Die täglich zugeführten Energieträger Zucker, Eiweiß und Fett werden im Stoffwechsel schrittweise zu Verbindungen geringerer Energie umgesetzt. Die dabei freiwerdende Energie wird vom Körper zum Aufbau von ATP, der universellen Energieeinheit, genutzt. Bei all diesen Prozessen wird ein Teil der zugeführten Energie in Form von Wärme frei. Mit dem Fokus auf klassische Prüfungsinhalte fasst dieser Artikel die wissenswerten Fakten zu diesem Themenkomplex zusammen.
Tipp: Keine Lust zu lesen? Dann starten Sie doch einfach kostenlos unseren Physikum Online-Repetitorium.

Bild: “Erneuerbare Energie” von Joern Spiegelberg. Lizenz: CC BY ND 2.0

Bild: “Erneuerbare Energie” von Joern Spiegelberg. Lizenz: CC BY ND 2.0


Energielieferanten

Es existieren drei Gruppen von Energieträgern: Kohlenhydrate, Fette und Proteine. Kohlenhydrate sind wichtige Energielieferanten für alle Zellen des Körpers. Speziell das Gehirn deckt sein Bedarf physiologischerweise fast zu 100 % durch Glukose. Im Hungerzustand kann das Gehirn zudem Ketonkörper als Energiequelle verwenden. Fette stellen den größten Anteil des Energiespeichers des Körpers dar, wobei sie ebenso entscheidend für den Aufbau von körpereigenen Substanzen sind. Proteine bestehen aus Aminosäuren. Diese werden vor allem als Bausteine für körpereigene Strukturen benötigt. Der Energiegehalt und die prozentual empfohlene Tageszufuhr kann folgender Tabelle entnommen werden. Diese Werte sollten für die Prüfung gelernt werden.

Nährstoff Physikalischer Brennwert [kJ/g] Biologischer Brennwert [kJ/g] Empfohlene Tageszufuhr [%]
Kohlenhydrate 17 17 50-60
Fette 39 39 30
Proteine 23 17 10-20

Proteine zeigen einen Unterschied zwischen physikalischem und biologischem Brennwert. Diese Differenz ist damit zu erklären, dass die Stoffwechselendprodukte der Proteine selbst einen Brennwert besitzen (Harnstoff).

Merke: Alkohol hat einen biologischen Brennwert von 29,7 kJ/g und liegt somit knapp unter dem der Fette!

Bestimmung des Energieumsatzes

Kalorisches Äquivalent (k.Ä.) bezeichnet den Energiewert, der bei Zufuhr eines bestimmen Nährstoffes pro eingeatmetem Liter O2 gewonnen wird. Wen die Tageszufuhr der einzelnen Nährstoffe und der O2-Verbrauch pro Zeit bekannt ist, kann damit der Energieumsatz eines Menschen errechnet werden.

Nährstoff Kalorisches Äquivalent [kJ/l O2]
Kohlenhydrate 17
Fette 39
Proteine 23
Mischkost 20

Beispielrechnung: Bei Mischkost entspricht das k.Ä. 20 kJ/l O2. Der Sauerstoffverbrauch liegt physiologischerweise bei 300 ml/min. Daraus lässt sich der Energieumsatz wie folgt errechnen:

k.Ä. x O2-Verbrauch = Energieumsatz

20 kJ/l O2 x 300 ml/min = 8640 kJ/Tag

Sind die Anteile der Nährstoffe nicht bekannt, kann der vorherrschende Energieträger mithilfe des respiratorischen Quotienten (RQ) bestimmt werden.

RQ = CO2-Abgabe/O2-Aufnahme

Nährstoff Respiratorischer Quotient
Kohlenhydrate 1,0
Fette 0,81
Proteine 0,70
Mischkost 0,82-0,85

Bei dem Abbau von Kohlenhydraten wird genauso viel CO2 abgegeben wie O2 aufgenommen wird.

