Ernährung: Energiebedarf beim Menschen

Proseminar Angewandte Mathematik
bei Prof. Dr. Feichtinger
Proseminararbeit:
Energieverbrauch beim Menschen
Kreuzer Daniela
9901714
A 406 299
Radakovits Ines
9907335
A 406 412
Fürweger Silke
9901789
A 406 338
1
ENERGIEVERBRAUCH BEIM MENSCHEN
1. ERNÄHRUNG: ENERGIEBEDARF
Nicht nur Pflanzen brauchen Sonnenenergie zum Wachsen und Gedeihen, sondern
auch Menschen benötigen Energie zur Aufrechterhaltung der Körperfunktionen, der
Körpertemperatur und für die tägliche Arbeitsleistung. Ein Sprichwort sagt zwar, dass
man nur von Liebe und Luft leben kann, doch das reicht für den Körper natürlich
nicht aus.
Der Körper bezieht die Energie aus Nährstoffen, die er aus der täglichen
Nahrungsaufnahme
gewinnt.
Bei
den
Verdauungsvorgängen
werden
die
Nahrungsmittel aufgespaltet und schließlich in alle Körperzellen befördert. Hier wird
der Wasserstoff der Nährstoffe mit Hilfe des eingeatmeten Sauerstoffs zu Wasser
oxidiert. Diese Wasserbildung ist der wichtigste energieliefernde Vorgang im
menschlichen Körper. 1
Man spricht auch vom „Verbrennen“ der Nährstoffe in den Körperzellen. Die dabei
freiwerdende Energie setzt sich aus 4/5 Wärmeenergie, die der Mensch zur
Aufrechterhaltung der Körpertemperatur braucht, und 1/5 chemischer Energie, die
der Mensch zur Aufrechterhaltung der Körpervorgänge und für die Arbeitsleistung
benötigt, zusammen.
Der Energiegehalt der Nährstoffe wird in Kilojoule, abgekürzt kJ, gemessen, aber es
ist auch noch die alte Maßeinheit Kilokalorie, abgekürzt kcal, gebräuchlich. Die
Umrechnung zwischen den beiden Einheiten ergibt sich folgendermaßen:
1 kJ = 0,2388 kcal bzw. 1 kcal = 4,1868 kJ
1
Richtige Ernährung - Ernährungslehre, Lebensmittel – und Diätkunde: Cornelia A. Schlieper, Wien
1996, 7. Auflage, Bohmann Verlag, S. 9
2
Die energieliefernden Nährstoffe und der Alkohol liefern im menschlichen Körper
etwa folgende Energie:
1 g Fett = 39 kJ (9,3 kcal)
1 g Kohlenhydrate = 17 kJ (4,1 kcal)
1 g Eiweiß = 17 kJ (4,1 kcal)
1 g Alkohol = 30 kJ (7,2 kcal) 2
Wie viel Energie der Mensch benötigt, ist individuell verschieden und hängt von
mehreren Faktoren ab. Der tägliche Energiebedarf ist die Summe aus Grundumsatz
und Leistungsumsatz.
1.1. Grundumsatz (Ruhe-Nüchtern-Umsatz)
Unter dem Grundumsatz versteht man den Energieverbrauch bei völliger Ruhe.
Weitere Bedingungen sind, dass er 12 bis 14 Stunden nach der letzten Mahlzeit und
unter thermoneutralen (d.h. bei 27 - 31 Grad Celsius) Bedingungen gemessen wird.
Der Energiebedarf aller inneren Organe, wie z.B. Leber, Niere, Gehirn, Herzmuskel,
Nerven usw. wird durch den Grundumsatz gedeckt. Auch nicht „arbeitende“
Skelettmuskulatur und Fettgewebe verbrauchen Energie. Ein wesentlicher Faktor für
die Höhe des Grundumsatzes ist die Muskelmasse.
Manchmal spricht man auch vom Ruhe-Nüchtern-Umsatz, der allerdings unter nicht
ganz so strengen Bedingungen gemessen wird und ca. 5% über dem Grundumsatz
liegt.
Der Grundumsatz hängt ab von:

Alter (Die Stoffwechselvorgänge verlangsamen sich mit zunehmendem Alter,
deshalb hat ein jüngerer Mensch einen höheren Energiebedarf als ein älterer.)
2
Richtige Ernährung - Ernährungslehre, Lebensmittel – und Diätkunde: Cornelia A. Schlieper, Wien
1996, 7. Auflage, Bohmann Verlag, S. 10
3

Geschlecht (Der Fettgewebsanteil ist bei Frauen höher, und sie haben einen
niedrigeren Grundumsatz als Männer.)

