2019.02.14.

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Energieumsatz des Körpers (Lz. 69)

Regulation der Nahrungsaufnahme (Lz. 77)

Péter Sántha 2019.02.12.

ENERGIEUMSATZ DES ORGANISMUS

NÄHRSTOFFE

KÖRPEREIGENE

SUBSTANZE

ABBAU

(KATABOLISMUS)ATP

PHYSIKALISCHE ARBEIT

SYNTHESE

(ANABOLISMUS)

WÄRMEPRODUKTION

ABBAU-

ENDPRODUKTE

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MAβEINHETEN ZUR MESSUNG DES ENERGIUMSATZES

(sec) ZEIT

(Joule) ENERGIE(Watt) ATZENERGIEUMS =

1kJ = 1000 Ws = 0,24 Kcal (1 Kcal ~ 4 kJ)

100Energie eaufgewandt

Arbeit ausere%(η adWirkungsgr ×=)

Wirkungsgrad des Gesamtorganismus (mechanische Arbeit) ≈ 20 %

Wirkungsgrad der Herztätigkeit: 15-40% !!

Nettowirkungsgrad für verschiedene Arbeitsformen

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UMSATZGRÖβEN DER ZELLE

Tätigkeitsumsatz - aktive Zelle

Bereitschaftsumsatz - uneingeschränkte Funktionsbereitschaft

Erhaltungsumsatz - Erhaltung der Struktur

Zellschäden: reversible → irreversible

Energieumsatz

Störungen der Energiezufuhr - Ischämiespirale des Gehirns

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UMSATZGRÖββββEN DES GESAMTORGANISMUSRUHEUMSATZ - GRUNDUMSATZ

RUHEUMSATZ: während körperliche und geistige Ruhe gemessene Energieumsatz(„leisure rate”)

GESAMTUMSATZ: Ruheumsatz + DIT+Arbeitsumsatz(DIT – Diät-induzierte Thermogenese)

GRUNDUMSATZ: unter standarde Bedingungen gemessene Energieumsatz

6480 kJ/Tag (75 W) - 7100 kJ/Tag (100 W)

Kriterien zur Bestimmung der individueler Grundumsatz:

1. Morgen 2. In körperliche und geistige Ruhe (liegend)3. Nüchtern4. Indifferenz Temperatur, normale Körpertemperatur

FAKTOREN DIE BEEINFLUββββEN DEN ENERGIEUMSATZ1. Tageszyklische Schwankungen des Energieumsatzes:

Neuro-humorale (hormonale) Faktoren (z.B: ACTH – Kortikosteroide)

Schlaf-Wach Perioden (Zyrkadian Rythmen)

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2. Tonische, phasische Aktivität der Muskulatur (Ruhe: 25% des Grundumsatzes; Leber 26%, Gehirn 18%, Herz,

Nieren 9%)3. Nahrungsaufnahme - postprandiale Energieumsatzzunahme

DIT: Diät-induzierte Thermogenese (za. 6% des Gesamtumsatzes/Tag)SDA: Specific Dynamic Action von Eiweßkörper

(max. ~30% Erhöhung der aktuellen Stoffwechselrate)

4. Umgebungstemperatur:Thermoregulatorische Prozesse (Thermogenese)Van’t Hoff Gesetz (RGT Regel): „Chemische Reaktionen bei einer Temperaturerhöhung von 10 °C verdoppeln bis vervierfachen”

FAKTOREN DIE BEEINFLUββββEN DEN GRUNDUMSATZ

Wärmebilanz - Abhängigkeit der Metabolischen Rate von der Umgebungstemperatur

TN

Z: T

herm

oneu

tral

e Z

one

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Individuelle Faktoren die beinflußen den Grundumsatz

Geschlecht - Lenbensalter – Körpergewicht(Oberfläche)

Grundumsatz:6,5-7,1

+Freizeitzuwachs:

8,4-9,6

Jahrelanger

Schwerstarbeit: 15-20

Höchstleistung: 35-40

Energieumsatz (MJ/d)

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90 min=4,8 MJ(120 g Fett)

1 km=1MJ(25 g Fett)

1 h=5,1 MJ(130 g Fett)

(Abmagerungskur)

MESSUNG DES ENERGIEUMSATZES

Bestimmung den Energiezufuhr:

nur Schätzung, Schwerigkeiten mit dem Verbrauch der gespeicherten Nährstoffen, Ausnutzung, usw.

Bestimmung die umgesetzte Energie:

Direkte Methode - „Direkte Kalorimetrie”Bestimmung der Wärmeabgabe lebender Organismen

Indirekte Methode - Messung der im Organismus eingesetzte Sauerstoffmenge

CxHyOz + nO2⇒⇒⇒⇒ x CO2 + h H2O + Energie

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Ad 1.: Direkte Kalorimetrie: Bestimmung des Grundumsatzes

∆∆∆∆E = Q

ad. 2.: Indirekte Methode - Bestimmung des Sauerstoffverbrauches

Spirometrischer Verfahren

O2 Verb.=dV/dt

CxHyOz + nO2⇒⇒⇒⇒ x CO2 + h H2O + Energie

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Ergospirometrie

Berechnung des Energiumsatzes Aufgrund des gemessenen O2 Verbrauches

(biologische) Brennwert: bei Verwertung von 1g Nährstoff freigesetzte Energie

Energie- (kalorisches) Equivalent: Energieausbeute pro Liter Sauerstoff

Respiratorische Quotient :

CxHyOz + nO2⇒⇒⇒⇒ x CO2 + h H2O + Energie

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Beziehung zwishen der RQ und der Zusammensetzung der Nahrung

Glukoseverbrennung:

