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| IMC Wiki | Energie- und Wärmehaushalt

Energie- und Wärmehaushalt

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Inhaltsverzeichnis:



    Die Energiegewinnung im System des Stoffwechsels aus Glykolyse und Atmungskette wurde in vorstehenden Artikeln dargestellt. Hier ist das Thema: Energie- und Wärmehaushalt des ganzen Organismus.

    Zahlen zum Energieumsatz
      Brennwert Resp.-Quotient Sauerstoff-Äquivalent Normale Zufuhr pro Tag (g/kgKG)
    Kohlenhydrate 4,1 kcal/g17,2 kJj/g 1,0 5,1 kcal /l O2 > 50 % der Energiezufuhr
    Fette 0,3 kcal/g38,9 kJ/g 0,7 4,69 kcal/l O2 25-30 % der Energiezufuhr
    Eiweiße 4,1 kcal/g17,2 kJ/g 0,81 4,48 kcal/l O2 0,8 g
    Glukose 15,7 kJ/g      
    Äthylalkohol 29,7 kJ/g      

    Jeder Vorgang im Stoffwechsel setzt Wärme frei, so dass maximal nur rund 35 % der mit der Nahrung zugeführten Energie den Lebensvorgängen zugute kommen (Nettowirkungsgrad). Die aus den chemischen Umsätzen der Nahrungsmittel gewonnene Energie wird für zahlreiche energieverbrauchende Lebensvorgänge verwendet: Muskelarbeit, Biosynthese, Erhaltung osmotischer Gradienten, Wärmehaushalt. Anabolie ist der Aufbau, Katabolie der Abbau von Körpersubstanz.

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    Der Energieverbrauch, gemessen am O2-Bedarf, ist in den Organen verschieden. Insbesondere bestehen zum Teil große Unterschiede bei Ruhe oder Belastung.
    Gesamtumsatz ist die Summe der äußeren Arbeit, der Wärmeabgabe und gespeicherten Energie. Das Energiemaß ist das Joule (J). 1 Joule = 1 Wattsekunde = 2,39 x 10-4 Kilokalorien.

    1 kcal = 4187 J = 4,187 kJ

    Bei allen Energieumsätzen entsteht Wärme. Der Wirkungsgrad n (Nutzeffekt) errechnet sich zu:
    n (%) = äußere Arbeit
    umgesetzte Energie
    x 100

    Der Bruttowirkungsgrad bezieht sich auf den Gesamtumsatz. Für die isolierte Muskeltätigkeit beträgt der Nettowirkungsgrad bis zu 35 % (Ausnutzung zur Energieproduktion).
    Der Grundumsatz ist derjenige Energieverbrauch, der morgens, liegend, bei Indifferenztemperatur und normaler Körpertemperatur gemessen wird. Tagesrhythmus, Arbeit, Verdauung und Umgebungstemperatur verändern den Energieumsatz.
    Der "Freizeitumsatz" beträgt für Frauen etwa 8400 kJ/d, für Männer 9000 kJ/d.
    Spitzenwerte des Arbeitsumsatzes liegen bei Frauen um 15500 kJ/d, bei Männern 20100 kJ/d.

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    Gegenüber Bettruhe kann der Umsatz bei Schwerstarbeit bis zum 6-fachen ansteigen. Nach ausgedehnten Verletzungen in den ersten Stunden und Tagen noch darüber. Die indirekte Energieumsatzbestimmung mißt den Sauerstoffverbrauch. Das Energieäquivalent beträgt 21,0 kJ/l O2.
    Der Respiratorische Quotient ist definiert als das Verhältnis zwischen dem für die Energiegewinnung gebrauchten Sauerstoff und der im selben Zeitraum abgeatmeten Kohlendioxidmenge:
    RQ = V CO2
    V O2
    = CO2-Abgabe
    O2-Aufnahme

    Er beträgt für Glucoseverbrennung 1, für Fettverbrennung 0,7 und für Eiweiß 0,81. Der "metabolische RQ" liegt im Mittel bei 0,82. Die Endprodukte des Stoffwechsels (Katabolismus) sind Wasser (350 ml/d), CO2 (230 ml/min), Harnstoff (30 g/d).

