Kalorisches Äquivalent, Brennwert, Regelung des Grundumsatzes

4.
Grundlagen des Stoffwechsels

4.1 Energieumsatz des Menschen (Fortsetzung)

Mit der Indirekten Kalorimetrie
unter einer Atemhaube kann nur der Ruheenergieverbrauch eines Menschen
bestimmt werden. Bei der Kombination aus der Indirekten Kalorimetrie
und der 24-Stunden Herzfrequenzmessung nach vorangegangener individueller
ergospirometrischer Kalibrierung läßt sich jede Komponente
des menschlichen Energieverbrauchs differenziert, flexibel, relativ
einfach und genau messen. Die 24-Stunden Herzfrequenzmessung zur
Messung des 24-Stunden Energieverbrauchs ist eine geeignete Methode
für epidemiologische Studien. Mit ihr kann der 24-Stunden Energieverbrauch
bei einer großen Anzahl von Menschen jeden Alters bestimmt
werden.

Da in den Zellen die Verdauungsendprodukte
Einfachzucker
(z.B. Glucose), Fettsäuren
(z.B. Palmitinsäure) und Aminosäuren
(z.B. Alanin) der Hauptnährstoffe Kohlenhydrate,
Fette
und Proteine
unter Sauerstoffverbrauch oxidiert werden und daraus ATP gewonnen
wird, kann man aus den Oxidationsreaktionen und dem Sauerstoffverbrauch
bzw. der CO2-Produktion auf den Energieumsatz schließen.
Dabei hilft der sogenannte Respiratorische Quotient.

Der
respiratorische Quotient
mißt das Verhältnis des
ausgeatmeten Kohlenstoffdioxid zum Verhältnis des eingeatmeten
Sauerstoffs
. (siehe Abb. 5.7)
Das Verhältnis ist von der zugeführten Nahrung abhängig.

Bei Kohlenhydraten ergibt sich Verhältnis von 1. Bei Fetten
wie den wichtigsten Nahrungsfetten Tripalmitin,
Tristearin
und Triolein
ein Verhältnis von ca. 0,7 und bei Protein je nach Aminosäurezusammensetzung
von ca. 0,8.

Gemischte Kost liefert einen RQ
von 0,85.

rq

Der Leistungsumsatz
wird auch Arbeitsumsatz genannt.
Als Leistungs- bzw. Arbeitsumsatz wird diejenige Energie bezeichnet,
die neben der Energie für die Aufrechterhaltung der Stoffwechselvorgänge
(= Grundumsatz), für die Muskelarbeit aufgebracht werden muss.
Hierunter wird die Energie für die Bewegung in Beruf und Freizeit
(z.B. für Sport) gefasst. Auf Grund unterschiedlicher körperlicher
Aktivität kann der Leistungsumsatz und damit auch der Gesamtenergiebedarf
individuell sehr unterschiedlich sein.

Beispiel: Ein 70kg schwerer Mann betreibt
einmal die Woche eine Stunde Tennis als Freizeitsport. Für
ihn ergibt sich für diese sportliche Betätigung ein zusätzlicher
Energiebedarf von etwa 1965 KJ pro Woche bzw. etwa 281 KJ pro Tag.

Durch die indirekte Kaloriemetrie konnte auch eine
andere Größe bestimmt werden: das
kalorische Äquivalent
= freigesetzte Energie je Liter
Sauerstoff .

Kohlenhydrate
(Glucose) = 22,19 KJ/Liter O2

Fette (Palmitinsäure)
= 18,8 KJ/Liter O2

Alle energiebezogenen Kenngrößen
sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefaßt:

Kenngrößen
bei Nährstoffen
NährstoffBrennwert
(KJ/g)
O2 -Verbrauch (Liter)Kalor. Äquivalent
(KJ/Liter O2)
RQ
Kohlenhydrate

