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KANTONSSCHULE SCHAFFHAUSEN, Biologie, Raphael RiedererE-Mail: [email protected]

Bestimmung des Energieumsatzes mittels eines Spirometers

Eine zentrale Grösse in der Betrachtung des Energiehaushalts ist der Grundumsatz. Dabei handelt es sich um denjenigen Energieumsatz, der morgens, nüchtern, liegend und in völliger Entspannung bei Körpertemperatur gleich der Umgebung gemessen wird. Der Energieumsatz bei körperlicher Arbeit wird Arbeitsumsatz genannt. In den Zellen läuft z. B. neben der Zellatmung in den Mitochondrien die Neusynthese von Proteinen ab. Auch Muskelzellen der Skelettmuskulatur kontrahieren sich bei körperlicher Arbeit. Der minimale Energieumsatz, bei dem der Organismus gerade noch überlebt, heisst Erhaltungsumsatz: Die Körperzellen zeigen keine aktive Syntheseleistung. Die Energie wird lediglich zur Aufrechterhaltung der Zellstrukturen benötigt.Wird auch der Erhaltungsumsatz unterschritten, kommt es zum Zelltod und damit zur irreversiblen Schädigung und zum Ausfall lebenswichtiger Organe wie Herzmuskel und Atemmuskulatur.

Messung des Energieumsatzes (direkte und indirekte Kalorimetrie)Bei der Verbrennung der Nährstoffe im Körper, der biologischen Oxidation, wird genauso viel Energie freigesetzt wie bei der Verbrennung der Substanz ausserhalb des Körpers. Zur Messung des Energieumsatzes gibt es zwei verschiedene Verfahren:

1) Direkte Kalorimetrie: Dabei werden alle Energieumsätze im Körper über die Wärmeabgabe gemessen. Dies ist deshalb möglich, weil schliesslich alle Energieformen, so auch die chemische Energie der Nährstoffe, in Wärme überführt werden. Bei dieser Methode der Messung des Energieumsatzes wird ein Versuchsorganismus in einen völlig abgeschlossenen Raum gebracht, bei dem die Wärmeabgabe genau kontrolliert werden kann.

2) Indirekte Kalorimetrie: Bei dieser Messmethode geht man davon aus, dass bei der biologischen Oxidation im Körper zwischen der oxidierten Substanzmenge und der dabei verbrauchten Sauerstoffmenge eine stöchiometrische Beziehung besteht. Man braucht also lediglich die Menge des aufgenommenen und des verbrauchten Sauerstoffs zu bestimmen und kann dann auf den Energieverbrauch bzw. Energieumsatz schliessen.

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Physikalischer und physiologischer BrennwertUm aus dem Sauerstoffverbrauch den Energieverbrauch berechnen zu können, muss man zuerst wissen, wie viel Energie bei der Verbrennung der drei Nährstoffgruppen freigesetzt wird. Man hat ihn für verschiedene Kohlenhydrate, Fette und Eiweissstoffe bestimmt. Derartige Messungen werden in einem Kalorimeter durchgeführt. Dazu verbrennt man jeweils ein Gramm eines Nährstoffs und bestimmt die dabei gebildete Wärmemenge. Man erhält so den physikalischen Brennwert. Im Körper werden Kohlenhydrate und Fette vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser oxidiert. Eiweisse werden jedoch nur bis zum Harnstoff abgebaut. Die Energieausbeute dieser biologischen Oxidation im Körper ergibt den physiologischen Brennwert. Bei Kohlenhydraten und Fetten stimmen physikalischer und physiologischer Brennwert überein. Beim Eiweissabbau ist der physiologische Brennwert geringer als der physikalische Brennwert, da der ausgeschiedene Harnstoff noch einen gewissen Energieinhalt hat.

Kalorisches ÄquivalentWill man nun von der Sauerstoffaufnahme auf den Energieumsatz im Körper schliessen, so muss man wissen, wie viel Energie pro Liter verbrauchten Sauerstoffs bei einem bestimmten Nährstoff frei wird. Man nennt diese Energiemenge das kalorische Äquivalent, bezogen auf den jeweiligen Nährstoff (auch Energieäquivalent des Sauerstoffs genannt). Es lässt sich aus dem physikalischen Brennwert einer Substanz und der zur Oxidation nötigen Sauerstoffmenge ermitteln. Das kalorische Äquivalent ist für die einzelnen Nährstoffe verschieden gross. Will man den Energieumsatz im Organismus mithilfe des kalorische Äquivalents beschreiben, muss man den Anteil der verschiedenen Nährstoffgruppen am gesamten Energieumsatz kennen.

