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Energie- und Wärmehaushalt

Abstract

Die Nahrungsbestandteile, die dem Organismus zugeführt werden, werden im Rahmen des Stoffwechsels schrittweise in energieärmere Formen umgewandelt. Die dabei freiwerdende Energie nutzt der Körper zur Bildung von ATP (Adenosintriphosphat), das eine zentrale Rolle bei allen spezifischen Zellaktivitäten hat. ATP ist der universale, von jeder Zelle nutzbare Energieträger des menschlichen Körpers und wird im Rahmen der zellulären Energiegewinnung synthetisiert. Betrachtet man die Gesamtheit der zellulären Energiegewinnungsprozesse, wird vom Energieumsatz des gesamten Körpers gesprochen. Wieviel Energie benötigt wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab: Der Grundumsatz bspw. ist definiert als das Minimum an Energie, das der Körper benötigt, um die basalen Lebensvorgänge wie Kreislauf und Atmung aufrecht zu erhalten. Dieser Grundumsatz kann bei körperlicher Anstrengung auf ein Vielfaches gesteigert werden.

Der Energiehaushalt hängt eng mit dem Wärmehaushalt zusammen: Bei jedem Prozess der Energiegewinnung wird auch Energie in Form von Wärme frei. Diese Abwärme ist der bedeutendste Mechanismus zur Wärmegewinnung des menschlichen Körpers. Die Körpertemperatur muss in engen Grenzen konstant gehalten werden. Weicht sie nur geringfügig ab, können viele Stoffwechselvorgänge nicht mehr ideal ablaufen, bei stärkeren Abweichungen kommen sie ganz zum Erliegen. Das Zentrum für die Temperaturregulation liegt im Hypothalamus, er erhält seine Informationen von temperatursensiblen Neuronen und kann eine Reihe von Regulationsmechanismen einleiten, wenn die Temperatur vom Sollwert abweicht. Eine besondere Rolle bei der Temperaturregulation spielt die Hautdurchblutung.

Energiehaushalt

Der Energiestoffwechsel des Menschen findet zunächst auf zellulärer Ebene statt. In der Physiologie wird jedoch häufig der Energieumsatz des ganzen Körpers betrachtet, welcher dem Gesamtumsatz aller Körperzellen entspricht.

Wirkungsgrad

  • Definition: Bei Arbeit wird immer Energie in Form von Wärme frei (die sog. Abwärme). Beim Menschen beschreibt der Wirkungsgrad, welcher Anteil der zugeführten Energie tatsächlich für körperliche Leistungen genutzt werden kann. Er liegt zwischen 0 und 100%.
  • Einheit: Keine
  • Normwert: Bei körperlicher Arbeit beträgt der Wirkungsgrad etwa 25%

Energieliefernde Nahrungsbestandteile und Brennwert

Die Hauptenergieträger unserer Nahrung sind Kohlenhydrate, Lipide und Proteine. Sie werden vom Körper aufgenommen und in den Zellen entweder gespeichert (anabole Situation) oder schrittweise in energieärmere Formen umgewandelt (katabole Situation). Beim Abbau wird Energie frei, die v.a. zum Aufbau der organischen, universalen Energiespeicherform ATP in der Atmungskette genutzt wird. Die Brennwerte der einzelnen Energieträger geben an, wieviel Energie beim Abbau einer Substanz frei wird.

  • Energieliefernde Nahrungsbestandteile: Kohlenhydrate, Lipide und Proteine
  • Brennwert: Maß für die thermische Energie, die in einem Stoff (bspw. einem Glucose-Molekül) gespeichert ist und die folglich bei der "Verbrennung" des Stoffs freigesetzt werden kann
    • Einheit: kJ/g
    • Physiologischer Brennwert: Die Energie, die tatsächlich vom menschlichen Stoffwechsel genutzt werden kann. Dieser Wert liegt aus folgenden Gründen immer etwas niedriger als der physikalische Brennwert:
      • Unvollständige Verdauung/Resorption
      • Produktion energiereicher Stoffwechselendprodukte
      • Transport, Umbau und Speicherung der Nahrungsbestandteile
    • Physikalischer Brennwert: Die Energie, die beim vollständigen Abbau eines Stoffs frei wird
Nahrungsbestandteile und ihre Brennwerte
Abbauweg Physikalischer Brennwert (kJ/g) Physiologischer Brennwert (kJ/g)
Kohlenhydrate

