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Grundumsatz

Grundumsatz - LeistungsumsatzThermogenese

Allgemeines

Wussten Sie schon, dass Sie selbst beim Schlafen Energie verbrauchen? Ihr Herz schlägt weiter, Ihre Lungen atmen während des Schlafs, im Magen und Darm wird fleißig weiter verdaut, Ihr Gehirn verbraucht viel Sauerstoff, während Sie träumen und so weiter. All diese zum größten Teil unbewusst ablaufenden Vorgänge verbrennen Nährstoffe, die vom Körper bereitgestellt werden müssen.

Grundumsatz (GU, engl.: basal metabolic rate, BMR) = Die Energiemenge, die ein Mensch bei völliger Ruhe, leicht bekleidet im Liegen, am frühen Morgen und 12 - 14 Stunden nach der letzten Nahrungsaufnahme, und bei einer Raumtemperatur von 23 bis 25 º C benötigt. Meistens wird der Grundumsatz auf 24 Stunden hochgerechnet.

Allerdings ist der Grundumsatz keine konstante Größe. Im Schlaf sinkt er zum Beispiel um 10%, starke Kälte und starke Hitze dagegen steigern den Grundumsatz[8]. Auch bei bestimmten Krankheiten, die mit Fieber verbunden sind, steigt der Grundumsatz teils sehr stark an.

Ursachen und Faktoren

Verantwortlich für den Grundumsatz sind vor allem Leber und Gehirn, die jeweils ca. 25% der Energie verbrauchen.Die Skelettmuskulatur benötigt ca. 18%, das Herz ca. 6% und die Nieren ca. 8%, und der Rest geht auf das Konto der anderen inneren Organe[1].

  • Leber, Darm: 25%
  • Gehirn: 25%
  • Herz: 6%
  • Niere: 10%
  • Skelettmuskel: 18%
  • Rest: 16%

DÖRR[1] unterscheidet auch zwischen Grundumsatz GU und Ruheumsatz RU. Danach wird der Ruheumsatz nicht im Liegen gemessen, sondern bei einer sitzenden Person. Außerdem ist diese Person "richtig" bekleidet, und die Raumtemperatur ist etwas niedriger als bei der Messung des Grundumsatzes. Einige Quellen sprechen auch von einem Erhaltungsumsatz, zum Beispiel das Lebensmittellexikon:

"Der Erhaltungsumsatz unterscheidet sich jedoch insofern vom Grundumsatz, dass er nur die absolut lebensnotwendige Energiemenge angibt."

Hier eine Tabelle mit typischen Grundumsätzen:

Alter Mann (172 cm, 70 kg) Frau (165 cm, 60 kg)
15-18 7.900 6.200
19-35 7.300 6.000
36-50 6.800 5.600
51-65 6.200 5.200
66-77 5.800 5.000

Die Zahlen wurden übrigens dem Lehrbuch "Ernährungslehre zeitgemäß" von von Ulrike Arens-Azevedo[2] entnommen. Aus dieser Tabelle kann man schon mal zwei Faktoren herausarbeiten, von denen der Grundumsatz abhängt: Je älter ein Mensch ist, desto niedriger ist der Grundumsatz, und Männer haben einen höheren Grundumsatz als Frauen, allerdings wird dieser Unterschied mit zunehmendem Alter geringer.

Faktoren, von denen der Grundumsatz abhängt
Alter

Da sich wichtige Stoffwechsel-Vorgäng im Alter verringern und meistens auch der Fettanteil des Gewebes steigt, sinkt auch der Grundumsatz mit zunehmendem Alter. Man kann ungefähr 20 bis 28 kJ pro Jahr vom Grundumsatz abziehen. Ein 80jähriger Mann hat demnach 560 kJ/d weniger GU als ein 60jähriger Mann.