Körpertemperatur und ihre Regulation

Beim Menschen unterscheidet man Körperkerntemperatur von Körperschalentemperatur. Die Temperatur des Kerns unterliegt einer strengen köpereigenen Regulation, wobei die Körperschale stark von der herrschenden Außentemperatur abhängig ist. Dabei ist die Körperschale Teil des Regelsystems der Körperkerntemperatur, da über sie überschüssige Wärme über Konduktion (Wärmeleitung) oder Konvektion (Wärmeabtrag durch Blutströmung) abgegeben werden kann. Diese Wärmeabgabe wird wiederum durch die Hautdurchblutung reguliert. Zudem kann die Haut durch Sekretion von Schweiß die Wärmeabgabe regulieren (Evaporation). Der größte Teil der Wärmeabgabe (ca. 60%) geschieht physiologischerweise über Strahlung, deren Stärke von der Temperaturdifferenz zwischen Körperoberfläche und Außentemperatur abhängig ist.

Merke: Mechanismen der Wärmeabgabe sind Konvektion, Konduktion, Evaporation und Strahlung!

Das Regelzentrum der Körperkerntemperatur liegt im Hypothalamus, in Teilen des Hirnstamms und im Rückenmark. Dort befinden sich die zentralen temperatursensiblen Neurone. In der Haut liegen die peripheren Temperatursensoren. Diese Kälte- und Wärmerezeptoren dienen bei Änderung der Außentemperatur als „Frühwarnsystem“ für den Körperkern. Die Regulation der Hautdurchblutung geschieht über den Sympathikus. α1-Rezeptoren vermitteln über Noradrenalin, dem Neurotransmitter des Sympathikus, eine Vasokonstriktion, wodurch die Wärmeabgabe verringert wird. Bei Verringerung der Sympathikusaktivität führt eine Vasodilatation zur verstärken Wärmeabgabe.

Merke: Das Regelzentrum der Körperkerntemperatur befindet sich im zentralen Nervensystem (ZNS)!

Wärmebildung

Wenn die Wärmebildung durch den Ruhestoffwechsel nicht ausreicht, um den Sollwert von 37,0 °C zu halten, verfügt der Körper über Mechanismen zur Wärmegenerierung. Durch verstärke Muskelaktivität (willkürlich) kann zusätzliche Wärme erzeugt werden. Muskelzittern, welches unwillkürlich gesteuert ist, führt ebenfalls zu einer erhöhten Wärmeproduktion und ist beim Erwachsenen der wichtigste Mechanismus zur zusätzlichen Wärmeproduktion. Zitterfreie Wärmebildung stellt vor allem bei Neugeborenen ein wichtiger wärmebildender Mechanismus dar. Deren braunes Fettgewebe ist in der Lage die Atmungskette durch das Protein Thermogenin zu entkoppeln, damit die ATP-Synthese zu unterbinden und somit große Mengen an Wärme zu gewinnen.

Änderungen der Körperkerntemperatur

Bei Fieber ist der Sollwert des Regelsystems im Hypothalamus erhöht. Dadurch wird die Wärmeabgabe des Körpers reduziert. Die Symptome Blässe (Vasokonstriktion der Hautgefäße) und Schüttelfrost (Muskelzittern) bilden damit die Reaktion des Körpers auf eine Sollwerterhöhung der Körperkerntemperatur ab. Hypothermie tritt ein, wenn die Wärmeabgabe größer als die Wärmeaufnahme ist. Von Hyperthermie spricht man, wenn die Körperkerntemperatur >37,5 °C ist, von Hypothermie spricht man, wenn die Körpertemperatur <35,0°C ist. In beiden Fällen sind die Istwerte der Körperkerntemperatur verändert nicht die Sollwerte. Faktoren, die eine Sollwerterhöhung bezwecken, werden als pyrogen bezeichnet. Ein wichtiges endogenes Pyrogen ist Interleukin-1, welches von Leukozyten bei Entzündungsreaktionen freigesetzt wird.

Merke: Bei Fieber ist der Sollwert der Temperaturregelung verändert, bei Hypo- und Hyperthermie ist der Istwert verändert!

 

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind markiert *