Energieumsatz des Körpers (Lz. 69) Regulation der ... · 2019.02.14. 3 UMSATZGRÖ βEN DER ZELLE...
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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