Der Grundumsatz mit zunehmendem Alter wird immer geringer

Hier eine graphische Darstellung des Grundumsatzes in Abhängigkeit vom Alter, gewonnen aus den Daten der obigen Tabelle. Man sieht gut, dass die "Schere" zwischen Männern und Frauen mit zunehmendem Alter immer kleiner wird.

Geschlecht

Frauen haben einen niedrigeren GU als Männer. Das liegt an der Zusammensetzung des Körpergewebes. Frauen haben genetisch bedingt mit 25% einen höheren Fettanteil im Körpergewebe als Männer mit nur 13%. Dagegen haben Männer mit 55% einen höheren Muskelanteil als Frauen mit nur 47%[9].

Da Muskelgewebe einen größeren Energieumsatz hat als Fettgewebe, ist logischerweise auch der GU bei Männern höher als bei Frauen. Vergleicht man einen Mann und eine Frau mit gleichem Alter, gleichem Gewicht und gleicher Körpergröße, so kann der GU-Unterschied durchaus 1.500 kJ/d ausmachen.

Gewicht und Größe

Der Mensch ist ein gleichwarmes Säugetier, produziert also in seinen Zellen Wärme, die den Körper unabhängig von der Umgebungstemperatur auf einen gleich hohen Temperaturwert hält. Je größer und je schwerer ein Mensch ist, desto mehr Zellen hat er, und desto mehr Nährstoffe werden in diesen Zellen verbrannt. Daher erscheint es ganz logisch, dass der GU mit dem Körpergewicht und mit der Körpergröße ansteigt.

Zusammensetzung des Körpers

Menschen, die aufgrund sportlicher Aktivitäten oder wegen ihres körperlich anstrengenden Berufs über einen hohen Anteil von Muskelmasse verfügen, haben einen hohen GU. Das liegt wieder daran, dass Muskelzellen eine höhere Stoffwechselaktivität haben als zum Beispiel Fettzellen. Übergewichtige oder adipöse Menschen haben wegen des höheren Fettanteils dagegen einen niedrigeren GU als normalerweise.

Klima

Bei überdurchschnittlichen Temperaturen ist der GU höher als normalerweise, weil der Körper mehr schwitzt und insgesamt mehr Stress ausgesetzt ist. Bei kalten Temperaturen ist der GU ebenfalls höher als normal, weil jetzt die Muskeln anfangen zu zittern, um gegen den Verlust der Körperwärme zu arbeiten.

Man könnte jetzt allerdings denken, dass Menschen, die in den Tropen leben, einen höheren GU haben als Mitteleuropäer, wegen der hohen "tropischen" Temperaturen. Das ist allerdings nicht ganz korrekt, denn im Laufe der Jahre passt sich der Körper an diese extremen klimatischen Bedingungen an. Nach DÖRR[1] ist der GU in tropischen Ländern sogar 10 bis 20% niedriger als in gemäßigten Breiten. Das erscheint logisch, weil bei warmen Außentemperaturen ja nicht so viel Energieaufwand betrieben werden muss, um die Körpertemperatur aufrecht zu erhalten.

Krankheiten

Man kann jetzt nicht grundsätzlich sagen, dass Krankheiten den GU erhöhen oder erniedrigen. Das hängt ja ganz von der Art der Krankheit ab. Ist die Krankheit mit Fieber verbunden, steigt der GU um bis zu 40% . Lange Bettlägrigkeit dagegen lässt den GU sinken.

Stress

Allgemein erhöht Stress den GU. Meistens sind bestimmte Hormone wie Adrenalin oder Thyroxin daran beteiligt. Bei einer Überfunktion der Schilddrüse steigt zum Beispiel die Thyroxin-Ausschüttung und damit der GU.

Depressionen

Depressionen lassen den GU absinken, weil die Menschen, die unter Depressionen leiden, allgemein weniger aktiv sind (sie lassen "sich hängen", wie man sagt).