Körperoberfläche (Der Energiebedarf wird von Gewicht und Größe eines
Menschen beeinflusst. Die zu versorgende Gewebemenge wächst mit
zunehmendem Gewicht, ebenso steigt der Wärmeverlust durch die Haut mit
zunehmender Körperoberfläche. Beides hat einen höheren Energiebedarf zur
Folge.)

Hormone (Hier sind die Schilddrüsenhormone als beeinflussender Faktor zu
erwähnen. Schilddrüsenüberfunktion steigert und Schilddrüsenunterfunktion
senkt den Grundumsatz.)

Normalgewicht (Das überwiegend passive Gewebe – Fettgewebe – bei
Übergewicht beeinflusst den Grundumsatz nicht wesentlich.)

Klima (z.B. verbrauchen in tropischen Gebieten lebende Menschen weniger
Energie als Menschen in Gebieten mit gemäßigtem Klima)
Berechnung des Grundumsatzes:
Grundumsatz eines Erwachsenen:
3,8 – 4,2 kJ (0,9 – 1 kcal) je Kilogramm Körpergewicht und Stunde
bzw. ca. 40 kcal pro m² Körperoberfläche und Stunde

Einfache Berechnung:
Frau: 700 + 7 mal kg Köpergewicht
Mann: 900 + 10 mal kg Körpergewicht

Genauere Berechnung:
Frau: 10-18 Jahre:
kg mal 0,056+2,898
19-30 Jahre:
kg mal 0,062+2,036
31-60 Jahre:
kg mal 0,034+3,538
über 60 Jahre: kg mal 0,038+2,755
4
Mann: 10-18 Jahre:
kg mal 0,074+2,754
19-30 Jahre:
kg mal 0,063+2,896
31-60 Jahre:
kg mal 0,048+3,653
über 60 Jahre: kg mal 0,049+2,459
(Die Werte sind in Megajoule pro Tag angegeben. Multipliziert mit 239 ergibt
das die kcal/Tag.)3
Grundumsatz in 24 Stunden (nach Wirths)4
Alter (Jahre)
Mann 172 cm, 70 kg
Frau 165 cm, 60 kg
15 - 18
7900 kJ
6200 kJ
19 - 35
7300 kJ
6000 kJ
36 - 50
6800 kJ
5600 kJ
51 - 65
6200 kJ
5200 kJ
66 - 75
5800 kJ
5000 kJ
1.2. Leistungsumsatz (Arbeitsumsatz)
Jene Energiemenge, die der Mensch über den Grundumsatz hinaus benötigt, nennt
man Leistungsumsatz oder Arbeitsumsatz. Dieser Leistungsumsatz ist grob gesagt
ein Vielfaches des Grundumsatzes. Bei körperlicher Aktivität kann man je nach
Belastungsdauer und –intensität Grundumsatz mal 1,5 bis Grundumsatz mal 2,1
rechnen.
Genauere
Berechnungen
des
Energieverbrauchs
bei
einer
bestimmten
Belastungsintensität ermöglicht die Ergospirometrie (Fahrrad oder Laufband).
3
http://gin.uibk.ac.at/gin/freihtml/energieumsatz.htm
4
Richtige Ernährung - Ernährungslehre, Lebensmittel – und Diätkunde: Cornelia A. Schlieper, Wien
