Home > Ernährungslehre > Energiebedarf

Wassermarkierung

Grundumsatz - Leistungsumsatz - Wassermarkierung

Isotope

Wasser-Moleküle bestehen bekanntlich aus einem Sauerstoff-Atom und zwei Wasserstoff-Atomen. Normalerweise sind diese Atome nicht radiaktiv, hinterlassen also keine Strahlung oder sind sonstwie aktiv.

Nun gibt es aber sogenannte Isotope. Das sind Atome eines Elements, die genau so viele Protonen besitzen, aber ein, zwei oder mehrere Neutronen zusätzlich haben.

Wasserstoff-Isotope

Vom Wasserstoff beispielsweise gibt es drei Isotope:

  1. den normalen Wasserstoff $_{1}^{1}H$ mit 1 Proton, Atommasse = 1
  2. Deuterium $_{1}^{2}H$ mit 1 Proton und 1 Neutron, Atommasse = 2
  3. Tritium $_{1}^{3}H$ mit 1 Proton und 2 Neutronen, Atommasse = 3

Ersetzt man beim Wasser-Molekül den Wasserstoff durch Deuterium, erhält man das sogenannte schwere Wasser mit einer Dichte von 1,1 g/cm3. Schweres Wasser ist nicht radioaktiv, hat aber etwas andere physikalische Eigenschaften als normales Wasser und kann daher mit technischen Mitteln leicht von normalem Wasser unterschieden werden. Im Gegensatz zu Deuterium ist das Tritium radioaktiv und gibt $\beta$-Strahlung ab.

Sauerstoff-Isotope

"Normaler" Sauerstoff hat 8 Protonen im Atomkern und 8 Neutronen, hat also eine Atommasse von 16, daher schreibt man ihn auch als $_{8}^{16}O$ . Neben diesem Sauerstoff gibt es noch die beiden Isotope $_{8}^{17}O$ und $_{8}^{18}O$ mit 9 bzw. 10 Neutronen. Beide Isotope sind nicht radioaktiv, können aber mit anderen technischen Mitteln leicht von normalem Sauerstoff unterschieden werden.

Doppelt markiertes Wasser

In der Erforschung des Energieumsatzes wird nun doppelt markiertes Wasser eingesetzt. Dieses doppelt markierte Wasser besteht aus einem $_{8}^{18}O$-Atom und zwei $_{1}^{2}H$-Atomen. Da beide Atomarten nicht radioaktiv sind, ist dieses Wasser vollkommen harmlos und kann getrunken werden. Wenn eine Versuchsperson nun einen - sehr teuren - Becher dieses Wassers trinkt, vermischt sich das doppelt markierte Wasser mit dem normalen Körperwasser - die Versuchsperson merkt davon nichts.

Das Interessante ist nun, dass die beiden verschiedenen Isotope auf unterschiedliche Weise wieder ausgeschieden werden. Das Deuterium, also der markierte Wasserstoff, wird wieder in andere Wasser-Moleküle eingebaut und verlässt den Körper der Versuchsperson über den Urin. Der schwere Sauerstoff wird auch wieder in Wasser eingebaut und mit dem Urin abgegeben. Ein anderer Teil des markierten Sauerstoffs wird dagegen in das Kohlendioxid eingebaut, das zum Beispiel im Citratzyklus hergestellt wird und verlässt den Körper über die Ausatemluft.

Haben Sie es gemerkt? Vom markierten Wasserstoff wird die gesamte Menge mit dem Urin abgegeben, von dem markierten Sauerstoff nur ein Teil. Der andere markierte Sauerstoff wird ja über das CO2 mit der Ausatemluft abgegeben.

Nun kann man also aus der Differenz $_{1}^{2}H$  und  $_{8}^{18}O$ berechnen, wie viel markierter Sauerstoff sich in der Ausatemluft befindet, daraus kann man wieder das Volumen des abgegebenen Kohlendioxids berechnen, und dann - wie bei der klassischen indirekten Kalorimetrie - den Energieumsatz.

Der Vorteil dieser aufwendigen und teuren Methode ist, dass sie nicht im Labor durchgeführt werden muss, sondern im normalen Alltags- und Arbeitsleben angewandt werden kann. Dazu gibt man der Versuchsperson eine bestimmte Menge des doppelt markierten Wassers zu trinken und sammelt dann über zwei oder drei Wochen Urinproben ein[2]. Die Ausatemluft muss nicht gemessen werden, weil man ja das produzierte CO2 aus der Differenz zwischen $_{1}^{2}H$  und  $_{8}^{18}O$ berechnen kann. Allerdings muss man den respiratorischen Quotienten bei der Versuchsperson bestimmen, damit man die "richtige" Reaktionsgleichung zur Bestimmung des Energieumsatzes einsetzen kann. Den RQ kann man aber mithilfe eines Ernährungstagebuchs der Person bestimmen.