrechterhält.

Bei Poikilothermen wie Fischen oder Fröschen
wird die Körpertemperatur durch die Umwelt bestimmt. Deshalb
ist beim Menschen die Aktivität und damit der Energiverbrauch
auch relativ unabhängig von der Umgebung.
Space Die gundsätzliche Menge
Energie zur Aufrechterhaltung seiner Lebensfunktionen wird Grundumsatz
genannt. Dies entspricht ca. 60 – 70% unseres gesamten Energieumsatzes
und ist zur Aufrechterhaltung unseres Stoffwechsels wie Herz- und
Muskeltätigkeit, Körpertemperatur, Atmung, Nervensystem
usw. nötig.

Der Grundumsatz ist vom Alter,
Gewicht,
der
Größe,
dem
Geschlecht,
der Umgebungstemperatur,
der
Nahrungsaufnahme
und der
körperlichen Leistung
abhängig. Die Energiemenge,
die für zusätzliche Leistung aufgebracht werden muß
nennt man Leistungsumsatz.

Wegen der erhöhten
Zellteilungsaktivität
bei jüngeren Menschen besitzen
diese einen schnelleren (stärkeren) Stoffwechsel.
Auch mehr Gewicht und Körpergröße
erhöht die Stoffwechselaktivität.
Wegen den ca. 20 – 35% mehr Muskeln
im männlichen Organismus( durch die Aktivität des Sexualhormons
Testostron) besitzen Männer einen 10-15% höheren Grundumsatz.

Je nach Nahrungsaufnahme kann
der Grundumsatz um 20% differieren.
Menschen, die in tropischen oder sehr
kalten Gebieten
leben, haben einen 5-20% höheren Grundumsatz,
als die im gemäßigten Klima leben.
Auch durch Intensität und Dauer
körperlicher Leistung
kann der Grundumsatz beinflußt
werden.

Der Grundumsatz kann direkt oder indirekt gemessen
oder näherungsweise berechnet werden.

Berechnung des Grundumsatzes

Eine der bekanntesten Formeln zur Berechnung
des Grundumsatzes ist die

Harris-Benedict-Formel
:

Männer:
spaceBMR
= 66 + (13.7 x Gewicht in kg) + (5 x Größe in cm) – (6.8
x Alter in Jahren)

Frauen:
SpaceBMR
= 655 + (9.6 x Gewicht in kg) + (1.8 x Größe in cm) –
(4.7 x Alter in Jahren)

Das Ergebnis wird in Kcal (=Kilokalorien)
bzw. KJ (=Kilojoule) berechnet. Zusätzlich
kann der
Gesamtenergieumsatz
berechnet werden, in dem mit einem Aktivitätsfaktor multipliziert
wird.

Aktivitätsfaktor

AktivitätsgradAktivitätsfaktor
sehr leichtBMR x 1.2 (z.B. wenig oder kein
Training, sitzende Tätigkeit)
normale
Aktivität
BMR x 1.3
mäßig
aktiv
BMR x 1.4 (z.B. leichtes Training/Sport
3-4 Std/Woche)
aktivBMR x 1.6 (z.B. viel Training/Sport
4-5 Std/Woche)
stark
aktiv
BMR x 1.9 (hartes
Training/Sport & körperliche Arbeit)

Basic
Metabolic Rate(= BMR) Berechnung
 
(BMR = Grundumsatz)


Bitte
geben Sie ein:
1Geschlecht
2Gewicht
kg
3Größe
cm
4Alter
Jahre
5Aktivitätsgrad: 



 BMR

KJ

Kcal
Energie
pro Tag zur Aufrechterhaltung dieses Gewichts

KJ

Kcal

Bei der obigen Formel wird das Körpergewicht
eingesetzt. Da der Grundumsatz (= REE=Resting Energy Expenditure)
insbesondere von der fettfreien Masse abhängt, kann die Formel
besonders bei übergewichtigen oder adipösen Menschen zu
schwerwiegenden Fehleinschätzungen führen. Bei einem adipösen
Menschen besteht ein großer Teil des Körpergewichts aus
Fettzellen (Adipozyten). Die Fettmasse eines Menschen ist
metabolisch nur sehr wenig aktiv, geht aber in die Berechnung des
Grundumsatzes mit ein.

Normalerweise sind die Ergebnisse der Berechnung
über die Harris-Benedict-Formel zwischen 6 -15% höher
als die direkt gemessenen Werte.