1996, 7. Auflage, Bohmann Verlag, S. 11
5
Dazu braucht man jedoch etwas kompliziertere Formeln wie beispielsweise:
kcal pro Stunde = Sauerstoffaufnahme in Liter pro Minute x 60 x 5
(Faktor 60 ist die Umrechung von Minuten in Stunden, Faktor 50 ist die Umrechnung
von Liter Sauerstoff in kcal)5
In manchen Artikeln wird auch erwähnt, dass der Leistungsumsatz in PAL-Werten
(Physical Activity Level) gemessen wird. Zum Beispiel beträgt der PAL-Wert für eine
sitzende Tätigkeit 1,55 – 1,65 und bei Schwerstarbeitern bis zu 2,4 PAL. Auch bei
Schwangeren und Stillenden ist der Energiebedarf höher. 6
Der Leistungsumsatz wird bestimmt durch Verdauungstätigkeit, Wärmeregulation
und Muskeltätigkeit. Letztere zwei werden durch Arbeits- und Freizeitumsatz
bestimmt.
Verdauungstätigkeit:
Sowohl durch eine unvollständige Resorption (der Nährstoffgehalt der Lebensmittel
kann nicht zu 100% ausgenützt werden) als auch durch Umbauvorgänge in den
Zellen
kommt
es
insgesamt
zu
einem
Energieverlust
von
12%
des
Gesamtenergiebedarfs.
Wärmeregulation:
Ist die Umgebungstemperatur höher oder niedriger als die Temperatur, von der man
bei der Berechung des Grundumsatzes ausgeht (siehe oben), so steigt der
Leistungsumsatz. Ist es kälter, so benötigt der Körper mehr Energie, um die
Körpertemperatur von ca. 36 - 37 Grad Celsius konstant aufrecht zu erhalten. Ist es
wärmer,
so
wird
durch
Schweißbildung
und
der
damit
verbundenen
Verdunstungskälte die Körpertemperatur gesenkt, wozu der Körper natürlich mehr
Energie braucht.
5
http://gin.uibk.ac.at/gin/freihtml/energieumsatz.htm
6
http://www.dietetics.de/service/energieIindex.php
6
Muskeltätigkeit – Arbeitsleistung
Jede Muskeltätigkeit benötigt zusätzliche Energie, aber auch konzentrierte geistige
Arbeit „verbrennt“ Kalorien.
Leistungsumsatz eines Erwachsenen bei verschiedenen Tätigkeiten - 10 min
450
Laufen (9 km/h)
400
350
300
250
kJ
Brustschwimmen
200
150
100
Kochen/Abwaschen
Bügeln
50
Radfahren (10 km/h)
Gehen (4 km/h)
Pkw - fahren
(Großstadtfahren)
Fernsehen
0
1.3. Gesamtenergiebedarf
Beispiel 1:
Es wird der Gesamtenergiebedarf einer 22-jährigen Frau, Leistungssportlerin, 62 kg
berechnet.
Grundumsatz: 6000 kJ
Leistungsumsatz:

