Energie- und Wärmehaushalt

Der Großteil der Wärme im Organismus entsteht durch die "Abwärme", die bei Stoffwechselvorgängen freigesetzt wird. Wenn diese nicht reicht, setzen folgende Mechanismen ein:

1. Verstärke Muskelaktivität: Wärmebildung durch vermehrte Muskelaktivität, ist der wichtigste Mechanismus zur Wärmeproduktion beim Erwachsenen
   • Willkürlich: Bspw. durch Umherlaufen bei Kälte
   • Unwillkürlich: Durch Muskelzittern 
2. Zitterfreie Wärmebildung: Wärmebildung durch Lipolyse im braunen Fettgewebe, sie spielt vor allem beim Neugeborenen eine Rolle
   • Prinzip: Mitochondriale Thermogenese 

Prinzip: Wärmeaustausch mit Gegenständen, die dem Körper direkt anliegen. 

Bsp: Stuhl auf dem man sitzt erwärmt mit der Zeit.

Prinzip: Wärmetransport in einem strömenden Fluid

Bsp: Erwärmtes Blut wird mit dem Blutstrom in die Peripherie transportiert (Hier sorgt das Herz für die Strömung, mit der die Wärme transportiert wird).

Prinzip: Infrarotstrahlung, die zwischen unterschiedlich temperierten Regionen und Gegenständen ausgetauscht wird. Im Gegensatz zur Konduktion und zur Konvektion wird bei der Wärmestrahlung Wärme transportiert, ohne dass sich die beteiligten Gegenstände berühren.

Bsp: Aufnahme von Wärme bspw. durch erhitzten Naturstein 

Prinzip: 

• Wasser, das an der Körperoberfläche verdunstet, entzieht dem Körper Wärme
• Nur möglich, wenn der Wasserdampfpartialdruck der Haut höher ist als der der umgebenden Luft. Auf der Haut beträgt der Wasserdampfpartialdruck etwa 6,3 kPa

Bsp: Schwitzen

Bei Außentemperaturen, die über der Körpertemperatur liegen, kann die Wärme nur über Verdunstung abgegeben werden. Diese hängt jedoch auch von der Luftfeuchtigkeit ab: Beträgt die Luftfeuchtigkeit 100%, ist eine Wärmeabgabe über Evaporation nur bis zu einer Umgebungstemperatur von 37°C möglich!

Die Wärmeabgabe über Konvektion und Konduktion ist nur möglich, weil der Blutstrom die Wärme aus dem Körperkern in die Peripherie transportiert. Der Durchblutung der Haut kommt damit eine besondere Regulationsfunktion für die Körpertemperatur zu. Bei Kälte wird die Hautdurchblutung gedrosselt, sodass weniger Wärme abgegeben wird, bei Hitze hingegen wird die Hautvermehrt durchblutet.

Sympathikus

• Bei Kälte: Verstärkte Sympathikuswirkung → Konzentration von Noradrenalin im Blut↑ → Aktivierung von α1-Adrenorezeptoren an Blutgefäßen der Haut → Vasokonstriktion → Hautdurchblutung↓ → Wärmeabgabe↓
• Bei Wärme: Verminderte Sympathikuswirkung → Konzentration von Noradrenalin im Blut↓ → Verminderte Aktivierung von α1-Adrenorezeptoren → Vasodilatation → Hautdurchblutung↑ → Wärmeabgabe↑

• Bei Kälte: AVA sind geschlossen, Blut kann nur durch das Kapillarbett fließen → Wärmeabgabe↓
• Bei Wärme: AVA sind geöffnet, Blut strömt durch die AVA und durch die Kapillaren, Oberfläche für die Wärmeabgabevergrößert sich dadurch → Wärmeabgabe↑

• Allgemein: Zwei Stoffströme werden zum Zweck des Wärme- oder Stoffaustauschs aneinander vorbeigeführt
• In Bezug auf das Blut: Arterien und Venen laufen parallel in die Peripherie und können dabei Wärme austauschen
  • Arterielles Blut, das vom Zentrum in die Peripherie fließt, wird vom vorbeiströmenden venösen Blut abgekühlt (Hierdurch wird bei kalten Außentemperaturen der "Wärmeverlust" des Körpers reduziert.)
  • Venöses Blut, das von der Peripherie ins Zentrum fließt, wird vom arteriellen Blut aufgewärmt (Hierdurch erreicht nur bereits angewärmtes und kein "kaltes" Blut den Körperkern.)

Bei Kälte: Durch Regulationsmechanismen werden die Gefäße eng gestellt. Dies verbessert den Wärmeaustausch des im Sinne des Gegenstromprinzips aneinander vorbeiziehenden Bluts, sodass die Wärme im Körperkern bleibt und nur ganz wenig in der Peripherie verloren geht 

Bei Wärme: Durch Regulationsmechanismen werden die Gefäße weit gestellt. Das im Sinne des Gegenstromprinzips aneinander vorbeifließende Blut kann nun schlechter Wärme austauschen . Die Arterien nehmen also mehr Wärme mit in die Peripherie.