    Erkrankungen und Operationen führen zu einer Zunahme des Energieumsatzes, großflächige Verbrennungen z. B. um 130 % bei Verdreifachung der Stickstoffausscheidung (Eiweißkatabolismus).

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    Chemische Umsetzungen setzen Wärme frei. Die einzelnen Organe produzieren in Ruhe und bei Belastung unterschiedliche Wärmemengen (Joule pro 100 g Gewicht pro Minute). Die anteilige Wärmebildung an der Gesamtproduktion des Körpers liegt für die Muskulatur in Ruhe bei rund einem Viertel, bei Belastung (Arbeit) bei bis zu 90 %.
    Die bei allen chemischen Umsetzungen entstehende Wärme dient einerseits der Erhaltung einer konstanten Körpertemperatur, von der die Reaktionsgeschwindigkeiten abhängen. Auf der anderen Seite muss die Wärme aus den Zellen fortlaufend abtransportiert und als Energieverlust an die Umgebung des Organismus abgegeben werden.
    Die Regulation erfolgt durch Veränderungen der Hautdurchblutung, durch Änderungen der Wärmeleitung, konvektiv durch Luftbewegung, durch die Wärmeabstrahlung und die Verdunstung.
    Die Wärmeproduktion und Abgabe wird gesteuert durch ein System von peripheren und zentralen Rezeptoren, welche die Durchblutung der Körperperipherie, die Schweißproduktion, die Umsetzungen in der Muskulatur und in inneren Organen regulieren.

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    Die Regulation konstanter Körpertemperaturen erfolgt im Hypothalamus mit Hilfe peripherer und zentraler Rezeptoren (vgl. Autonomes Nervensystem). Die Regelung hat nach oben und unten Grenzen, jenseits der die Kerntemperatur des Körpers sinkt oder steigt.
    Innerhalb der Regelkapazität wird bei Bedarf Wärme durch Stoffwechselsteigerung (Kältezittern = Muskelarbeit = Wärmeproduktion) gewonnen, bei hohen Außentemperaturen die Wärmeabgabe durch Körperoberfläche und Atmung gesteigert. Die Wärmeabgabe durch gelingt durch: Strahlung, Leitung und Konvektion sowie Verdunstung von Schweiß.
    In die Steuerung der Körpertemperatur sind zahlreiche Areale des Zentralnervensystems eingeschaltet, da Temperaturschwankungen massive Stoffwechselabweichungen zur Folge hätten (vgl. Autonomes Nervensystem). Überschreitet das Wärmeaufkommen die Kapazität der Abgabesysteme, entsteht Hyperthermie (vgl. Hitzeschäden).

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    Die Wärmeabgabe passt sich den Außentemperaturen an. Niedrige Außentemperaturen führen zu einer Drosselung der Wärmeabgabe. Der Mensch ist blass, die Lippen bläulich, da die Blutgefäße in der Körperperipherie (Haut und Schleimhäute) verschlossen sind. Im Gegensatz dazu hat der Überhitzte einen roten Kopf.

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    Der Anstieg der Außentemperatur erschwert die Wärmeabgabe. Nach Ausschöpfen aller Kompensationsmechanismen steigt die Kerntemperatur des Körpers an. Die Wärmebildung wird bei erhöhten Außentemperaturen gedrosselt, der Wärmewiderstand sinkt ab. Bei tiefen Außentemperaturen nimmt die Durchblutung und Temperatur der Haut schließlich ab, die Verdunstung kommt zum Erliegen, die Wärmeproduktion wird vor allem in der Muskulatur gesteigert (Kältezittern). Jenseits der Kompensationsmöglichkeiten führen Körpertemperaturen unter 36° C und über 41-42° C zu Funktionsstörungen der Organe und schließlich zum Herztod.
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