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KANTONSSCHULE SCHAFFHAUSEN, Biologie, Raphael Riederer
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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 Brennwert
Um 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 Äquivalent
Will 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 l
Merke: 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 Glucose
d) 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 Quotient
Woher 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 =
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝐶𝑂2 (𝑎𝑏𝑔𝑒𝑔𝑒𝑏𝑒𝑛)
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑂2 (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.
Energieumsatz
Interessant 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:
Q
=
VO2
x
Kalorisches Äquivalent
(Energieumsatz in kJ/Tag) (Sauerstoffverbrauch in l/Tag)
(in kJ/l O2)
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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Grundumsatz
Der 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:
kJ/Tag
Leistungsumsatz
Jede 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:
kJ/Tag
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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, USBVerbindung 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 RadioButton „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,
sondern der natürlichen Atmung vor Versuchsbeginn entsprechen. Sonst
ist es nicht möglich, Rückschlüsse auf den momentanen Energieumsatz
zu ziehen.
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
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.
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
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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/g
Harnstoff: 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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