Sport

Sportliche Aktivität erhöht nicht nur den Leistungsumsatz, wie man vielleicht denken könnte, sondern auch den Grundumsatz. Durch den Sport nimmt nämlich der Anteil des Muskelgewebes zu, und Muskelgewebe hat ja einen höheren Energieumsatz als zum Beispiel Fettgewebe.

Schwangerschaft

In der Schwangerschaft können Frauen ihren GU um bis zu 25% steigern.

Fasten

Längeres Fasten kann den GU um 16 bis 40% senken, da sich der Energieverbrauch des Körpers langsam an die Energiezufuhr anpasst[3].

Herkunft / Vererbung

In der November-Ausgabe 2017 der Zeitschrift Spektrum der Wissenschaft findet sich ein hochinteressanter Artikel zum Thema Grundumsatz[11]. Danach hängt der Grundumsatz von all den bisher genannten Faktoren ab, aber auch von der Herkunft des individuellen Menschen.

"Weiterhin unterscheidet sich die Stoffwechselintensität zwischen einzelnen Individuen. 1986 haben Wissenschaftler in einer Studie den Metabolismus von 130 Personen aus 54 Familien untersucht. Auch nachdem sie Unterschiede im Alter, im Geschlecht und im Körperbau berücksichtigt hatten, beobachteten sie immer noch familiäre Unterschiede von bis zu 500 Kilokalorien täglich. Die Herkunft wirkt sich also offenbar stark auf die Stoffwechselintensität und die Fähigkeit zur Gewichtskontrolle aus."

Schätzung des Grundumsatzes

Um den Grundumsatz eines Menschen zu berechnen, gibt es Faustformeln und eine "richtige" Formel.

Faustformeln für den Grundumsatz
  • Pro kg Körpergewicht hat man einen GU von 1 kcal pro Stunde.
  • Pro kg Körpergewicht hat man einen GU von 100 kJ pro Tag.

Diese Faustformeln gelten für einen 25jährigen normalgewichtigen Mann. Bei der Abschätzung des GU sind aber die oben genannten Faktoren zu berücksichtigen. Bei Frauen kann man also einen gewissen Betrag vom so geschätzten GU abziehen.

Ein 70 kg schwerer 25jähriger Mann hätte danach einen GU von rund 7.000 kJ/d.

Berechnung des Grundumsatzes

Die älteste Formel zur Berechnung des Grundumsatzes kommt von J. A. Harris und F. G. Benedict aus dem Jahre 1918[7]. Hier muss man etwas aufpassen, weil der GU in kcal berechnet wird und nicht in kJ.

Die Harris-Benedict-Formel von 1918:
  • GUMänner = 66 + (13,7 × Gewicht in kg) + (5 × Größe in cm) − (6,8 × Alter) kcal
  • GUFrauen = 655 + (9,6 × Gewicht in kg) + (1,8 × Größe in cm) − (4,7 × Alter) kcal

Ein 16jähriges Mädchen, das 170 cm groß ist und 70 kg wiegt, hätte demnach einen GU von

655 + 672 + 306 - 75 = 1.558 kcal/d = 6.543,6 kJ/d

Die Faustformel "100 kJ/d pro kg Körpergewicht" würde dagegen einen Wert von 7.000 kJ/d ergeben, also etwas mehr. Die Faustformel gilt allerdings nur für einen 25jährigen Mann, bei einer Frau müsste man also einen gewissen Betrag davon abziehen. Andererseits ist das Mädchen jünger als der Referenzmann, also müsste man wieder einen geringen Betrag zuschlagen. Beide Faktoren gleichen sich in etwa aus, so dass man den Wert der Faustformel dann doch wieder nehmen könnte.

Etwas genauer und aktueller ist die Formel von Mifflin und St.Jeor, die 1990 vorgeschlagen wurde[4]:

Die Mifflin-St.Jeor-Formel von 1990:
  • GUMänner = (10 x Gewicht in kg) + (6,25 x Größe in cm) - 5 x Alter + 5 kcal
  • GUFrauen = (10 x Gewicht in kg) + (6,25 x Größe in cm) - 5 x Alter - 161 kcal

Diese Formel ist angeblich besser an den aktellen Lebenstil von Männern und Frauen angepasst, der sich heute nicht mehr so stark unterscheidet wie noch vor 100 Jahren.