Glykolyse

17,6

17,2

Lipide
  1. Triazylglyzerid (TAG)-Abbau
  2. β-Oxidation

38,9

38,9

Proteine
  1. Proteolyse
  2. Aminosäureabbau
  3. Harnstoffzyklus

23

17,2

Auch andere Nahrungsbestandteile wie bspw. Alkohol werden von den Zellen verstoffwechselt: Der physiologische Brennwert von Alkohol beträgt 30 kJ/g!

Energiespeicherung

Wird dem Körper mehr Energie zugeführt, als er benötigt, so legt er Energiespeicher an, zunächst in Form von Glycogen, dann in Form von Triacylglycerinen (TAGs) im Fettgewebe.

Speicherform Speicherort Bedeutung
Triacylglycerine (TAGs)

Im Fettgewebe

Mit Abstand die größten Energiespeicher des Körpers

Glycogen

In der Leber

  • ⅓ der Glycogenvorräte
  • Dienen dazu, den Blutzuckerspiegel auch bei Nahrungskarenz aufrechtzuerhalten
  • Sind nach etwa 12-24 Stunden aufgebraucht

In der Muskulatur

  • ⅔ der Glycogenvorräte
  • Dienen dem Eigenbedarf des Muskels
ATP

In jeder Zelle

Ist nach Sekunden bis Minuten aufgebraucht

Energieumsatz

Der eigentliche Energieumsatz, also die Verstoffwechslung der Nahrungsbestandteile sowie die Bildung von ATP, findet auf zellulärer Ebene statt. Wird die Gesamtheit der zellulären Energiegewinnungsprozesse betrachtet, wird der Energieumsatz des gesamten Körpers beschrieben.

  • Auf zellulärer Ebene
  • Auf Körperebene
    • Grundumsatz: Energieumsatz des Körpers unter standardisierten Bedingungen (morgens, nüchtern , körperliche und geistige Ruhe , thermische Indifferenz ). Er beschreibt die Summe des Energieverbrauchs einer jeden Zelle unter den genannten Bedingungen
      • Normwerte: 4,2 kJ/(kg×h) (), 3,8 kJ/(kg×h) ()
    • Freizeitumsatz: Der Energieumsatz eines Menschen, der sich nicht intensiv körperlich betätigt, beträgt pro Tag ca.: 9600 kJ () und 8400 kJ ()
    • Arbeitsumsatz: Der Energieumsatz bei körperlicher Arbeit
      • Bei leichter körperlicher Arbeit: Etwa 2 kJ/(kg×h) zusätzlich zum Freizeitumsatz
      • Bei schwerster körperlicher Arbeit: Bis zu 10 kJ/(kg×h) zusätzlich zum Freizeitumsatz

Anteil der Organe am Grundumsatz

Organe Anteil am Grundumsatz (%)