Als Bewertungsmaßstab
zur Beurteilung des Körpergewichtes
dient der BMI
= Body Mass Index. Der BMI berechnet
sich aus dem Körpergewicht [kg] dividiert durch das Quadrat
der Körpergröße [m2]. Die Formel lautet:

BMI = Körpergewicht : (Körpergröße
in m)2.

Die Einheit des BMI ist demnach kg/m2.
Dies bedeutet, eine Person mit einer Körpergröße
von 170 cm und einem Körpergewicht von 70 kg hat einen BMI
von 24,2 [70 : (1,7 m)2 = 24,2].

Für Menschen ohne bemerkenwert großen
Leistungsumsatz ist der BMI ein gute Näherung.


Body
Mass Index (= BMI) Berechnung
Größe:
(Beispiel: 175cm = 1.75m)

m
Gewicht:

kg
BMI:

Messung des Energieumsatzes

Der Energieumsatz kann durch Kalorimetrie
direkt
oder
indirekt
bestimmt werden. Bei der direkten Kalorimetrie wird die Wärmeabgabe
eines Prozesses oder Organismus unter definierten Bedingungen gemessen.
Schon 1780 erkannten
Lavoisier
und LaPlace, daß Tiere die Energie der Nahrung in Wärme
umwandeln und daß dieser Atmungsprozess lebenswichtig ist.
Ein Kalorimeter für die Untersuchung chemischer Prozesse ist
in
Abb. 5.5
zu sehen.

calorim3 - Energieumsatz des Menschen: Berechnung, Beispiel & Faustregel

Dabei gilt:

(Fette,
Proteine, Kohlenhydrate) + Sauerstoff ——> CO2
+ H2O + ATP +Wärme.

Kohlenhydrate,
Fette und Proteine
bezeichnet man als Hauptnährstoffe.
Sie dienen hauptsächlich der Energiegewinnung in den Zellen,
daneben werden sie für den Anabolismus,
den aufbaueneden Stoffwechsel verwendet. Die anderen Inhaltsstoffe
der Nahrung wie Mineralstoffe
und Vitamine wirken vornehmlich
als Reglerstoffe bei Stoffwechselvorgängen.
Wasser ist u.a. als Lösungsmittel
für die biochemischen Prozesse, als Baustoff, für die
Turgeszenz der Zellen und Quellfähigkeit der Proteine verantwortlich.
Er macht mengenmäßig den Hauptteil eines Organismus aus
(Mensch: ca. 65- 75%). Die Dissimilation der Kohlenhydrate und Fette
ist prinzipiell in der Abb. 5.7 dargestellt.

grundu - Energieumsatz des Menschen: Berechnung, Beispiel & Faustregel

Die direkte Kalorimetrie wird heute beim Menschen
nur noch selten durchgeführt. Einfacher ist die indirekte Bestimmung
über die Atemgase. (siehe Abb. 5.6)
Dabei wird der Grundumsatz eines Menschen, 12 Stunden nüchtern
und völlig entspannt bei einer Temperatur von (bekleidet) 20
°C und unbekleidet 30 °C bestimmt.
Der Normwert beträgt ca. 7100 kJ/Tag (männl., 70 kg).
Dabei nimmt er 245 ml/O2 pro Minute auf.

Als
Faustregel
gilt: 100 KJ/Tag/kg Körpergewicht.


Grundumsatz
bei Männern verschiedener Populationen

Alter
(Jahre)

Gewicht
(kg)
Ø

BMI
(kg/m2)

Körperfett
(% )

Grundumsatz
kJ/kg
gemessen


BMR
(kJ/kg)
berechnet

gemessen/
berechnet
(% )

Europäer

24.9

68.1

22.6

17.2


112.6

106.2

106

Afrikaner

28.2

67.1

22.9

16.8


100.8

106.7

94

Asiaten

27.0

63.9

22.7

18.0


105

108.8

96

Inder

24.6

61.4

20.7

14.3


111.3

110.9

100


Quelle:
http://www.unu.edu/unupress/food/8F144e/8F144E0g.htm

 


Abb. 4.1

Homöostase

homeo - Energieumsatz des Menschen: Berechnung, Beispiel & Faustregel

Gehen Sie auf die Punkte 1 – 7

Assmiliation = Aufnahme
körperfremder Substanz und Umwandlung in körpereigene
Substanz

Dissimilation = Stoffumwandlung
zum Energiegewinn.


