Der Energie- und Wärmehaushalt des Menschen: Ein Balanceakt

Bild: “Photo of sweating at Wilson Trail Stage 1” von Minghong. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Der Energiehaushalt des Menschen

Energie und Leistung

Energie ist physikalisch die Speicherform von Arbeit. Energie wird in der Einheit Joule [J] (1 Joule = N*m) angegeben und kann zum Beispiel als kinetische, thermische oder elektrische Energie vorliegen. Die Einheit der Kalorie [cal] benutzt man für die Energieform der Wärme und ist für die Beschreibung des Energiegehalts von Nahrungsmitteln üblich. Dabei gilt: 1 cal entspricht 4,187 Joule.

Der Energieumsatz des Menschen ist physikalisch als Leistung (Energie/Zeit) zu verstehen und hat die Einheit Watt [W] (1 Watt = 1 Joule/s). Meist bezieht man den Umsatz jedoch auf den gesamten Tag und die Werte werden in Joule/Tag angegeben.

Der Energieumsatz

Ohne Unterbrechung laufen im menschlichen Körper Arbeitsprozesse verschiedener, lebensnotwendiger Grundfunktionen ab. Diese benötigen einen basalen Wert an Energie, den man als Grundumsatz (GU) bezeichnet. Um den Grundumsatz zu definieren, wird eine Reihe an standardisierten Bedingungen festgelegt. Diese 4 Bedingungen sind:

• Körperliche und geistige Ruhe
• Nüchtern
• Indifferenztemperatur
• Frühe Morgenstunden

Bild: “Grundumsatz von Männern und Frauen in Abhängigkeit von Alter und Gewicht; bestimmt mit der Mifflin-Formel und der BMI-Formel” von Shaddim. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Die Messung in den frühen Morgenstunden bedingt sich durch den circadianen Rhythmus der Körpertemperatur, mit der gleichzeitig auch der Energieumsatz früh morgens auf ein Minimum fällt.

Um den Grundumsatz gesunder Personen annähernd abzuschätzen, nutzt man folgende Formel: Der Grundumsatz ist ca. 100 kJ pro kg Körpergewicht pro Tag oder aber ca. 1 Watt/kg. Somit ergibt sich für eine Person mit 70 kg Körpergewicht ein Grundumsatz von etwa 7000 kJ/d.

Der Grundumsatz erhöht sich bei Fieber, Kälteadaptation und unter dem Einfluss von Cortisol (Stress) und Schilddrüsenhormonen (Hyperthyreose). Frauen haben einen natürlich niedrigeren Grundumsatz als Männer.

Wird der Energieumsatz durch geistige oder leichte körperliche Tätigkeit gesteigert, spricht man vom Freizeitumsatz bzw. Soll-Umsatz. Er liegt etwa 30% über dem Grundumsatz. Bei starker Umsatzsteigerung durch körperliche Belastung spricht man vom Arbeitsumsatz.

Die Energieträger und ihre Brennwerte

Um den Energieverbrauch des Menschen zu kompensieren und die Energiebilanz konstant zu halten, müssen energiereiche Nährstoffe verwertet („verbrannt“) werden. Die Energiezufuhr des Menschen erfolgt über die drei wesentlichen Nahrungssubstrate Kohlenhydrate, Fette und Proteine.

Ihre mittleren physiologischen Brennwerte sind wie folgt:

Man unterscheidet den physikalischen und physiologischen Brennwert. Der physikalische Brennwert von Nährstoffen ist der absolute Energiegehalt, der physiologische Brennwert ist der vom menschlichen Körper verwertbare Anteil an dieser Energie.

Dies spielt in der Nahrungsverwertung nur für Proteine (Eiweiße) eine Rolle, da der Mensch nicht die komplette Energie (23 kJ/g) nutzen kann und unverwertbaren aber energiereichen Harnstoff (Urea) ausscheidet. Der physiologische Brennwert ist somit niedriger als der physikalische.

Kalorimetrie und das kalorische Äquivalent

Die Bestimmung des Energieumsatzes wird als Kalorimetrie bezeichnet. Die direkte Kalorimetrie über die Messung der bei einer Verbrennungsreaktion abgegebenen Wärme wird heute nicht mehr eingesetzt. In der Sport- und Arbeitsmedizin hat die indirekte Kalorimetrie dagegen noch eine gewisse Bedeutung. Hierbei wird ausgehend von dem Sauerstoffverbrauch des Patienten auf die verbrauchte Energiemenge geschlossen.