Freizeitumsatz: 900 kJ

Arbeitsumsatz: 3720 kJ

Energieverlust durch Verdauung und Umbau: 1100 kJ
Gesamtenergiebedarf: 11720 kJ (entspricht ca. 2800 kcal)
7
Beispiel 2:
Gesucht ist der Gesamtenergiebedarf eines 50-jährigen Mannes, Lehrer, 76 kg.
Grundumsatz: 6800 kJ
Leistungsumsatz:

Freizeitumsatz: 1000 kJ

Arbeitsumsatz: 1140 kJ

Energieverlust durch Verdauung und Umbau: 1300 kJ
Gesamtenergiebedarf: 10240 kJ (entspricht ca. 2445 kcal)
Zur Veranschaulichung:
Gesamtenergiebedarf
Grundumsatz
Alter
Leistungsumsatz
Körperbau
Wärmeregulation
Geschlecht
Verdauungstätigkeit
Muskel- und Nerventätigkeit
2. ANWENDUNG IM SPORT
2.1. Die Energiebereitstellung bei der Muskelarbeit
2.1.1. Einige Grundlagen zur Muskelstruktur
Körperliche Bewegung beruht auf der Kontraktion der Muskeln. Dazu muss Energie
bereitstehen; einerseits um die Muskelarbeit in Gang zu setzen und andererseits um
sie in Schwung zu halten. Der Motor für das Skelettsystem ist also die Muskelkraft.
8
Ein Muskel besteht aus Muskelfasern, Zellflüssigkeit, Mitochondrien und Zellkernen.
Weitere für uns wichtige Bestandteile sind die Myofilamente, unterteilt in
Aktinfilamente und Myosinfilamente.
Eine Kontraktion kann man nun folgendermaßen erklären: Es werden Verbindungen
(Brücken) zwischen den Aktinfilamenten und den Myosinfilamenten hergestellt, die
die Filamente gegeneinander ziehen. Dadurch entsteht ein Muskelzug.
Für diese Kraftentfaltung ist Energie nötig! Diese Energie gewinnt man aus der
Spaltung des chemischen Stoffes ATP (Adenosintriphosphat) in ADP + P
(Adenosindiphosphat + Phosphatrest + Energie). Ohne den Zerfall von ATP gäbe es
keine Muskelkontraktion.
2.1.2. Die Energiebereitstellung bei körperlicher Arbeit
Sonne (Energie)
Pflanze (Speicherung der Sonnenenenergie)
Mensch (Nahrung)
Verdauung (Bereitstellung der Nährstoffenergie
für den Organismus)
Kontraktion/Bewegung (Umsetzung und Verwertung dieser
Energie bei der Muskelkontraktion)
(Siehe 7)
7
Einführung in die Sportwissenschaften – Skriptum zur Vorlesung am Institut für Sportwissenschaften
in Wien: Raimund Sobotka, Wien 1997, 7. Fassung, S. 16
9
Beim Abbau von Energiereserven muss gleichzeitig ATP wieder aufgebaut werden,
damit diese Reserven der Muskelkontraktion zugeführt werden können.
2.1.3. Energieumsetzung:
1. Für 1 Sekunde maximale Arbeit reicht das im Muskel vorhandene ATP (ca. 2 –
3 Kontraktionen). Es muss also unmittelbar nachher ATP aufgebaut werden.
Dies ist im Muskel selbst möglich mittels Kreatinphosphat (=Phosphorkreatin).
Durch das Enzym Kreatinphophorkinase wird aus ADP wieder ATP:
ADP + KrP → ATP + Kr
Das Ende dieser Energiebereitstellung ist nach 10 bis 15 Sekunden.
2. Danach findet der anaerobe (kein Sauerstoff wird benötigt) und aerobe
(Sauerstoff wird benötigt) Abbau von Kohlenhydraten statt. Hierbei erfolgt die
Energiegewinnung durch eine Zerlegung von Glycogen.
3. Nach ca. 20 Minuten werden schließlich Fettstoffe zur Energiegewinnung
abgebaut.
2.2. Die Ökonomie der Bewegungsabläufen
Prinzipiell steht einem nur eine gewisse Energiemenge zur Verfügung. Wie schon
vorher erwähnt, geht bei der Umsetzung von Energie ein gewisser Anteil „verloren“ in
dem Sinn, dass man sie nicht wie gewünscht nutzen kann. Das heißt, es stellt sich
die Frage, wie man sich bewegt, damit man die Energie am günstigsten nützt.
Darunter versteht man nun die Ökonomie von Bewegungsabläufen. Anders gesagt
heißt Ökonomie, dass die vorhandene Kraft so eingesetzt werden muss, dass ein
Höchstmaß an Leistung mit einem Mindestmaß an Kraft erreicht wird.
Die Maßeinheit für diese Wirtschaftlichkeit eines Energieumsetzungsvorgangs nennt
man Wirkungsgrad.
Es gilt folgende Formel:
10
A
 Wirkungsgrad
E
A…Erbrachte Arbeit,
E…aufgewendete Energie
A
 Nutzanteil < 1
E
(weil bei der Umsetzung von Energie ein gewisser
Anteil verloren geht)
2.2.1. Bestimmung des Wirkungsgrades
Um den Wirkungsgrad einer Bewegung feststellen zu können, müssen die einzelnen
