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Ermittlung des Leistungsumsatzes durch indirekte Kalorimetrie

Kalorimetrie (Kalorie, lat. calor = Wärme und Metrie, griech. metran = messen) bedeutet übersetzt soviel wie Wärmemessung.

Die Kalorimetrie ist ein Verfahren zur Bestimmung von Wärmemengen und Energieumsatz. Damit kann man z. B. den Joule-Gehalt (früher Kalorie: 1 cal = 4,1868 J) von Nahrungsmitteln, die freigesetzte Enthalpie von chemischen Reaktionen oder die frei werdende Energie bei Stoffwechselprozessen von Organismen messen. Im Gegensatz zur direkten Kalorimetrie, bei der in einer thermisch isolierten Kammer die Menge der vom Organismus oder einer chemischen Reaktion abgegebenen Wärme gemessen wird, wird bei der indirekten Kalorimetrie aus dem Verbrauch von Sauerstoff und der Produktion von Kohlenstoffdioxid die erzeugte Energie berechnet.

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Mit der indirekten Kalorimetrie kann man beim Menschen und anderen Organismen den Grundumsatz und den Leistungsumsatz ermitteln, ohne diese körperlich allzu sehr zu strapazieren.

Als Maß für den Energieumsatz dient der Sauerstoffverbrauch während einer definierten Zeit.

Beispiel für eine Messung:
Eingeatmetes Atemvolumen: 12 l/min
Eingeatmete Sauerstoffkonzentration: 21 %
Ausgeatmete Sauerstoffkonzentration: 17 %
Differenz: 4 %

Ermittlung des Sauerstoffverbrauchs pro Minute:

12 l/min x 4 % = 0,48 l/min
100 %

Um vom Sauerstoffverbrauch auf die freigesetzte Energie schließen zu können, muss man wissen, wie viel Energie pro Liter Sauerstoff bei der Umsetzung verschiedener Nährstoffe (Kohlehydrate, Fette, Eiweiße) frei wird. Dieser Wert wird als kalorisches Äquivalent bezeichnet. Er wird als Quotient aus Energieumsatz pro mol und verbrauchtem Sauerstoff pro mol ermittelt. Q ist die bei der jeweiligen Reaktion frei werdende Wärmemenge, die durch Messung der Temperaturänderung in einem Kalorimeter bestimmt werden kann.

1. Beispiel für Kohlenhydrat: (Glucose)

Bild

Kalorisches Äquivalent für Kohlenhydrat : 2836   kJ     :   134,4   l   =   21 ,09   kJ/l Sauerstoff

Bei reiner Kohlenhydraternährung beträgt der Energieumsatz ca. 21 kJ pro Liter verbrauchten Sauerstoffs.

2. Beispiel für Fett: (Stearinsäureglycerinester)

Bild

Kalorisches Äquivalent für Fett: 34285   kJ     :   1848   l   =   18,55   kJ/l Sauerstoff

Bei reiner Fetternährung beträgt der Energieumsatz 18,55 kJ pro verbrauchtem Liter Sauerstoff.

3. Beispiel für Eiweiß: (Alanin)

Bild

Kalorisches Äquivalent für Eiweiß: 1307,5   kJ     :   67,2   l   =   19,45   kJ/l Sauerstoff

Bei reiner Eiweißernährung beträgt der Energieumsatz 19,45 kJ pro verbrauchtem Liter Sauerstoff. Er ist niedriger, da der Stickstoff nicht vollständig vom Organismus oxidiert wird.

Diese Darstellung einer reinen Eiweißverdauung ist sehr vereinfacht. In der Realität sind die Verhältnisse wesentlich komplizierter und sollen hier nicht im Einzelnen dargestellt werden. Für Muskeleiweiß beträgt das kalorimetrische Äquivalent z. B. 18,7   kJ/l Sauerstoff .
Will man den Energieumsatz mithilfe des kalorischen Äquivalents ermitteln, muss man beachten, welchen Anteil die einzelnen Nährstoffgruppen an der Ernährung haben.
Eine Möglichkeit, den Anteil von Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißen am Energieumsatz zu bestimmen, bietet der Respiratorische Quotient RQ. Ein Respiratorischer Quotient beschreibt das Verhältnis von abgegebenem Kohlenstoffdioxid zu aufgenommenem Sauerstoff.

RQ = Volumen abgegebenes CO 2 Volumen aufgenommenes O 2

Da der O 2 -Gehalt der einzelnen Nährstoffgruppen charakteristisch ist, muss mehr oder weniger Sauerstoff zugeführt werden.

Für Kohlenhydrate beträgt der RQ = 1,0
Beispiel Glucose RQ = 6mol   CO 2 6   mol O 2 = 1

Für Fette beträgt der RQ = 0,7
Beispiel Stearinsäureglycerinester RQ = 114   mol   CO 2 163   mol O 2 = 0 ,699

Für Eiweiße nimmt der RQ eine Mittelstellung mit 0,85 ein.
Beispiel Alanin RQ = 5   mol   CO 2 6   mol O 2 = 0 ,83

Bei einem normal ernährten Menschen liegt der RQ bei 0,85. In Hungerphasen kann er bis auf 0,71 zurückgehen, da der Hungernde von seinen Fettreserven lebt.
Es ist möglich, jedem RQ zwischen 0,7 und 1,0 ein bestimmtes kalorisches Äquivalent zuzuordnen.

RQ1,00,90,850,80,7

kalorisches
Äquivalent
kJ   / l   O 2

21,1620,6620,4120,1519,65

Aus den Zahlenwerten ist ersichtlich, dass eine Abnahme des RQ um 0,1 einer Abnahme des kalorischen Äquivalents von 0,50 kJ entspricht.
Die Werte zwischen RQ = 1 (reine Kohlenhydraternährung) und RQ = 0,7 (reine Fetternährung) gelten für gemischte Kost und weichen von den Reinstoffen etwas ab.

Nun kann die anfangs gestellte Aufgabe zum Sauerstoffverbrauch von 0,48 l / min gelöst werden.
Der RQ eines normal ernährten Menschen liegt bei = 0,85. Bei Mischkost entspricht dieser RQ einem kalorischen Äquivalent von 20,41 kJ/ l Sauerstoff.
Der Energieumsatz errechnet sich aus:

20,41 kJ/l · 0,48 l/ min = 9,78 kJ / min.

Der Energieumsatz für einen Tag entspricht nun:

9,78 kJ · 60 · 24 = 14 107,4 kJ.

Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH): "Ermittlung des Leistungsumsatzes durch indirekte Kalorimetrie." In: Lernhelfer (Duden Learnattack GmbH). URL: http://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/biologie-abitur/artikel/ermittlung-des-leistungsumsatzes-durch-indirekte (Abgerufen: 21. May 2025, 05:33 UTC)

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