Lewis-Reaktion: Lokale Schutzreaktion der Hautgefäße bei Kälte (kann nur bei Hautarealen beobachtet werden, die schon länger unterkühlt sind)

• Prinzip: Erweiterung der Hautgefäße und damit Steigerung der Durchblutung für einen kurzen Moment in regelmäßigen Abständen. Damit versucht der Körper zu verhindern, dass die betroffenen Körperstellen durch die ständige Unterkühlung und damit einhergehende Minderperfusion dauerhaft geschädigt werden.

• Definition: Der Temperaturbereich, den wir als behaglich empfinden
• Bedingungen: Abhängig von der Umgebungstemperatur, der Luftfeuchtigkeit, der Windgeschwindigkeit, der Wärmestrahlung, der Bekleidung und der Aktivität

Die Indifferenztemperatur ist umso höher, je stärker die Wärmeabgabe gefördert wird! Da die Wärmeabgabe im Wasser mittels Konduktion deutlich stärker ist, friert man im Wasser schneller als an der Luft!

• Dilatation der Hautgefäße 
• Schweißproduktion

• Konstriktion der Hautgefäße 
• Aktivierung des Muskelzitterns

• Schweißproduktion bereits bei geringeren Temperaturen
• Andere Schweißzusammensetzung: Elektrolytgehalt↓ (hypoton) → Blutplasma ist im Verhältnis dazu dann hypertoner → Durstgefühl↑ → Trinkmenge↑ → Plasmavolumen↑ (So wird gewährleistet, dass trotz weitgestellter Blutgefäßeein ausreichend hoher Blutdruck erzeugt werden kann.)

• Zitterschwelle sinkt ab (Der Körper toleriert also eine leichte Hypothermie.)
• Gesteigerter Grundumsatz und damit vermehrte Wärmebildung 

Falsch. Diese langfristige Adaptation an extreme Temperaturen benötigt meist einige Jahre.

Brennwert: Maß für die thermische Energie, die in einem Stoff (bspw. einem Glucose-Molekül) gespeichert ist und die folglich bei der "Verbrennung" des Stoffs freigesetzt werden kann

• Einheit: kJ/g 
• Physiologischer Brennwert: Die Energie, die tatsächlich vom menschlichen Stoffwechsel genutzt werden kann. Dieser Wert liegt aus folgenden Gründen immer etwas niedriger als der physikalische Brennwert:
  • Unvollständige Verdauung/Resorption 
  • Produktion energiereicher Stoffwechselendprodukte 
  • Transport, Umbau und Speicherung der Nahrungsbestandteile
• Physikalischer Brennwert: Die Energie, die beim vollständigen Abbau eines Stoffs frei wird

Abbauweg: Glycolyse

Physikalischer Brennwert: 17.6 kJ/g

Physiologischer Brennwert: 17.2 kJ/g

Abbauweg(e): 1. Trazylglyzerid (TAG)-Abbau und 2. beta-Oxidation

Physikalischer Brennwert: 38.9 kJ/g

Physiologischer Brennwert: 38.9 kJ/gf

Abbauweg(e): 1. Proteolyse, 2. AS-Abbau, 3. Harnstoffzyklus

Physikalischer Brennwert: 23 kJ/g

Physiologischer Brennwert: 17.2 kJ/g

30 kJ/g

Speicherort: Fettgewebe

Bedeutung: Mit Abstand die grössten Energiespeicher des Körpers

Speicherort: 1. In der Leber, 2. In der Muskulatur

Bedeutung: 

1. 1/3 der Glycogenvorräte. Dienen dazu, den Blutzuckerspiegel auch bei Nahrungskarenz aufrechtzuerhalten. Sind nach etwa 12-24 Stunden aufgebraucht.

2. 2/3 der Glycogenvorräte. Dienen dem Eigenbedarf des Muskels

Speicherort: In jeder Zelle

Besonderes: Ist nach Sekunden bis Minuten aufgebraucht

Der eigentliche Energieumsatz, also die Verstoffwechslung der Nahrungsbestandteile sowie die Bildung von ATP, findet auf zellulärer Ebene statt. Wird die Gesamtheit der zellulären Energiegewinnungsprozesse betrachtet, wird der Energieumsatz des gesamten Körpers beschrieben.