Um aus dem O₂-Verbrauch Rückschluss auf die umgesetzte Energie zu ziehen, benötigt man das Kalorische Äquivalent (KÄ). Dieses gibt spezifisch für ein bestimmtes Substrat die Energiemenge an, die bei Verbrennung unter Verbrauch von einem Liter O₂ freigesetzt wird. Das kalorische Äquivalent liegt bei einer durchschnittlichen mitteleuropäischen Ernährung bei 20 kJ pro Liter verbrauchten O₂. Die kalorischen Äquivalente der einzelnen Nährstoffe finden sich in der Tabelle. Um den Sauerstoffverbrauch der betreffenden Person zu bestimmen, greift man üblicherweise auf die Spirometrie zurück.

Der respiratorische Quotient

Das kalorische Äquivalent von 20kJ pro Liter verbrauchten Sauerstoff gilt für mitteleuropäische Mischkost und kann je nach Nahrungszusammensetzung abweichen. Da die kalorischen Äquivalente von Kohlenhydraten, Fett und Proteinen zwischen 19 kJ und 21 kJ pro Liter O₂ liegen, ist der mögliche Fehler recht gering.

Um jedoch ein genaueres Ergebnis zu erlangen, muss man über den Respiratorischen Quotienten (RQ) das hauptsächlich verbrannte Substrat identifizieren. Dieser bezeichnet das Verhältnis zwischen abgegebenem CO₂ zu aufgenommenem O₂ und liegt nahrungsabhängig zwischen 0,7 und 1,0. Die jeweiligen respiratorischen Quotienten bei ausschließlicher Verbrennung eines Substrates gibt diese Tabelle an. Die CO₂-Abgabe wird ebenfalls in der offenen Spirometrie bestimmt.

Der Body-Mass-Index (BMI)

Eine unausgeglichene Energiebilanz bewirkt beim Menschen eine Zu- oder Abnahme des Körpergewichts und damit des Body-Mass-Index (BMI). Ein erhöhter BMI beruht meist auf der Zunahme von Fettgewebe bei über lange Zeit positiver Energiebilanz, kann jedoch auch die wachsende Muskelmasse bei Sportlern widerspiegeln. Ab einem BMI von > 30 besteht ein deutlich höheres Risiko für kardiovaskuläre Erkrankungen und Diabetes mellitus und dadurch eine signifikant erhöhte Mortalitätsrate.

Bild: “Simplified graph of body mass index” von User:Amog. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Die optimale Nahrungszusammensetzung

Die Anteile der verschiedenen Nahrungsbestandteile einer ausgewogenen Diät sollten sich an folgenden Vorgaben orientieren: Die empfohlene Tageszufuhr für Proteine liegt bei 1g Eiweiß pro kg Körpergewicht pro Tag. Dies bezeichnet man als Eiweiß-Optimum und sichert den täglichen Umbau von Strukturproteinen. Der Energiebedarf des Menschen sollte zu etwa 50 % durch Kohlenhydrate, zu 30% durch Fett und zu 10 % durch Proteine gedeckt werden. Die Energie aus Alkohol macht häufig 5 % des Tagesbedarfs aus, sollte aber unter keinen Umständen einen deutlich größeren Anteil darstellen.

Der Wärmehaushalt des Menschen

Der menschliche Körper ist für eine zuverlässige Funktion auf eine konstante Körpertemperatur angewiesen. Es gibt verschiedene Regulationsmechanismen, um dies mit größter Sicherheit und trotz schwankender Außenbedingungen zu gewährleisten.

Die bei Verbrennungsreaktionen im Körper entstehende Wärme muss einerseits zum Erhalt einer stabilen Temperatur genutzt werden, andererseits aber auch effektiv wieder an die Umwelt abgegeben werden können, wenn überschüssige Energie vorhanden ist. Die normale Körpertemperatur liegt bei etwa 37 °C, schwankt allerdings physiologisch in einem circadianen Rhythmus um etwa 1 °C.

Die Regulation der Körpertemperatur

Die Fähigkeit zum Erhalt einer konstanten Körpertemperatur von rund 37 °C wird als Thermoregulation bezeichnet und das Zentrum der Temperatur- und Stoffwechselregulation liegt im Hypothalamus. Sowohl direkt vor Ort, als auch in der Peripherie befinden sich Kälte- und Wärmerezeptoren (Thermorezeptoren), die ihre Informationen an das Thermoregulationszentrum weitergeben. Hier wird ebenfalls der sogenannte Sollwert festgelegt, also die Temperatur, die der Körper zu erhalten versucht.

Bei den Temperaturverhältnissen im Körper unterscheidet man den Körperkern, also den Stamm der die lebenswichtigen Organe enthält, von der Körperschale (Peripherie), also den Extremitäten. Der Wärmeaustausch funktioniert über den Blutstrom. Oberste Priorität widmet der Körper dem Erhalt der Körperkerntemperatur. Wenn die Umgebung den Körper also auskühlt, wird der Blutstrom in die Peripherie reduziert, sodass diese gegenüber dem Körperkern stärker abkühlt.