Abb.4.2

Thermoregulation des menschlichen Körpers

thermor - Energieumsatz des Menschen: Berechnung, Beispiel & Faustregel

 


Abb.4.3

extremes Muskelwachstum durch
spezielles Training

bodybu - Energieumsatz des Menschen: Berechnung, Beispiel & Faustregel

BMR und BMI

Grundumsatz=
ist der Energiebedarf zur Aufrechterhaltung der Körperfunktionen,
gemessen in Ruhe, liegend, bei 20 Grad C, 12 Std. nach Nahrungsaufnahme.

BMI= Body Mass Index
=
Gwicht proGröße2.
BMR = Basic Metabolic
Rate = Grundumsatz.

Abgemagert
= < 15 BMI
Anorexia n.= < 17.5 BMI
Untergewicht = < 19 BMI

Normal = 19 – 24 BMI
Übergewicht = 25 – 29 BMI
Fettleibig = 30 – 39 BMI
Krankhaft fettleibig= 40+ BMI

Quelle: DGE, Ernährungsbericht 1992

 


BMI je nach Alter

Altersabhängige Normalwerte für den BMI

Quelle: DGE, Ernährungsbericht 1992


Altersgruppe

normaler BMI

19-24 Jahre

19-24

25-34 Jahre

20-25

35-44 Jahre

21-26

45-54 Jahre

22-27

55-64 Jahre

23-28

>64 Jahre

24-29

 


Energieeinheiten

Definition von J (Joule):
Abgeleitete SI-Einheit der Energie, der Arbeit und der Wärmemenge.
Es gilt:
1 J = 1 N x m = 1 W x s = 1kg x m2x s-2

Nicht mehr DIN-konforme, aber noch häufig verwendete
Einheit der Energie ist die Kalorie:
1 cal = 4,187
J
1 J = 0,239
cal

Definition: “Eine
Kalorie ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um
ein Gramm Wasser von 14,5 auf 15,5 °C zu erwärmen.”

 


Abb.4.4

Antoine Laurent Lavoisier (1743-94)

lavoisir - Energieumsatz des Menschen: Berechnung, Beispiel & Faustregel


Abb.4.5

Kalorimeter

calorim1 - Energieumsatz des Menschen: Berechnung, Beispiel & Faustregel

calorim2 - Energieumsatz des Menschen: Berechnung, Beispiel & Faustregel

1 Motorrührer
2 Anschlüsse zur Zündung
3 Thermometer
4 Isoliertes Gehäuse
5 Sauerstoffeinlaß
6 Kalorimetrische Bombe
7 Zünddraht
8 Probengefäß
9 Wasser


Abb.4.6

indirekte Kalorimetrie

icalor1 - Energieumsatz des Menschen: Berechnung, Beispiel & Faustregel

Grundumsatzmessung

icalor2 - Energieumsatz des Menschen: Berechnung, Beispiel & Faustregel

Leistungsumsatzmessung

Was ist eine Spirometrie?

Die Spirometrie ist ein Verfahren zur Lungenfunktionsprüfung.
Dabei werden Lungenvolumina gemessen und graphisch im Spirogramm
dargestellt.


Abb.4.7

Dissimilation


Kohlenhydrate
wie Glucose, Fructose usw. werden in
der Zelle im Cytoplasma und den Mitochondrien über
einen mehrstufigen Prozess (Zellatmung:
Glycolyse – Zitratzyklus-Atmungskette) vollständig
verbrannt.
Fette
werden über die ß-Oxidation
in den Mitochondrien, den Zitratzyklus und die Atmungskette
ebenfalls vollständig abgebaut.
Ein großer Teil der freiwerdenden Energie wird in
ATP
gespeichert und steht für die Lebensfunktionen
zur Verfügung. Die freiwerdende Wärme
dient zur Aufrechterhaltung der Körpertemperatur.

Quellen:
Biokurs, Klasse 12


Abb.4.8

BMR -Alter


bmr5 - Energieumsatz des Menschen: Berechnung, Beispiel & Faustregel

Bitte Anklicken

 

ZungeRachenSpeiseröhreDünndarmMagenDickdarmAnus
Weiterführende
Quellen:

indirekte Kalorimetrie: http://www.gesundheit.de/roche/ro12500/r14536.html
und http://www.doktor-grund.de/fitness.html
und http://www.health.uottawa.ca/hklab/Docrefphysio/Equations/fuelutilization.PDF
und http://www.hsc.missouri.edu/~shrp/rtwww/rcweb/aarc/mmiccpg.html
und http://www.doktor-grund.de/energiestoffwechsel.html

RQ: http://www.tiem.utk.edu/~harrell/webmodules/respiratoryquotient.html

Sporternährung:
http://btc.montana.edu/olympics/nutrition/profile01.html

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