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Grundumsatz

Grundumsatz - Leistungsumsatz

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 = Die Energiemenge, die ein Mensch bei völliger Ruhe, leicht bekleidet im Liegen, am frühen Morgen und 12 Stunden nach der letzten Nahrungsaufnahme, und bei einer Raumtemperatur von 23 bis 25 ºC 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 Skelettmuskulatur, die jeweils ca. 25% der Energie verbrauchen. Das Gehirn benötigt ca. 18%, Herz und Nieren jeweils ca. 8%, und der Rest geht auf das Konto der anderen inneren Organe.

In dem Buch von Martin DÖRR[1] findet sich eine schöne Auflistung der Anteile der Organe am GU:

  • 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 zunächst 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, dest 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.

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%. (Zahlen aus deGROOT, "Ernährungswissenschaft").

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.

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.

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. Über die Körperoberfläche wird diese Wärme an die Umgebung abgegeben. Je größer also die Körperoberfläche ist, desto größer ist auch der Wärmeverlust. Dieser Wärmeverlust muss kompensiert werden, also steigt der GU mit zunehmender Körperoberfläche an.

Die Körperoberfläche hängt nicht nur von der Körpergröße ab, sondern auch vom Körpergewicht. Ein magerer 50jähriger Mann hat logischerweise eine kleinere Körperoberfläche als ein sehr fülliger gleichalter und gleichgroßer Mann.

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. 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.

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].

Berechnung 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.

Die älteste Formel zur Berechung 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

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.

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 ungünstig, 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 eine Reaktionsenergie von 2790 kJ/mol freigesetzt[3].

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.

Wäre 1 mol Sauerstoff verbraucht worden, dann wüsste man, dass genau 1/6 mol Glucose oxidiert worden wäre (siehe Reaktionsgleichung). Es sind - in unserem Beispiel - aber nur 0,45 mol Sauerstoff verbraucht worden. Das entspricht dann 0,075 mol Glucose.

Bei der Oxidation von 1 mol Glucose werden 2790 kJ Energie freigesetzt. Also werden bei der Oxidation von 0,075 mol Glucose ca. 209 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 (siehe Reaktionsgleichungen), 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.

Entscheidend ist nun der sogenannte respiratorische Quotient (RQ). 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 : 6.

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 lange 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].