17,2

0.84

21

1.0
Fette

39,0

2.00

19,7

0.7
Proteine

17.2*

0.96

18,9

0.8
Nährstoff-
Mix

—-

—-

20,18

0.9

* physiologischer Brennwert

Beim Brennwert, also der Energiemenge
pro g muß zwischen dem physikalischen
Brennwert
( im Laborversuch) und dem
physiologischen Brennwert
( im Organismus) unterschieden
werden. Die physikalischen und physiologischen Brennwerte von Kohlenhydraten
und Fetten sind identisch,
da sie im Organismus beide vollständig zu CO2 und
Wasser abgebaut werden. Der physiologische Brennwert von Proteinen
ist bei Verarbeitung im Organismus 17,2 und damit niedriger als
bei vollständiger Verbernnung im Labor (22.2) , da die Aminosäuren
in vollständig abbaubare Carbonsäuren und Ammoniak zerlegt
werden. Der Ammoniak wird in Harnstoff umgebaut und ausgeschieden,
steht also nicht für die energieverwertung zur Verfügung.

Regulation des Grundumsatzes

Der Grundumsatz wird durch die Schilddrüsenhormone
Thyroxin
(T4) und Trijothyronin
(T3) geregelt. Alle Körperzellen besitzen Rezeptoren für
T4 und T3. Dort stimulieren diese beiden Hormone Stoffwechselvorgänge
wie

  • die Oxidation von Fettsäuren,
  • den Eintritt von Glucose in die Zellen oder
  • die Bildung des ATP-produzierenden Proteinkomplexes in den Mitochondrien,
    der ATP-Synthase.

Somit bestimmen diese Hormone durch
die Bereitstellung von Energie und die Produktion von Wärme
den Energiestoffwechsel, Wachstum und Entwicklung.
Die Hormone sind iodhaltig, weshalb der Iodgehalt
der Nahrung
auf die erwähnten Stoffwechslvorgänge
Einfluß hat. Beide Hormone werden in der Schilddrüse
aus der Aminosäure Tyrosin gebildet,
weshalb auch der Tyrosingehalt der Eiweiße in der Nahrung
wichtig ist.
Die Regelung der Schilddrüsenaktivität erfolgt durch 2
verschiedene Gehirnzentren: dem Hypothalamus (= Zwischenhirn) und
der Hypophyse (= Hirnanhangsdrüse). Sie beruht auf
negativer Rückkoppelung
.
Der Hypothalamus als oberstes Zentrum besitzt wie die Hypophyse
einen T4-Sensor. DAs Zwischenhirn schüttet ein Hormon namens
TRH aus das die Schilddrüse
stimuliert seinerseits das Hormon TSH
zu produzieren TSH regt die Schilddrüse an T4 und T3 zu produzieren.
Steigt der T4/T3-Level zu hoch werden die Gehirnzentren gehemmt.

t4reg1

Mehr zur Regelung im Biokurs.

Durch Jodmangel kommt es zu einer
krankhaft vergrößerten Schilddrüse, dem Kropf
(siehe Abb. 5. 11).
In der Bundesrepublik Deutschland ist die Anzahl der vergrößerten
Schilddrüsen (=Kropf oder Struma) erschreckend hoch:

  • Ca. 15 Millionen Bundesbürger haben eine
    vergrößerte Schilddrüse.
    Bei den Schülern ist der Anteil besonders hoch. Etwa 50%
    der 13jährigen haben eine Schilddrüsenvergrößerung.
  • Rund 1% der Neugeborenen wird bereits mit einem
    Kropf geboren.
  • Für Erkennung und Behandlung von
    Schilddrüsenerkrankungen werdenjährlich über 1,1
    Milliarden EURO ausgegeben.
Iod und Jodmangel
Iod
wird aus der Nahrung täglich in Mengen von 50 -100 mg
aufgenommen, als J
im Dünndarm resorbiert und u. a. von der Schilddrüse
aufgenommen.

Jod kommt in der Bundesrepublik und den
Alpenländern relativ selten vor.

Der Jodgehalt in den meisten Nahrungsmitteln
ist zu gering, um den notwendigen Jodbedarf von 200
mg /Tag bei Jugendlichen und Erwachsenen
zu decken.

So enthalten z.B.:

  • Vollmilch
    nur ca. 4 mg Jod pro 100 g,
  • Hühnerei
    nur ca. 10 mg Jod pro 100 g
  • Äpfel
    nur ca. 1,6 mg Jod pro 100 g
    und
  • Schellfisch
    ca. 416 mg Jod pro 100g.Ärzte empfehlen deshalb die zusätzlich
    Aufnahme, da durch die Lebensmittel nicht genügend aufgenommen
    werden. Besonders wichtig ist die zusätzliche Jodeinnahme
    für werdende und stillende Mütter, Kinder und
    Jugendliche und alle Erwachsenen, mindestens bis zum 35. Lebensjahr.