Berechnungen von Brennwerten und kalorischen Äquivalenten:

1) Kohlenhydrate (z. B. Glucose)C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2'822 kJ

a) Molekülmasse von Glucose: 6 x 12 + 12 x 1 + 6 x 16 = 180 g (=1 mol)b) Sauerstoffverbrauch: 6 x 22.4 l = 134.4 lMerke: 1 mol Sauerstoff (O2) nimmt bei Raumtemperatur ein Volumen von 22.4 l ein. 1 mol eines Stoffes enthält ungefähr 6.022 x 1023 Teilchen (Atome oder Moleküle).

c) Physikalischer und physiologischer Brennwert: 2'822 kJ / 180 g = 15.7 kJ/g Glucosed) Kalorisches Äquivalent: 2'822 kJ / 134.4 l = 21.0 kJ/l O2

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2) Fette (z. B. Stearinglycerinester) → Aufgabe: Ergänzen Sie die fehlenden Angaben analog des Glucose-Beispiels.

C57H110O6 + 81.5 O2 → 57 CO2 + 55 H2O + 34’285 kJ

a) Molekülmasse von Stearinglycerinester:

b) Sauerstoffverbrauch:

c) Physikalischer und physiologischer Brennwert:

d) Kalorisches Äquivalent:

3) Proteine (z. B. Aminosäure Alanin) → Aufgabe: Ergänzen Sie die fehlenden Angaben.

C3H7NO2 (= Alanin) + 3 O2 → 0.5 CH4N2O (= Harnstoff) + 2.5 CO2 + 2.5 H2O + 1’352 kJ

a) Molekülmasse von Alanin:

Molekülmasse von Harnstoff:

b) Sauerstoffverbrauch:

c) Physikalische Brennwerte:Alanin: Harnstoff:

Hinweis: Die Verbrennung von 1 mol Alanin liefert 1‘669 kJ, diejenige von Harnstoff 634 kJ (Standardverbrennungsenergie).

c) Physiologischer Brennwert:

Hinweis: Bei der Veratmung von 1 mol Alanin werden 0.5 mol Harnstoff gebildet. Die für den Körper verwertbare Energiemenge ist deshalb die Differenz aus dem physikalischen Brennwert von Alanin und demjenigen von Harnstoff.

d) Kalorisches Äquivalent:

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Respiratorischer QuotientWoher weiss man eigentlich, welcher Energiespeicher des Körpers in einer bestimmten Situation angezapft wird? Eine Möglichkeit, den Anteil von Kohlenhydraten, Fetten und Eiweissen am Energieumsatz zu bestimmen, bietet der Respiratorische Quotient (RQ). Er ist das Verhältnis von abgegebenem Kohlenstoffdioxid und aufgenommenem Sauerstoff, also:

RQ=VolumenCO2(abgegeben)VolumenO2(aufgenommen)

Der RQ ist von der chemischen Zusammensetzung der Stoffe abhängig und für jede der drei Nährstoffgruppen charakteristisch. Kohlenhydrate, deren Moleküle sehr sauerstoffreich sind, benötigen zum oxidativen Abbau weniger Sauerstoff. Ihr RQ liegt bei 1.0. Fette enthalten vergleichsweise wenig Sauerstoff im Molekül, es muss also zur Oxidation mehr Sauerstoff durch die Atmung hinzugefügt werden. Ihr RQ liegt bei 0,7. Proteine nehmen mit einem RQ von 0,8 eine MittelsteIlung ein. Unter normalen Ernährungsbedingungen und bei gemischter Nahrung liegt der RQ eines Menschen in Mitteleuropa bei ca. 0.82.Sie werden sich vielleicht fragen, welchen Nutzen es haben soll, den RQ-Wert zu kennen. Nun, beispielsweise hat man so die „Fettverbrennungszone“ gefunden, also den Trainingsbereich mit maximalem Fettabbau. Er liegt bei einer niedrigen Trainingsintensität, nämlich bei 55 bis 70 % der maximalen Pulsfrequenz (maximale Pulsfrequenz = 220 Schläge pro Minute minus Lebensalter).Aus dem RQ-Wert schliesst man auf die Zusammensetzung der veratmeten Stoffe, aus ihrem Brennwert schliesst man auf ihren Energiegehalt.

EnergieumsatzInteressant ist die Frage, welche Energie der Mensch mit der Nahrung aufnimmt und welche Energie er für seine körperlichen und geistigen Aktivitäten benötigt. Überschüssige Energie wird nämlich in Form von Reservefetten gespeichert. Man kann den Energieumsatz Q eines Lebewesens berechnen, wenn man die Sauerstoffaufnahme bestimmt und mit dem kalorischen Äquivalent wie folgt in Beziehung setzt:

Wodurch wird der Energiebedarf bestimmt?Der Energiebedarf ist von Mensch zu Mensch und von Tag zu Tag verschieden. Wie viel Energie ein Mensch benötigt, hängt von vielen äusseren (Temperatur, Tätigkeit, usw.) und inneren Faktoren (Muskel-, Fett- und Wasser-Anteil, Temperament, usw.) ab. Der Energieumsatz setzt sich zusammen aus:Energieumsatz = Grundumsatz + Leistungsumsatz