Ein 16jähriges Mädchen, das 170 cm groß ist und 70 kg wiegt, hätte nach dieser Formel einen GU von

700 + 1063 - 80 - 161 = 1.522 kcal/d = 6392 kJ/d

Das ist etwas weniger als nach der Harris-Benedict-Formel von 1918.

Messung des Grundumsatzes

Es ist ja schön und gut, wenn man den Grundumsatz abschätzen oder sogar berechnen kann, aber leider ist jeder Mensch anders, und wenn man wirkliche und individuelle Werte für den GU haben möchte, muss man den GU messen.

Wie kann man nun den GU messen?

Dazu müssen wir etwas ausholen und in die Chemie gehen. Stellen Sie sich einmal vor, ein Mensch würde sich ausschließlich von Glucose ernähren. Das wäre zwar absolut ungesund, aber für die Messung des Grundumsatzes sehr vorteilhaft. Denn dann könnte man die einfache Reaktionsgleichung

$C_{6}H_{12}O_{6} + 6 O_{2} \to 6 CO_{2} + 6 H_{2}O$

zugrunde legen. Bei dieser Oxidation der Glucose durch Sauerstoff zu Wasser und Kohlendioxid wird - je nach Literaturquelle - eine Reaktionsenergie von 2790[3] bis 2880[10] kJ/mol freigesetzt[3].

Für Experten: Die hier genannten Unterschiede sind darauf zurückzuführen, dass man die Zellatmung unter verschiedenen Bedingungen misst, und dass manche Autoren die Reaktionsenthalpie ΔH angeben, andere die Freie Enthalpie ΔG.

Diese freigesetzt Energie kann man zwar nicht direkt messen, aber man kann feststellen, wie viel Liter Sauerstoff der Mensch in einer bestimmten Zeit verbraucht oder wie viel Liter Kohlendioxid er in einer bestimmten Zeit ausatmet. Und dann muss man rechnen. Wenn zum Beispiel in einer bestimmten Zeitspanne 10 Liter Sauerstoff verbraucht wurden, dann sind das 10/22,4 = 0,45 mol O2. Dazu muss man wissen, dass 1 mol eines (idealen) Gases bei Zimmertemperatur ein Volumen von 22,4 Litern einnimmt.

Wären genau 22,4 Liter und damit 1 mol Sauerstoff verbraucht worden, dann wüsste man, dass exakt 1/6 mol Glucose oxidiert worden wäre (siehe Reaktionsgleichung). Es sind - in unserem Beispiel - aber nur 10 Liter = 0,45 mol Sauerstoff verbraucht worden. Das entspricht dann 0,075 mol Glucose.

Bei der Oxidation von 1 mol Glucose werden ca. 2800 kJ Energie freigesetzt. Also werden bei der Oxidation von 0,075 mol Glucose ca. 210 kJ Energie freigesetzt. Dies wäre dann der Grundumsatz während dieser Zeitspanne. Jetzt muss dieser GU nur noch auf 24 Stunden hochgerechnet werden, und fertig ist die Messung.