Diese Reaktion auf milde Hypothermie nennt sich Zentralisation und vermindert Wärmeverluste über die große Oberfläche der Extremitäten. Die Temperatur der Körperschale kann bei großer Kälte bis zu 9 °C von der Körperkerntemperatur abweichen. Von außen erkennt man blasse Haut und bläulich verfärbte Lippen. Bei warmer Umgebungstemperatur erweitern sich die Gefäße in der Haut und die Peripherie wird gut durchblutet. In diesem Fall nähern sich die Temperaturen im Körperkern und der Peripherie sehr weit aneinander an.

Indifferenztemperatur

Ein für den Menschen als angenehm empfundener Temperaturbereich, in dem die Thermoregulation keinen großen Aufwand erfordert und allein durch die Hautdurchblutung konstant gehalten werden kann, bezeichnet man als Indifferenztemperatur. Bei einem unbekleideten Menschen in Ruhe und mittlerer Luftfeuchtigkeit liegt diese bei 28-30 °C, beim bekleideten Menschen geht man von etwa 22 °C aus. Außerhalb dieser Zone müssen verschiedene Mechanismen zum Einsatz kommen, um die konstante Körpertemperatur von 37 °C zu gewährleisten.

Wärmebildung

Bei chemischen Reaktion, insbesondere Verbrennungsreaktionen, entsteht Wärme im menschlichen Körper. Die Wärmeproduktion einzelner Organe in Ruhe und unter Belastung und deren Anteil an der gesamten entstehenden Wärme unterscheidet sich stark. Insbesondere durch Muskelaktivität kann die Wärmeproduktion erheblich gesteigert werden und einen Anteil von bis zu 90 % liefern.

Neben dem zunehmenden Drang zu körperlicher Bewegung bei Kälte in Form von willkürlicher Muskelaktivität, kann durch Kältezittern zusätzliche Wärme produziert werden. Bei dieser unwillkürlichen Reaktion werden reflektorisch auch Antagonisten aktiviert, sodass keine tatsächliche Bewegung resultiert.

Gut durchblutetes und energiereiches Braunes Fettgewebe bietet eine für den Säugling immens wichtige Form der Wärmeproduktion, die man zitterfreie Wärmebildung nennt. Das Membranprotein Thermogenin, auch UCP-1 (= uncoupling protein 1) entkoppelt die Atmungskette. Auf diese Weise wird der Abbau von Fettsäuren „kurzgeschlossen“, sodass kein ATP gebildet wird und nahezu die gesamte Energie in Form von Wärme freigesetzt wird. So kann durch ß-Adrenorezeptoren stimuliert, besonders schnell Wärme bereitgestellt werden.

Wärmeabgabe

Bei schwerer körperlicher Arbeit entsteht vor allem durch Muskelarbeit viel thermische Energie. Um diese überschüssige Wärme wieder abzugeben, stehen dem Körper vier verschiedene Mechanismen zur Verfügung.

Konduktion oder Wärmeleitung bezeichnet die Abgabe von Wärme über die Haut bei direktem Kontakt mit einem anderen Material. Bei Berührung verliert der Mensch hier Wärme, wobei das Ausmaß dieses Wärmeaustausches erheblich von der Wärmeleitfähigkeit des Materials abhängt. So erscheint uns Metall, das sehr leitfähig ist, deutlich kälter als beispielsweise Holz und mehr Wärme geht über Konduktion verloren.

Von Konvektion hingegen spricht man bei der Übertragung von Wärme auf ein Medium in Bewegung, also meist die Luft die uns umgibt. Die Körperoberfläche erwärmt eine Schicht ruhende Luft, die daraufhin aufsteigt und von nachströmender kalter Luft ersetzt wird. Ist das Medium in Bewegung, also der Austausch beschleunigt, erhöht sich der Wärmeaustausch, weshalb die gefühlte Temperatur bei Wind kälter ist. Auch in einem Medium mit höherer Leitfähigkeit, z.B. Wasser, ist der Wärmeverlust größer. Unter standardisierten Bedingungen erfolgen etwa 15 % der Wärmeabgabe über Konvektion.

Im Gegensatz zu Konduktion und Konvektion erfordert Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung) keinen direkten Kontakt. Ohne Unterbrechung gibt jeder Körper Energie an Gegenstände in der Umgebung ab. Das Ausmaß hängt hier vor allem von der Temperaturdifferenz ab. Im Schnitt verlässt etwa 60 % der Wärme auf diesem Weg den menschlichen Körper.

Verdunstung (Evaporation) ist ein effektiver Mechanismus des Menschen, um überschüssige Wärme abzugeben und zusätzlich bei Umgebungstemperaturen über 36 °C der einzige. Schwitzen (Perspiratio sensibilis) ist vom Körper regulierbar und unterliegt dem Einfluss cholinerger Fasern des sympathischen Nervensystems. Schweißdrüsen besitzen ausschließlich cholinerge Rezeptoren, ihr Neurotransmitter ist dementsprechend Acetylcholin.