    Der Ausgleich kann durch jodiertes Speisesalz
    und Seefisch geschaffen werden. Jodsalz gibt es überall
    in der Bundesrepublik Deutschland im Lebensmittelhandel zu
    kaufen. Es enthält pro Kilogramm 15 – 25 Milligramm Jod.
    Nimmt man pro Tag durchschnittlich 5 g Jodsalz mit den Speisen
    zu sich, ergibt das etwa 100 Mikrogramm Jod, eine Menge, die
    normalerweise ausreicht, einen Jodmangel auszugleichen.

    Die notwendige
    Tagesmenge von 5 g Jodsalz kann man aber durch bloßes
    Zusalzen nicht erreichen.
    Sie beinhaltet die gesamte
    Tagesaufnahme, also auch das Salz, das in Lebensmitteln oder
    Fertiggerichten bereits enthalten ist, und das ist in der
    Regel kein Jodsalz. Außerdem ist ein zu hoher Salzverbrauch
    gesundheitsschädigend; er kann z.B. die Entstehung eines
    zu hohen Blutdruckes fördern.

    Besonders jodhaltig ist Seefisch
    (z.B. Schellfisch, Seelachs, Scholle). Wenn Sie zweimal pro
    Woche frischen Fisch essen, dann brauchen Sie sich keine Sorgen
    um einen möglichen Jodmangel zu machen.


    Abb.4.9

    RQ

     

    rq2

    KH = 1
    Fett = 0,7
    Protein = 0,8

     

     

     


    Anteil verschiedener Organe
    am Grundumsatz
    in %

    Leber = 26
    Gehirn =18
    Nieren = 7
    Muskel = 26
    Herz = 9
    Rest = 14


    Das ZNS benötigt 125 g Glucose/Tag


    Grundumsatz – Körperoberfläche

    Der Grundumsatz ist linear ab-hängig
    von der Körperober-fläche.
    Berechnung
    Nach Du Bois:
    Fläche (cm2) = 71.84 * Gewicht (kg) * Größe
    (cm)

    Nach Meeh:
    Fläche (cm2) = 11.9 * Gewicht2/3(kg).

    Die Körperoberfläche von Erwachsenen ist ca. 18,000
    cm2 (Männer) oder 16,000 cm2 (Frauen).

    Leistungsumsatz:

    Pro Stunde verbraucht man bei folgenden Tätigkeiten
    etwa:

    Wäsche bügeln 60 kcal
    Schwimmen 120 kcal
    Gehen 90 kcal
    Putzen 120 kcal
    Rad fahren (10 km/h) 90 kcal Tischtennis 120 kcal
    Fenster putzen 90 kcal
    Tanzen 180 kcal
    Staub saugen 90 kcal
    Laufen (9 km/h) 180 kcal
    Gymastik 120 kcal
    Rad fahren (20 km/h) 240 kcal
    Treppensteigen 270 kcal


    Abb.4.10

    Leistungsumsatz im Sport

    lu5c

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    Abb.4.11

    Thyroxin – Trijodthyronin

    iod_2

    iod_3

     


    Abb.4.12

    Schilddrüse

    thyr2


    Abb.4.13

    Thyroxinregelung

     

     

     

     

     


    Abb.4.14

    Schülerin mit Kropf

    struma

     


    Abb. 4.15

    Schilddrüsenkrebs

    skrebs

    Schilddrüsenerkrankkungen durch Freisetzung von radioaktivem
    Jod131.

     

    Weiterführende
    Quellen:

    Grundumsatzberechnung:
    http://www.innershine.com/tools/tools_calories.jsp

    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

    Jodmangel: http://www.jodmangel.de/

    Schilddrüse: http://www.dpcweb.com/medical/thyroid/thyroid_physiology.html

    Histologie des Verdauungstraktes:
    http://www.brisbio.ac.uk/bblt/law.html

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