Direkte Kalorimetrie

Das Verfahren der direkten Kalorimetrie wird zur Messung des GU nur selten angewandt. Dazu setzt man die Versuchsperson in eine geschlossene wärmeisolierte Kammer, in die Luft gepumpt wird, deren Sauerstoffanteil gemessen wird. Die Abluft wird abgesaugt und durch Schwefelsäure und Sodakalk geleitet. Die Schwefelsäure absorbiert das gebildete Wasser, der Sodakalk das gebildete Kohlendioxid. Beide Verbindungen werden dann gewogen. Die von der Versuchperson produzierte Wärmemenge wird ähnlich wie bei einem Liebigkühler ermittelt. Wasserrohre schlängeln sich spiralförmig durch die Kammer. Kaltes Wasser einer bestimmten Temperatur wird auf der einen Seite in die Rohre hineingepumpt, das durch die Körperwärme leicht erwärmte Wasser wird auf der anderen Seite abgelassen. Die Temperaturdifferenz wird dann für die Berechnung des Grundumsatzes ausgewertet, zusammen mit dem verbrauchten Sauerstoff und dem produzierten Wasser und Kohlendioxid. Die Person bekommt eine bestimmte Menge an Nahrung, die auch gemessen wird, und die festen und flüssigen Ausscheidungen der Person werden ebenfalls eingesammelt und gemessen.

Leicht erregbare Personen eignen sich nicht für diese Art der Messung, sie könnten sich durch die enge Kammer gestresst fühlen, und dann steigt natürlich der Grundumsatz an[5].

Die direkte Kalorimetrie ist außerdem sehr aufwändig und teuer (hoher Anschaffungspreis der Kammer), und sie eignet sich nur für Ruhestudien[6].

Unter folgendem Link finden Sie eine Schemazeichnung einer solchen Respirationskammer. Aus dem Bild geht allerdings hervor, dass sich die Kammer nicht nur für Ruhestudien eignet. Die Versuchsperson sitzt nämlich gerade auf einem Heimtrainer.

Indirekte Kalorimetrie

Normalerweise wird der Energieumsatz eines Menschen durch indirekte Kalorimetrie bestimmt. Dabei geht man im Prinzip so vor, wie im Abschnitt "Messung des Grundumsatzes" beschrieben. Allerdings hat sich der Mensch, der sich für die Messung zur Verfügung stellt, nicht ausschließlich von Glucose ernährt, was die Sache komplizierter macht. Trotzdem kann man über den Sauerstoffverbrauch Rückschlüsse auf den GU ziehen. Durch ein spezielles Mundstück atmet die Versuchsperson Umgebungsluft (Stickstoff + Sauerstoff) ein und wieder aus. Die Ausatemluft wird aufgefangen und analysiert. Wichtig ist hier der noch verbliebene O2-Anteil sowie der produzierte CO2-Anteil.

Repiratorischer Quotient

Entscheidend ist nun der sogenannte respiratorische Quotient (RQ). Unter dem respiratorischem Quotienten versteht man das Verhältnis von ausgeatmetem Kohlendioxid V(CO2) zu eingeatmetem Sauerstoff V(O2).

$RQ = \frac{V(CO_{2})}{V(O_{2})}$

Betrachten wir noch einmal die Gleichung der Glucose-Oxidation:

$C_{6}H_{12}O_{6} + 6 O_{2} \to 6 CO_{2} + 6 H_{2}O$

Hier ist das Verhältnis CO2 : O2 genau 6 : 6 bzw. 1 : 1, damit ist RQ = 1.

Findet man also bei der indirekten Kalorimetrie, dass die Versuchsperson genau die gleiche Menge Kohlendioxid produziert hat, wie sie Sauerstoff eingeatmet hat, dann weiß man, dass die Person in der letzten Zeit hauptsächlich Kohlenhydrate gegessen hat, die nach obiger Gleichung oxidiert werden.

Mal angenommen, die Person hat sich hauptsächlich von Fetten ernährt. Fette bestehen aus Glycerin-Molekülen, die mit drei Fettsäuren verbunden sind. Eine bekannte Fettsäure ist die Palmitinsäure mit 16 C-Atomen.