Die Verdunstungswärme von Wasser ist 2400 kJ/l, hier ist also ein hohes Maß an Wärmeabgabe möglich, das jedoch von hoher Luftfeuchtigkeit limitiert wird. Verliert der Körper über das Schwitzen große Mengen an elektrolytarmer Flüssigkeit, kann es auf diesem Wege zu einer hypertonen Dehydratation kommen. Ganz unwillkürlich verliert der Körper jeden Tag über Verdunstung an Haut und Schleimhäuten, beispielsweise der Atemwege eine Menge von etwa 500 ml Flüssigkeit. Dieses Phänomen heißt Perspiratio insensibilis und trägt trotz fehlender Regulationsmechanismen nicht unwillkürlich zum Wärmeverlust bei.

Bild: “The Hypothalamus Controls Thermoregulation.” von philschatz. Lizenz: CC BY 4.0

Fieber

Hyperthermie liegt vor, wenn die Körperkerntemperatur durch beispielsweise starke körperliche Belastung gesteigert wird und die Mechanismen der Wärmeabgabe nicht ausreichen. Im Falle von Fieber hingegen ist der Sollwert der Körpertemperatur in den Zentren der zentralen Thermoregulation erhöht. Dies kann verschiedene Ursachen haben. Häufig sind es bakterielle Entzündungen, aber auch maligne Prozesse können verantwortlich sein.

Für die Steigerung des Sollwertes sorgen im Körper fieberauslösende Botenstoffe, die man in ihrer Gesamtheit als Pyrogene bezeichnet. Die Gruppe körperfremder, exogener Pyogene besteht insbesondere aus Viren und Bestandteilen von Bakterien (Polysaccharide), die über die Interaktion mit Makrophagen und Granulozyten zur Freisetzung von Botenstoffen des Immunsystems führen. Diese Mediatoren wiederum bezeichnet man als endogene Pyrogene und ihre wichtigsten Vertreter sind Interleukin-1 (IL-1), Interferone und Tumornekrosefaktoren. Am Ende der Kaskade stehen Prostaglandine, die am Hypothalamus eine Erhöhung des Sollwertes bewirken.

Bild: “Typischer Verlauf von Fieber. Die grüne Linie zeigt den Sollwert, die rote die tatsächliche körpertemperatur.” von DooFi. Lizenz: gemeinfrei

Um die Entwicklung eines Patienten mit Fieber abzuschätzen, bedient man sich einiger klinischer Zeichen ansteigenden oder abfallenden Fiebers. Im Fieberanstieg zeigen Patienten häufig starkes Kälteempfinden, Vasokonstriktion an der Haut und Schüttelfrost, da hier die Körperkerntemperatur unterhalb des (erhöhten) Sollwerts liegt. Im Fieberabfall dagegen kommt es zu Vasodilatation und ausgeprägtem Schwitzen. Medikamente, die das Fieber senken, nennt man Antipyretika und sie wirken, wie zum Beispiel Ibuprofen, häufig über die Hemmung der Prostaglandinsynthese.

Beliebte Prüfungsfragen zum Energie- und Wärmehaushalt

Die Lösungen befinden sich unterhalb der Quellenangaben.

1. Wie viel Gramm Fett haben den gleichen Energiegehalt wie 50 g Stärke?

1. etwa 100 g
2. etwa 850 g
3. etwa 39 g
4. etwa 21 g
5. etwa 50 g

2. Wie viel Energie verbraucht der menschliche Körper bei Mischkost und einem Sauerstoffverbrauch von 12 l?

1. 1200 kJ
2. 240 kJ
3. 120 kcal
4. 300 J
5. 120 kJ

3. Welche Aussage zum Wärmehaushalt ist falsch?

1. Die Wärmestrahlung macht in Ruhe den größten Teil der Wärmeabgabe aus.
2. Kältezittern ist eine willkürliche Reaktion des Körpers auf Kälte.
3. Die Thermoregulation spielt sich maßgeblich im Hypothalamus ab.
4. Pyrogene bewirken eine Erhöhung der Solltemperatur des Menschen.
5. Schweißdrüsen werden über cholinerge Rezeptoren für Acetylcholin stimuliert.

Quellen

Endspurt Vorklinik: Physiologie 2: Die Skripten fürs Physikum, Thieme Verlag

Fischer: MEDI-LEARN: Physiologie 1-6 – Die Physikumsskripte, 4. Auflage

Schmidt: Physiologie des Menschen, Springer Verlag

V. Energie- und Stoffwechsel via medunigraz.at

Lösungen zu den Fragen: 1D, 2B, 3B

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