Muskulatur

ca. 25

Leber

ca. 25

Gehirn

ca. 20

Herz

ca. 10

Nieren

ca. 5–10

Kalorimetrie

  • Definitionen
    • Allgemein: Messung der Wärmemenge, die bei physikalischen, chemischen oder biologischen Prozessen aufgenommen bzw. abgegeben wird
    • In der Physiologie: Bestimmung des Energieumsatzes eines Organismus mithilfe der Wärmeabgabe (direkte Kalorimetrie) oder mithilfe der Messung der Atemgase (indirekte Kalorimetrie)
  • Formen
    • Direkte Kalorimetrie: Bestimmung des Energieumsatzes eines Organismus mithilfe der Wärme, die dieser Organismus abgibt
      • Schlussfolgerungen
        • Nur für die Messung des Gesamtenergieumsatzes über einen längeren Zeitraum geeignet, nicht für die Messung kurzfristiger Änderungen
        • Wird aufgrund der Ungenauigkeit und des komplizierten Versuchsaufbaus fast nicht mehr angewendet
      • Nachteile
        • Zeitliche Verzögerung zwischen Ablauf des wärmeerzeugenden Prozesses und seiner Erfassung
        • Fehlende Spezifität
        • Großer Messaufwand
      • Ablauf: Versuchsperson wird in eine geschlossene Kammer gesetzt (sog. Kalorimeter), nach einer bestimmten Zeit wird die Erwärmung der Raumluft in der Kammer gemessen. Wie oben erläutert kann daraus auf den Energieumsatz geschlossen werden.
      • Grundüberlegungen: Alle metabolischen Prozesse enden schließlich in der Abgabe von Wärme. Damit die Körpertemperatur konstant bleibt, muss diese Wärme nach außen abgegeben werden. Die Messung der abgegebenen Wärme entspricht also einer quantitativen Bestimmung der Stoffwechselaktivität und damit des Energieumsatzes.
    • Indirekte Kalorimetrie: Bestimmung des Energieumsatzes eines Organismus mithilfe der Messung der O2-Aufnahme und der CO2-Abgabe
      • Grundüberlegung: Bei der Verstoffwechslung der Nährstoffe wird O2 verbraucht und CO2 produziert. Da der Körper weder über ein nennenswertes O2- noch über ein CO2-Reservoir verfügt, entspricht das beim Stoffwechsel verbrauchte O2 dem eingeatmeten O2 und das im Stoffwechsel produzierte CO2 entspricht dem ausgeatmeten CO2. Anhand zweier Hilfsgrößen (Kalorisches Äquivalent und Respiratorischer Quotient, s.u.) kann man aus den gemessenen O2- und CO2-Werten auf den Energieumsatz des Organismus schließen
      • Formel: Energieumsatz = (O2-Aufnahme/min) × Kalorisches Äquivalent
      • Einheit: kJ/min
      • Hilfsgrößen
        • Kalorisches Äquivalent: Die Nährstoffe werden im Verlauf ihrer Verstoffwechslung zu CO2 oxidiert. Der Energiewert, der bei dieser Oxidation eines bestimmten Nährstoffs pro Liter Sauerstoff gewonnen wird, wird als kalorisches Äquivalent bezeichnet (Werte für die einzelnen Nährstoffe s. Tabelle)
          • Einheit: kJ/lO2
          • Problem: Zur exakten Bestimmung des Energieumsatzes müsste der genaue Anteil der Nährstoffe an der Nahrung bekannt sein. Diesen kann man mithilfe des respiratorischen Quotienten ermitteln. Ist dies nicht möglich, behilft man sich mit einem Durchschnittswert für die sog. Mischkost
        • Respiratorischer Quotient (RQ): Der Quotient aus CO2-Abgabe und O2-Aufnahme
          • Grundüberlegung: Jeder Nährstoff hat einen spezifischen RQ (s. untenstehende Tabelle). Dies liegt daran, dass die Verstoffwechslung der verschiedenen Nährstoffe jeweils unterschiedliche Mengen O2 verbraucht und CO2 produziert.
          • Formel: RQ = VCO2/VO2
          • Schlussfolgerung: Ist der RQ bekannt, so kann auf den vorherrschenden Nährstoff rückgeschlossen werden. Bei normaler Mischkost beträgt er etwa 0,82. Bei höherem RQ sind die vorherrschenden Nährstoffe eher Kohlenhydrate, bei kleinerem RQ eher Fette und Proteine.
      • Rechenbeispiel (bei einer Sauerstoffaufnahme von 300 mL/min und normaler Mischkost)
        • Formel: Energieumsatz = O2-Aufnahme/min × kalorisches Äquivalent
        • Gegeben:
        • Gesucht: Energieumsatz in kJ/min
        • Rechnung
          • Energieumsatz = 0,3 L O2/min × 20 kJ/L O2 = 6 kJ/min
Kalorisches Äquivalent (kJ/L O2)