Parameter (Energieverbrauch E, erbrachte Arbeit A) quantitativ gemessen und auf
dieselben Einheiten gebracht werden.
Die übliche Maßeinheit für die Energie ist Joule. Diese stellt die Einheit der
mechanischen Arbeit dar. Wie oben bereits erwähnt wird auch die chemische
Muskelenergie in Joule umgerechnet.
Für die Ökonomiemessung wird vorausgesetzt, dass Energie nicht erzeugt oder
vernichtet, sondern umgewandelt wird.
Je nachdem ob es sich um einen zeitunabhängigen oder zeitabhängigen Ablauf
handelt, wird das Bewegungsergebnis in mechanischer Arbeit bzw. Energie oder in
mechanischer Leistung gemessen.
Der Ergometer ist eine Maschine mit veränderbarem und messbarem Widerstand,
die durch Muskelkraft betätigt wird. Dadurch ist eine sehr genaue Bestimmung der
Bewegungsergebnisse möglich. Der Ergometer misst die produzierte mechanische
Leistung in Watt (Joule/sec).
Die Messung des Energieverbrauchs beruht auf der Kalorimetrie (Wärmemessung).
Im Sport wird die Methode der Spiroergometrie verwendet. Diese gibt Rückschluss
auf den Energieverbrauch mittels Feststellung des Sauerstoffverbrauchs.
2.2.2. Geleistete Arbeit – Energieverbrauch
11
Lange Zeit hat man geglaubt, dass die Leistung eines Sportlers umso größer wird, je
ökonomischer er die Bewegungen ausführt. Durch verschiedene Untersuchungen
(Radsport) ist man aber zur Erkenntnis gelangt, dass die Ökonomie nur dann
leistungsbestimmend ist, wenn die Energiemenge, die in der Zeiteinheit zur
Verfügung steht, begrenzt ist.
Manchmal ist es sinnvoller sich unökonomischer zu bewegen und einen
Energieverlust in Kauf zu nehmen, wenn ausreichend Energie vorhanden ist, um
eine bessere Leistung zu erzielen.
Angenommen es steht einem Sportler für verschiedene Lauflängen dieselbe
Energiemenge zur Verfügung. Wenn man einen 3 km Lauf absolvieren möchte,
braucht man sich die Energie nicht so einteilen, wie für einen 10 km Lauf. Man kann
beim 3 km Lauf mehr Energieverlust akzeptieren und somit unökonomischer laufen,
wodurch aber eine bessere Leistung erzielt werden kann.
Je kürzer die Zeit der Leistungsabgabe ist, desto unökonomischere Bewegungen
kann man wählen. Müssen Leistungen über einen langen Zeitraum erbracht werden,
dann nähert sich die leistungsoptimale Frequenz immer mehr der ökonomischen an.8
2.2.3. Energieumsatz
Schlussendlich kann man sagen, dass das entscheidende Kriterium für hohe
energetische Leistung nicht wie bis vor kurzem angenommen das der Ökonomie ist,
sondern das der Energieumsetzung (= Menge der in der Zeiteinheit im Muskel
umgesetzten Energie mit der Dimension Leistung).
Sportarten, für die diese letzte Aussage gilt, sind: Radfahren, Laufen, Schilanglauf,
Schwimmen,… Hier sind die Leistungen energetisch begrenzt.
Ohne näher darauf einzugehen, ist alpiner Schilauf ein Sonderfall, da die
Bewegungsform nicht durch die Ökonomie der Muskelkraft bestimmt wird, sondern
durch möglichst ökonomische Ausnutzung der Schwerkraft.
8
Einführung in die Sportwissenschaften – Skriptum zur Vorlesung am Institut für Sportwissenschaften
in Wien: Raimund Sobotka, Wien 1997, 7. Fassung, S. 30
12
Es sollte noch kurz erwähnt werden, dass es bei Bewegungen nicht nur darauf
ankommt, sie ökonomisch auszuführen, sondern dass eine Bewegung prinzipiell
weniger Energie verbraucht, je intensiver sie geübt/trainiert wird, da man
beispielsweise unnötige Zusatzbewegungen unterlässt.
Zusammenfassend kann man sich merken, dass für die maximale Leistungsabgabe
und die maximale Ökonomie unterschiedliche Bedingungen gelten, wobei sich diese
beiden Maxima gegenseitig ausschließen.
Literaturverzeichnis
13

Richtige Ernährung -
Ernährungslehre, Lebensmittel – und Diätkunde:
Cornelia A. Schlieper, Wien 1996, 7. Auflage, Bohmann Verlag

Einführung in die Sportwissenschaften – Skriptum zur Vorlesung am Institut
für Sportwissenschaften in Wien: Raimund Sobotka, Wien 1997, 7. Fassung

http://gin.uibk.ac.at/gin/freihtml/energieumsatz.htm

http://www.dietetics.de/service/energieIindex.php
14