• Erhaltungsumsatz: Energiemenge, die die Zelle benötigt, um ihre strukturelle Integrität zu bewahren (Zu diesen überlebenswichtigen Vorgängen zählen bspw. die Verteilung von Ionen zur Aufrechterhaltung des Membranpotentials und die Synthese von Membranbestandteilen.)
• Bereitschaftsumsatz: Energiemenge, die die Zelle benötigt, um in Leistungsbereitschaft zu sein (Also der Energiebedarf einer voll funktionsfähigen Zelle, die nicht nur gerade eben ihre strukturelle Integrität bewahrt.)
• Tätigkeitsumsatz: Energiemenge, die die Zelle benötigt, wenn sie gerade aktiv ihre Arbeit verrichtet (Bei der Muskelzelle wäre dies z.B. die Kontraktion, bei der Nervenzelle das "Senden und Empfangen" von Aktionspotentialen, bei Drüsenzellen die Produktion und Sekretion des Sekrets.)

• Grundumsatz: Energieumsatz des Körpers unter standardisierten Bedingungen (morgens, nüchtern , körperliche und geistige Ruhe , thermische Indifferenz ). Er beschreibt die Summe des Energieverbrauchs einer jeden Zelle unter den genannten Bedingungen
  • Normwerte: 4,2 kJ/(kg×h) (♂), 3,8 kJ/(kg×h) (♀) 
• Freizeitumsatz: Der Energieumsatz eines Menschen, der sich nicht intensiv körperlich betätigt, beträgt pro Tag ca.: 9600 kJ(♂) und 8400 kJ (♀) 
• Arbeitsumsatz: Der Energieumsatz bei körperlicher Arbeit
  • Bei leichter körperlicher Arbeit: Etwa 2 kJ/(kg×h) zusätzlich zum Freizeitumsatz
  • Bei schwerster körperlicher Arbeit: Bis zu 10 kJ/(kg×h) zusätzlich zum Freizeitumsatz

Muskulatur: ca. 25%

Leber: ca. 25%

Hirn: ca. 20%

Herz: ca. 10%

Nieren: ca. 5 - 10%

• Allgemein: Messung der Wärmemenge, die bei physikalischen, chemischen oder biologischen Prozessen aufgenommen bzw. abgegeben wird
• In der Physiologie: Bestimmung des Energieumsatzes eines Organismus mithilfe der Wärmeabgabe (direkte Kalorimetrie) oder mithilfe der Messung der Atemgase (indirekte Kalorimetrie)

Bestimmung des Energieumsatzes eines Organismus mithilfe der Messung der O2-Aufnahme und der CO2-Abgabe

• Grundüberlegung: Bei der Verstoffwechslung der Nährstoffe wird O2 verbraucht und CO2 produziert. Da der Körper weder über ein nennenswertes O2- noch über ein CO2-Reservoir verfügt, entspricht das beim Stoffwechsel verbrauchte O2 dem eingeatmeten O2 und das im Stoffwechsel produzierte CO2 entspricht dem ausgeatmeten CO2. Anhand zweier Hilfsgrößen (Kalorisches Äquivalent und Respiratorischer Quotient) kann man aus den gemessenen O2- und CO2-Werten auf den Energieumsatz des Organismus schließen

• Formel: Energieumsatz = (O2-Aufnahme/min) × Kalorisches Äquivalent
• Einheit: kJ/min

Die Nährstoffe werden im Verlauf ihrer Verstoffwechslung zu CO2 oxidiert. Der Energiewert, der bei dieser Oxidation eines bestimmten Nährstoffs pro Liter Sauerstoff gewonnen wird, wird als kalorisches Äquivalent bezeichnet. 

Formel: kJ/IO2

Problem: Zur exakten Bestimmung des Energieumsatzes müsste der genaue Anteil der Nährstoffe an der Nahrung bekannt sein. Diesen kann man mithilfe des respiratorischen Quotienten ermitteln. Ist dies nicht möglich, behilft man sich mit einem Durchschnittswert für die sog. Mischkost

(RQ): Der Quotient aus CO2-Abgabe und O2-Aufnahme

• Grundüberlegung: Jeder Nährstoff hat einen spezifischen RQ (s. untenstehende Tabelle). Dies liegt daran, dass die Verstoffwechslung der verschiedenen Nährstoffe jeweils unterschiedliche Mengen O2 verbraucht und CO2 produziert. 
• Formel: RQ = VCO2/VO2 
• Schlussfolgerung: Ist der RQ bekannt, so kann auf den vorherrschenden Nährstoff rückgeschlossen werden. Bei normaler Mischkost beträgt er etwa 0,82. Bei höherem RQ sind die vorherrschenden Nährstoffe eher Kohlenhydrate, bei kleinerem RQ eher Fette und Proteine.

• Definitionen
  • Körperkerntemperatur  : Die Temperatur im Inneren des Rumpfes und des Schädels, wird über einen Regelkreis bei etwa 36,5°C konstant gehalten
  • Körperschalentemperatur  : Die Temperatur der Körperschale  ist variabel, sie hängt von der Außentemperatur ab 
• Körpertemperatur im Tagesverlauf: Die Körpertemperatur unterliegt einer zirkadianen Schwankung um etwa 1°C 
  • Minimum: Etwa 4 Uhr morgens
  • Maximum: Etwa 18 Uhr abends