Respiratorischer Quotient (CO2-Abgabe/O2-Aufnahme)

Kohlenhydrate

21

1

Lipide

19

0,7

Proteine

20

0,8

Mischkost

ca. 20

0,82

Wärmehaushalt

Die Körpertemperatur eines Organismus muss in engen Grenzen konstant gehalten werden. Schon kleine Abweichungen in die eine oder andere Richtung bewirken, dass viele Stoffwechselvorgänge nicht mehr optimal ablaufen können. Der Wärmehaushalt beschreibt die Mechanismen, die dem Körper zur Verfügung stehen, um die Körpertemperatur zu regulieren.

Körpertemperatur

  • Definitionen
  • Körpertemperatur im Tagesverlauf: Die Körpertemperatur unterliegt einer zirkadianen Schwankung um etwa 1°C
    • Minimum: Etwa 4 Uhr morgens
    • Maximum: Etwa 18 Uhr abends

Regulation des Wärmehaushalts

  • Regelzentrum: Der kaudale Hypothalamus (Area hypothalamica posterior) dient als "Thermostat"
    • Ablauf: Erhält Informationen von den Temperatursensoren, gleicht sie mit der Solltemperatur ab und veranlasst über verschiedene Mechanismen Wärmebildung oder Wärmeabgabe (s.u.)
  • Temperatursensoren

Das Hormon Progesteron verursacht einen Anstieg der Solltemperatur im Hypothalamus um etwa 0,5°C. Mithilfe dieses Temperaturanstiegs kann der Termin des Eisprungs nachvollzogen werden!

Temperaturmethode zur Empfängnisverhütung
Die sog. Basaltemperaturmethode zur Empfängnisverhütung basiert auf den Temperaturschwankungen, denen der weibliche Zyklus unterworfen ist. Dabei wird jeden Morgen nach dem Aufstehen die Körpertemperatur gemessen und vermerkt (sog. Basaltemperatur). In der Mitte des Zyklus kann ein dreitägiger Anstieg der Basaltemperatur bemerkt werden, was auf die Ovulation zurückzuführen ist. Da das Ei nur wenige Stunden nach der Ovulation befruchtbar bleibt, sind die Tage nach dem Eisprung bis zum Beginn der Menstruation als "unfruchtbare" und damit "sichere" Tage anzusehen. Die erste Phase hingegen, vom Beginn der Menstruation bis zum ermittelten Eisprung, sind die "unsicheren" Tage, hier sollte, so denn kein Kinderwunsch besteht, auf zusätzliche Verhütungsmethoden zurückgegriffen werden. Im Vergleich zu hormonellen Ovulationshemmern ist die Verhütung mittels Temperaturmethode zwar unsicherer, jedoch auch deutlich nebenwirkungsärmer.

Wärmebildung, Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme

Um die Solltemperatur aufrechtzuerhalten, stehen dem Organismus mehrere Regulationsmechanismen zur Verfügung.

Wärmebildung

Der Großteil der Wärme im Organismus entsteht durch die "Abwärme", die bei Stoffwechselvorgängen freigesetzt wird. Wenn diese nicht reicht, setzen folgende Mechanismen ein:

  1. Verstärke Muskelaktivität: Wärmebildung durch vermehrte Muskelaktivität, ist der wichtigste Mechanismus zur Wärmeproduktion beim Erwachsenen
    • Willkürlich: Bspw. durch Umherlaufen bei Kälte
    • Unwillkürlich: Durch Muskelzittern
  2. Zitterfreie Wärmebildung: Wärmebildung durch Lipolyse im braunen Fettgewebe, sie spielt vor allem beim Neugeborenen eine Rolle

Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme

Mechanismus Prinzip Beispiele
Konduktion
  • Wärmeaustausch mit Gegenständen, die dem Körper direkt anliegen
  • Wenn man auf einem Stuhl sitzt, erwärmt sich dieser mit der Zeit
  • Hält man eine Tasse heißen Tee, so erwärmt sich die Hand
Konvektion
  • Wärmetransport in einem strömenden Fluid
  • Erwärmtes Blut wird mit dem Blutstrom in die Peripherie transportiert
  • Durch den Temperaturunterschied zwischen der Hautoberfläche (ca. 26°) und der Raumtemperatur (z.B. 21°) wird eine thermische Konvektion angetrieben - die erwärmte Luft steigt nach oben. Der eigentliche Wärmeaustausch an der Kontaktfläche basiert dabei allerdings auf Konduktion
Wärmestrahlung
  • Infrarotstrahlung, die zwischen unterschiedlich temperierten Körpern und Gegenständen ausgetauscht wird
  • Abgabe von Wärme an die Wände eines Zimmers, in dem man sich aufhält
  • Aufnahme von Wärme bspw. durch erhitzten Naturstein
Verdunstung (Evaporation)
  • Wasser, das an der Körperoberfläche verdunstet, entzieht dem Körper Wärme
  • Nur möglich, wenn der Wasserdampfpartialdruck der Haut höher ist als der der umgebenden Luft. Auf der Haut beträgt der Wasserdampfpartialdruck etwa 6,3 kPa

Bei Außentemperaturen, die über der Körpertemperatur liegen, kann die Wärme nur über Verdunstung abgegeben werden. Diese hängt jedoch auch von der Luftfeuchtigkeit ab: Beträgt die Luftfeuchtigkeit 100%, ist eine Wärmeabgabe über Evaporation nur bis zu einer Umgebungstemperatur von 37°C möglich!

Pathomechanismus bei Fieber
Beim Fieber kommt es zu einer Erhöhung der Sollwerttemperatur im Hypothalamus unter dem Einfluss sogenannter Pyrogene. Pyrogene können körpereigene Stoffe sein, wie bspw. das von Leukozyten ausgeschüttete Interleukin-1 oder auch Prostaglandin E2 (endogene Pyrogene) oder körperfremde Stoffe, wie z.B. Bakterienbestandteile (exogene Pyrogene). Beim Fieberanstieg friert man, weil auf einmal der Sollwert im Hypothalamus höher liegt als die Körperkerntemperatur. Um den Körper aufzuheizen, kommt es zum Muskelzittern ("Schüttelfrost") und zu verminderter Hautdurchblutung (Blässe). Beim Fieberabfall hingegen sinkt die Sollwerttemperatur im Hypothalamus wieder, der Körper ist heißer, als er sein sollte und es kommt zu starkem Schwitzen und Erweiterung der Hautgefäße (gerötete, feuchte Haut).

Temperaturregulation über die Hautdurchblutung

Die Wärmeabgabe über Konvektion und Konduktion ist nur möglich, weil der Blutstrom die Wärme aus dem Körperkern in die Peripherie transportiert. Der Durchblutung der Haut kommt damit eine besondere Regulationsfunktion für die Körpertemperatur zu. Bei Kälte wird die Hautdurchblutung gedrosselt, sodass weniger Wärme abgegeben wird, bei Hitze hingegen wird die Haut vermehrt durchblutet.