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Q = VO2 x Kalorisches Äquivalent(Energieumsatz in kJ/Tag)(Sauerstoffverbrauch in l/Tag)(in kJ/l O2)


GrundumsatzDer Grundumsatz wird gemessen, während man im nüchternen Zustand völlig entspannt bei angenehmer Temperatur (20 oC) auf einer Liege ruht, und zwar wiederum über den Sauerstoffverbrauch.Genaue Messungen sind in bestimmten Fällen wichtig, aber zur groben Orientierung können Sie Ihren Energieumsatz auch aus Ihrem Körpergewicht und Ihrer Aktivität abschätzen. Eine Faustregel zur einfachen Abschätzung des Grundumsatzes lautet:

Grundumsatz bei einer Frau in kJ/Tag:kg (Körpermasse) x 24 (Stunden des Tages) x 3.8

Grundumsatz bei einem Mann in kJ/Tag:kg (Körpermasse) x 24 (Stunden des Tages) x 4.2

Ihr Grundumsatz beträgt also:

LeistungsumsatzJede weitere Leistung, die ein Mensch zusätzlich zum Grundumsatz vollbringt, verbraucht weitere Energie. Diese Energiemenge wird als Leistungsumsatz bezeichnet und wird ebenfalls über den Sauerstoffverbrauch bestimmt. Ihren Energieumsatz, also die Summe aus dem Grund- und dem Leistungsumsatz, können Sie abschätzen, indem Sie Ihren Grundumsatz mit einem Aktivitätsfaktor multiplizieren. Dieser beträgt zwischen 1.2 im Liegen oder Sitzen und bis über 6 bei schwerer körperlicher Arbeit. Beim Leistungssport kann er noch viel höher ausfallen. Im normalen Schulunterricht kommen Sie auf einen Aktivitätsfaktor von etwa 2.0.

Ihr Energieumsatz beträgt also:

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kJ/Tag

kJ/Tag


Experiment: Bestimmen Sie nun selbst Ihren Energieumsatz mit dem Spirometer von Vernier:

Luftvolumen pro Atemstoss in Liter:

Anzahl Atemzüge pro min:

Aufgenommene Luftmenge pro min:

Aufgenommene Sauerstoffmenge in l/min (Annahme: 4.5 % der eingeatmeten Luftmenge):Sauerstoffverbrauch in l/Tag:

Kalorisches Äquivalent mitteleuropäischer Ernährung (Mischkost) [kJ/Tag] 20.2 kJ/l O2

Energieumsatz in kJ/Tag (Q):

Quelle:E. Westendorf-Bröring, I. Mackensen-Friedrichs, E. R. Lucius: Grüne Reihe, Stoffwechselphysiologie. Schroedel, 2006.

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Anleitung für Vernier Spirometer (Logger Pro Version 3.8.6.1)

Vernier LabPro-Interface mit dem Netzstecker verbinden, USB-Verbindung mit dem Computer herstellen

Spirometer-Sensor am Interface anschliessen Vernier-Software Logger Pro auf dem Computer starten Spirometer sollte automatisch erkannt werden, andernfalls im

Register „Versuch“ unter „Sensoren konfigurieren“ → „Alle Schnittstellen anzeigen“ bei der benutzten Schnittstelle den Sensor „Spirometer“ auswählen.

Im Register „Versuch“ → auf „Kalibrieren“ klicken und den angeschlossenen Spirometer am LabPro-Interface auswählen. Im Register „Kalibrieren“ auf den Button „Jetzt kalibrieren“ klicken und im sich öffnenden Textfeld „0,0“ (m/s) eintippen. Bevor man auf den Button „Beibehalten“ klickt, darauf achten, dass der Spirometer perfekt senkrecht gehalten wird und sich bereits auf Mundhöhe befindet. Der Sensor ist nun kalibriert und man kann auf den Button „Fertig“ klicken.

Darauf achten, dass in der Symbolleiste die erste Seite „1: Durchfluss“ ausgewählt ist.

Im Register „Versuch“ → „Datenerfassung“ anklicken und im sich öffnenden Fenster das Register „Erfassung“ öffnen. Dabei soll der Modus „Zeitgesteuert“, die Erfassungsdauer (Duration) auf 60 Sekunden eingetippt und die Abtastrate auf 100 Punkte/Sekunde gesetzt werden. Nun das Register „Triggern“ öffnen, die Auswahlbox „Triggern:“ aktivieren und bei der Radio-Button-Beschriftung „Datenerfassung starten, wenn:“ den Radio-Button auf „Zunehmend“ stellen, den Radio-Button „Über den Bereich“ anklicken und im Eingabefeld „0,0“ (l/s) eintippen. Zum Abschluss auf den Button „Fertig“ klicken. Der Sinn des Triggern besteht darin, dass die Datenerfassung erst beim Ausatmungsvorgang startet. Somit wird das Handling etwas erleichtert (ist aber auch Gewöhnungssache).