Palmitinsäure C15H31COOH

Ein Fett-Molekül, das aus einem Glycerin-Molekül und drei Palmitinsäure-Molekülen besteht, hat die Summenformel C51H98O6. Die Reaktionsgleichung für die Oxidation dieses Fettes sieht so aus[3]:

$C_{51}H_{98}O_{6} + 72,5 O_{2} \to 51 CO_{2} + 49 H_{2}O$

Um 1 mol dieses Fettes zu verbrennen, werden also 72,5 mol Sauerstoff verbraucht, es entstehen aber nur 51 mol Kohlendioxid. Der respiratorische Quotient hat hier also den Wert 51/72,5 = 0,70, ist somit also niedriger als der RQ für Kohlenhydrate. Da Fettsäuren so gut wie keinen Sauerstoff enthalten (die beiden O-Atome in der COOH-Gruppe sind ja lächerlich wenig; der überwiegende Anteil des Moleküls besteht aus C- und H-Atomen), muss zur Oxidation sehr viel Sauerstoff zugeführt werden. Kohlenhydrate enthalten dagegen bereits sehr viel Sauerstoff, darum muss zur Oxidation nicht mehr so viel O2 zur Verfügung gestellt werden.

Auch bei Proteinen ist nicht so viel Sauerstoff in den Molekülen enthalten, allerdings sind die organischen Reste der Aminosäuren nicht so lang wie die Alkylreste der Fettsäuren, daher ist der Sauerstoffanteil bei Proteinen größer als bei Fetten. Der RQ für Proteine liegt bei 0,8[3].

Für eine Mahlzeit, die nach dem Empfehlungen der DGE zusammengesetzt ist (55% Kohlenhydrate, 30% Fett, 15% Proteine), nimmt man einen RQ von 0,85 an[3][5].

Kennt man den RQ der Versuchsperson, weiß man ungefähr die prozentuale Zusammensetzung der Nahrung aus Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißen. Daraus kann man dann ausrechnen, wie viel Energie und Kohlendioxid freigesetzt wird, wenn 1 g dieser Mischkost im Körper verbrannt wird. Aus dem Volumen des freigesetzten CO2 kann man dann schließlich den gesamten freigesetzten Energiebetrag berechnen. Da man auch das Volumen des verbrauchten O2 kennt, kann man leicht eine Kontrollrechnung durchführen.

Grundumsatz im Unterricht der Sekundarstufe II

Laut dem aktuellen Kernlehrplan Ernährungslehre NRW sollen die Schüler(innen) folgende Kompetenzen in der Stufe EF erwerben:

Die Schüler(innen)

  • beschreiben Einflussfaktoren auf den Grund- und Leistungsumsatz und ziehen Rückschlüsse auf den Energie- und Nährstoffbedarf,
  • berechnen den täglichen Energiebedarf (u.a. mit Hilfe des PAL-Wertes).

Für meinem eigenen Unterricht habe ich folgende Lernziele gesetzt:

  1. Den Grundumsatz definieren und erläutern können, von welchen Faktoren der GU abhängig ist.
  2. Erläutern können, wie der GU bei einem Menschen geschätzt werden kann.
  3. Den Schätzwert unter Berücksichtung der oben genannten Faktoren modifizieren können.
  4. Erläutern können, wie der GU bei einem Menschen gemessen werden kann.

Für die anspruchsvolleren Schüler(innen) könnte als zusätzliches Lernziel noch formuliert werden:

  • Den respiratorischen Quotienten definieren können und erläutern können, in welchem Zusammenhang der RQ mit der Messung des Grundumsatzes (und des Leistungsumsatzes) steht.

Wenn hier jemand noch eine schöne Idee für weitere Lernziele im Zusammenhang mit dem GU hat, würde ich mich freuen, davon zu hören.

Unterrichts-Materialien
Ein Arbeitsblatt zum Grundumsatz können Sie sich hier herunter laden. Allerdings beziehen sich die Aufgaben dieses Arbeitsblattes auf das Schulbuch von Cornelia Schlieper. Schüler, denen dieses Buch nicht zur Verfügung steht, können mit dem Arbeitsblatt nicht viel anfangen. Zu indirekten Kalorimetrie und zum RQ habe ich selbst einen Text verfasst, den Sie sich hier ebenfalls herunter laden können.