  • Mechanismen
    • Sympathikus
    • Arteriovenöse Anastomosen (AVA)
      • Bei Kälte: AVA sind geschlossen, Blut kann nur durch das Kapillarbett fließen → Wärmeabgabe
      • Bei Wärme: AVA sind geöffnet, Blut strömt durch die AVA und durch die Kapillaren, Oberfläche für die Wärmeabgabe vergrößert sich dadurch → Wärmeabgabe
    • Gegenstromprinzip von Arterien und Venen
      • Prinzip
        • Allgemein: Zwei Stoffströme werden zum Zweck des Wärme- oder Stoffaustauschs aneinander vorbeigeführt
        • In Bezug auf das Blut: Arterien und Venen laufen parallel in die Peripherie und können dabei Wärme austauschen
          • Arterielles Blut, das vom Zentrum in die Peripherie fließt, wird vom vorbeiströmenden venösen Blut abgekühlt
          • Venöses Blut, das von der Peripherie ins Zentrum fließt, wird vom arteriellen Blut aufgewärmt
      • Nutzen
        • Bei Kälte: Durch Regulationsmechanismen werden die Gefäße eng gestellt. Dies verbessert den Wärmeaustausch des im Sinne des Gegenstromprinzips aneinander vorbeiziehenden Bluts, sodass die Wärme im Körperkern bleibt und nur ganz wenig in der Peripherie verloren geht
        • Bei Wärme: Durch Regulationsmechanismen werden die Gefäße weit gestellt. Das im Sinne des Gegenstromprinzips aneinander vorbeifließende Blut kann nun schlechter Wärme austauschen . Die Arterien nehmen also mehr Wärme mit in die Peripherie.
    • Lewis-Reaktion: Lokale Schutzreaktion der Hautgefäße bei Kälte
      • Prinzip: Erweiterung der Hautgefäße und damit Steigerung der Durchblutung für einen kurzen Moment in regelmäßigen Abständen

Anpassung an extreme Temperaturen

Es gibt nur einen relativ schmalen Temperaturbereich, in dem wir die Umgebungstemperatur als behaglich empfinden. Weicht die Temperatur von dieser sog. Indifferenztemperatur ab, werden die Regulationsmechanismen des Körpers aktiviert. Auch langfristige Veränderungen sind möglich, wenn man über einen längeren Zeitraum in Gebieten mit extremen Temperaturbedingungen lebt.

Die Indifferenztemperatur ist umso höher, je stärker die Wärmeabgabe gefördert wird! Da die Wärmeabgabe im Wasser mittels Konduktion deutlich stärker ist, friert man im Wasser schneller als an der Luft!

Anpassungsreaktionen Kurzfristig Langfristig
Wärmebelastung
  • Schweißproduktion bereits bei geringeren Temperaturen
  • Andere Schweißzusammensetzung: Elektrolytgehalt↓ (hypoton)Blutplasma ist im Verhältnis dazu dann hypertoner → Durstgefühl↑ → Trinkmenge↑ → Plasmavolumen
Kältebelastung

Wiederholungsfragen zum Kapitel Energie- und Wärmehaushalt

Energiehaushalt

Was beschreibt der Wirkungsgrad in Bezug auf den Energiehaushalt des menschlichen Körpers?

Nenne die physiologischen Brennwerte von Lipiden, Kohlenhydraten, Proteinen und Alkohol! Was ist der Unterschied zwischen physiologischem und physikalischem Brennwert und bei welchem Nährstoff sind sie gleich groß?

In welchen Formen kann der Körper überschüssige Energie speichern und welche dieser Formen hat den größten Anteil an den Energiespeichern?

Nenne exemplarisch den Anteil einiger wichtiger Organe am Gesamtumsatz des Körpers!

Welche Messgrößen nutzen die direkte und indirekte Kalorimetrie zur Bestimmung des Energieumsatzes?

Wie lautet die Formel zur Berechnung des Energieumsatzes bei der indirekten Kalorimetrie?

Was bezeichnet man als respiratorischen Quotienten und wie wird er berechnet?

Was bezeichnet man als kalorisches Äquivalent und wie hoch ist es bei Mischkost ungefähr?

Wärmehaushalt

Welche Möglichkeiten stehen dem Organismus für die Wärmebildung zur Verfügung?

Wie erfolgt die Wärmeabgabe bei Außentemperaturen, die über der Körpertemperatur liegen?

Was ist der zugrundeliegende Pathomechanismus bei der Entstehung von Fieber?

Wie und warum ändert sich die Zusammensetzung des Schweißes im Rahmen der Wärmeakklimatisation bei hohen Außentemperaturen?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.