Zur Datenaufnahme den Spirometer wiederum senkrecht halten, das Mundstück mit der Bezeichnung „Inlet“ vollständig mit den Lippen umschliessen und den grünen Button mit dem weissen Dreieck und der Bezeichnung „Starten“ klicken. Es wird nun während einer Minute die Atem-Durchflussmenge in Liter/Sekunde aufgezeichnet. Wichtig ist, dass die Atemtiefe sowie die Atemfrequenz nicht künstlich verändert werden,

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sondern der natürlichen Atmung vor Versuchsbeginn entsprechen. Sonst ist es nicht möglich, Rückschlüsse auf den momentanen Energieumsatz zu ziehen.

Falls die Aufzeichnung vorzeitig beendet werden sollte, auf den roten Button mit dem weissen Quadrat und der Bezeichnung „Stopp“ klicken. Auf dem Bildschirm sollte nun eine Graphik - wie nachfolgend gezeigt - sichtbar sein.

Im Register „Analysieren“ das Feld „Integral“ anklicken. Zur Bestimmung der zu integrierenden Fläche können die eckigen Klammern auf beiden Seiten der Null-Linie mit einem linken Mausklick verschoben werden. Nun wählen wir eine durchschnittliche Einatmungsfläche (unterhalb der Null-Linie) aus, indem wir die eckigen Klammern wie unten gezeigt links und rechts in der Null-Linie mittig positionieren. Der Wert in Liter wird in einem Textfeld angezeigt (hier: 0,7542 L) und kann für die obige Berechnung verwendet werden. Nicht vergessen, aus dem Diagramm die Atemfrequenz zu ermitteln (hier: 11 Atemzüge/min).

Der hiermit empirisch bestimmte Energieumsatz ergibt hochgerechnet auf den ganzen Tag einen Wert von 10‘859 kJ. Für eine erneute Datenerfassung wird gefragt, ob die Daten gespeichert, verworfen bzw. die neuen Daten an die alten angehängt werden sollen. Dies hat der Versuchsleiter natürlich selbst zu bestimmen.

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Lösungen:

2) Fette (z. B. Stearinglycerinester) → Aufgabe: Ergänzen Sie die fehlenden Angaben analog des Glucose-Beispiels.

C57H110O6 + 81.5 O2 → 57 CO2 + 55 H2O + 34’285 kJ

a) Molekülmasse von Stearinglycerinester: 57 x 12 + 110 x 1 + 6 x 16 = 890 g (=1 mol)

b) Sauerstoffverbrauch: 81.5 x 22.4 l = 1'825.6 l

c) Physikalischer und physiologischer Brennwert: 34'285 KJ / 890 g = 38.52 kJ/g

d) Kalorisches Äquivalent: 34'285 kJ / 1'825,6 l = 18,8 kJ/l O2

3) Proteine (z. B. Aminosäure Alanin) → Aufgabe: Ergänzen Sie die fehlenden Angaben.

C3H7NO2 (= Alanin) + 3 O2 → 0.5 CH4N2O (= Harnstoff) + 2.5 CO2 + 2.5 H2O + 1’352 kJ

a) Molekülmasse von Alanin: 3 x 12 + 7 x 1 + 2 x 16 + 1 x 14 = 89 g (=1 mol)

Molekülmasse von Harnstoff: 1 x 12 + 4 x 1 + 1 x 16 + 2 x 14 = 60 g (=1mol)

b) Sauerstoffverbrauch: 3 x 22.4 l = 67.2 l

c) Physikalische Brennwerte:Alanin: 1'669 kJ / 89 g = 18.75 kJ/gHarnstoff: 634 kJ / 60 g = 10.57 kJ/g

Hinweis: Die Verbrennung von 1 mol Alanin liefert 1‘669 kJ, diejenige von Harnstoff 634 kJ (Standardverbrennungsenergie).

c) Physiologischer Brennwert:1‘352 kJ/119 g = 11.36 kJ/g (bei dieser Gleichung ist die Molekülmasse von 119 g, also 89 g + 30 g beteiligt!)Hinweis: Bei der Veratmung von 1 mol Alanin werden 0.5 mol Harnstoff gebildet. Die für den Körper verwertbare Energiemenge ist deshalb die Differenz aus dem physikalischen Brennwert von Alanin und demjenigen von Harnstoff.

d) Kalorisches Äquivalent: 1‘352 kJ / 67.2 l = 20.1 kJ/l O2

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