C6H12O6 + 6 O2 => 6 CO2 + 6 H2O + 2780 kJ

RQ = 1; KE = 21,1 kJ / l O2

Fettverbrennung: (Tripalmitoil-Glizerat)

C57H110O6 + 81,5 O2 => 57 CO2 + 55 H2O + 35675 kJ

RQ = 0,7; KE = 19,6 kJ/ l O2

Mischkost: 15% Eiweiß - 60 % Kohlenhydrat - 25% Fett:

RQ = 0,82; KE = 20,2 kJ/ l O2

Abhängigkeit das Energiequivalent von der Respiratorische Quotient

Konstante Eiweiss Abbau (15% des Gesamtenergieumsatzes)

Entscheidend ist das Verhältnis zwischen dem Kohlenhydrat - Fett Katabolismus

Beispiel zur Errechnung des Energiumsatzes:

O2Verb.=280 ml/min

RQ=0,82 ∆∆∆∆E/ ∆∆∆∆ t=0,28 l/min x 20,2 kJ/l=5,66 kJ/min (94 W)

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RQ und die Zusammensätzung der Nahrung

Variabilität des Respiratorisches Quotientes

Erhöht:Hunger (Diabetes mellitus) -- Abbau der Fettspeichern dominiert,

+ Glukoneogenese - RQ ↓↓Erniedrigt: -Gänsemast (Kohlenhydrat – Fett)

RQ↑↑

Erhöht: Hyperventilation (RQ↑↑): Auswaschvon CO2 Gehalt der Lungen (FRC)

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Diagnostische Bedeutung des Energieumsatzes

Arbeitsphysiologie - Arbeitsmedizin – SportmedizinBeurteilung der Ausbildung und Verlauf des ShockzustandesPostagressions-Stoffwechselerhöhung (Steroidhormone)Schilddrüssenerkrankungen (Schilddrüssenhormone)

Regelung der Nahrungsaufnahme

Kurzfristig:Hunger - Satheit

Langfristig:Körprgewicht

InterdigestivePhase

DigestivePhase

HungerSatheit

Nah

rung

s-au

fnah

me

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Funktionelle Regelkreise der Nahrungsaufnahme

Hunger: Empfindung – Antrieb für NahrungsaufnahmeSatheit: Signal für beenden der Nahrungsaufnahme(Appetit – Ekel)

Physiologische Mechanismen:• Glukostatische Theorie: Gastrointestinale/Blut

Glukosekonzentration – peripherale und zentrale Glukosesensoren

• Gastrointestinale Hormone – Hypothalamus (z.B.: CCK- n.X.)• Neurale Wirkung: Dehnungsrezeptoren – Hypothalamus

• Langzeitige Regelung: Endokrine Funktionen desFettgewebes

Stereotaxische Versuche – Kerngebiete des Hypothalamus(Walter Rudolf HESS; Nobel Preis: 1949)

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Ventromedial Kern: „Sattheitzentrum” (Zerstörung: Hyperphagie)Lateral Kern: „Hungerzentrum” (Zerstörung: Aphagie)

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ANOREXIGENIC (Hemmung) OREXIGENIC (Förderung)

POMC: Pro-Opio-Melano-Cortin α-MSH

Neuropeptide Y (NPY)

CART: Cocaine- and Amphetamine-Regulated Transcript

AGRP: Agouti-Related Peptide

Glucagon-like peptide I (GLP-I) Noradrenalin

Cholezystokinin Gammaaminobuttersäure (GABA)

Galanin (GAL)

Modified from Kalra SP, Dube MG, Pu S, et al: Interacting appetite-regulating pathways inthe hypothalamic regulation of body weight. Endocr Rev 20:68-100, 1999.

Faktoren die beinflußen die Hypothalamische Zentren und kontrollierendie Nahrungsaufnahme

(orexos

–A

pp

etit

, H

un

ger

)

Neuronen in dem N. Arcuatus – integrieren die peripherischen Signalen

Neurone zweiter Ordnung

Orexigene

Anorexigene

Neurone erster Ordnung

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Zentralnervöse Netzwerk für Regelung der Nahrungsaufnahme

Pape – Kurtz – Sibernagel, 2014

Neurone zweiter Ordnung

Neurone erster Ordnung

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Funktionelle Regelkreise der Nahrungsaufnahme

• Glukostatische Theorie: Gastrointestinale/Blut Glukosekonzentration – peripherale und zentrale Glukosesensoren --- SUBSTRATE SENSING

• Gastrointestinale Hormone – Hypothalamus (z.B.: CCK- n.X.)CCK, GLP, PYY versus Gherlin

• Neurale Wirkung: Dehnungsrezeptoren – Hypothalamus– peripherale Chemorezeptoren

Insulin und Glukagon (endokrine Pankreas)

Peripherische Signale für Kontrolle der Nahrungsaufnahme

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ob/ob mutant (Leptind defizient)OB/OB – Leptin Rezeptor defizient „wild type”

Gentisches Tiermodell der Obesität: „Obese mice”

Funktionelle Regelkreise der Nahrungsaufnahme

• Langfristige Regelung: Endokrine Funktionen desFettgewebes: Adipokine

• Leptin (leptos – dünn) – es wird freigestzt von Adipozytenob/ob Mouse: Leptin defizient Maus; „obese mice”(Fettsucht, Hyperphagie, Hypoaktivität) Wirkung des Leptins: NPY Spiegel sinkt, CART Spiegel erhöht

• Leptin Plamskonzentration ist proportional mit dem Fettgehalt des Körpers

• Adiponektin: direkte Wirkungen auf dem Stoffwechsel

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Feed-back regulation to control the amount of stored fat and body weight

Other adipokines:

TNF-α, IL-6 (Insulin-resistance)Adiponectin (BMR↑)