Energiebedarf von Zellen

Unter Stoffwechsel versteht man alle chemischen Prozesse im einem Organismus, der zur Umwandlung (Anabolismus, Katabolismus) von Stoffen führt. Der Stoffwechsel ist somit verantwortlich für die Aufnahme, den Transport und die chemische Umwandlung von Stoffen in einem Organismus. Einige der Stoffwechselreaktionen sind zwar auch im “Reagenzglas” möglich”, die Kombination der miteinander vernetzen (Stoffwechsel-)Reaktionen ist aber nur innerhalb lebender Zellen möglich. Aus diesem Grund sollte auch betrachtet werden, wie Zellen die Energie und “Baumaterial” zur Verfügung gestellt wird, die die Zellen zur Aufrechterhaltung ihrer Funktionen benötigen.

“Energiebedarf” beim Menschen

Wie allseits bekannt werden die Kohlenhydrate als schneller Energielieferant im Körper verwendet (im Vergleich zu Fetten, die als Langzeit-Energiespeicher in der Zelle dienen). Nun stellt sich die Frage, wie viel “Energie” bzw. Kohlenhydrate benötigt ein Mensch.

Prinzipiell kann man dafür keine Regel aufstellen, sondern nur vage “Abschätzen”, da der Energiebedarf von der Größe des Menschen, dem Körpergewicht und der körperlichen Aktivität abhängt. Als minimaler Gesamtbedarf an Kohlenhydraten pro Tag nimmt man 2-3g Kohlenhydrate pro Kg Körpergewicht an. Fette bzw. Fettmoleküle dienen ebenfalls -wie bereits erwähnt- als Energielieferant. Bei der “Umwandlung” von Fettmolekülen in Energie nimmt man an, das 1g ca. 40 KJ Energie liefert. Rechnet man dies um, bedeutet dies, dass man bei “normaler” körperlicher Aktivität pro 1 Kg Körpergewicht 1g Fett benötigt.
Nun kann man den gesamten Energiebedarf eines Menschen betrachten:

Der Grundumsatz den ein Mensch benötigt beträgt ca. 4,2 KJ pro Kg Körpergewicht (bei Frauen ca. 10% weniger). Der Grundumsatz ist die benötigte Energie, die notwendig ist, um alle Funktionen des Körpers aufrecht zu erhalten. Dieser Grundumsatz ist der Energiebedarf bei völliger Ruhelage. Um den gesamten Energiebedarf zu berechnen, rechnet man den sog. Arbeitsumsatz dazu (Energiebedarf bei körperlicher Aktivität). Dieser Energieverbrauch reicht von 50 KJ/min bei leichter körperlicher Tätigkeit bis zu 90 KJ/min bei hoher körperlicher Tätigkeit (Ausdauersport).

Energiestoffwechel – Grundumsatz beim Menschen

Diese Angaben können nur als vage angenommen werden, da mehrere Faktoren eine Rolle spielen, dies lässt sich mit Hilfe eines Vergleiches schnell zeigen. So beträgt bei einem/einer 19-25 jährigen bei einem Gewicht von 70 Kg (Mann) bzw. 60 Kg (Frau) ca. 1800 Kcal bzw. 1400 Kcal. Betrachtet man nun die Klasse 25-50 jährige, so gilt bei gleichem Gewicht ein Grundumsatz von ca. 1740 Kcal (Mann) bzw. 1340 Kcal (Frau). Der Unterschied klingt nicht dramatisch, dennoch kann er über längere Zeit Folgen haben.

Der Grundumsatz an Energie beim Menschen setzt sich aus zwei Teilen zusammen, dass eine ist der Bereich “mechanische Energie” (ca. 10%), unter den die sog. Muskelarbeit wie Herz-Lungenaktivität und Arbeit der Verdauungsorgane fällt (Achtung: körperliche Leistung wird hier nicht dazugerechnet). Der andere Teil ist die sog. “chemische und osmotische Energie”. Dieser Energiebedarf fällt z.B. bei Transportvorgängen in Zellen oder der Reizweiterleitung im Nervensystem an (osmotische Energie). Chemische Energie wird hingegen beim Aufbau von Körpersubstanzen wie Proteinen und Fetten benötigt.

Energieleistungsbedarf

Neben dem sog. Grundumsatz an Energie (der z.B. für Herztätigkeit oder Synthesen von Biomolekülen benötigt wird), gibt es noch den sog. Leistungszuwachs bzw. Leistungsbedarf an Energie. Dieser Leistungsbedarf setzt sich aus körperlicher Aktivität und Körperwachstum zusammen. Im Folgenden sind ein paar Beispiele gegeben, wie der Leistungsbedarf an Energie bei körperlicher Energie ungefähr einzuschätzen ist (dabei nimmt man an, dass der Grundumsatz zwischen 65 und 70 Kilokalorien (Kcal) pro Stunde beträgt).

* Schlafen: ca. 270 KJ/h bzw. 65 Kcal/h
* PC-Arbeit: ca. 330 KJ/h bzw. 80 Kcal/h
* Radfahren: ca. 1050 KJ/h bzw. 250 Kcal/h
* Schwimmen: ca. 1700 KJ/h bzw. 400 Kcal/h
* Dauerlauf: ca. 3600 KJ/h bzw. 850 Kcal/h


Energiebedarf von Zellen – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist der Grund für den Energiebedarf von Zellen?

Zellen benötigen Energie um lebenswichtige Funktionen durchzuführen wie Wachstum, Reperatur, Bewegung und Transport von Molekülen und Signalübertragung. Diese Energie wird in der Form von ATP (Adenosintriphosphat) bereitgestellt.

2. Welcher Prozess ist direkt verantwortlich für die Umwandlung von Nährstoffen in nutzbare Energie für die Zellen?

Der Prozess ist bekannt als Zellatmung. Dabei werden Nährstoffe, hauptsächlich Glukose, durch eine Serie von chemischen Reaktionen in ATP umgewandelt.

3. Wo in der Zelle findet die Zellatmung statt?

Die Zellatmung findet in den Mitochondrien statt, welche oft als “Kraftwerke der Zelle” bezeichnet werden.

4. Was sind die Endprodukte der Zellatmung?

Die Endprodukte der Zellatmung sind ATP, Wasser und Kohlendioxid.

5. Welche zwei Prozesse liefern Zellen Energie in Abwesenheit von Sauerstoff?

In Abwesenheit von Sauerstoff, gewinnen Zellen Energie durch Anaerobe Glykolyse und Gärung.

6. Was sind die Hauptnährstoffe, die Zellen zur Energieerzeugung verwenden?

Zellen verwenden hauptsächlich Glukose, Fette und Proteine zur Energieerzeugung.

7. Wie ist der Energiebedarf der Zellen mit der Körpertemperatur verbunden?

Zur Aufrechterhaltung der optimalen Körpertemperatur wird Energie benötigt. Ein erhöhter Energieverbrauch führt daher zu einer Erhöhung der Körpertemperatur.

8. Wie beeinflusst körperliche Aktivität den Energiebedarf von Zellen?

Körperliche Aktivität erhöht den Energiebedarf von Zellen, da mehr Arbeit durchgeführt werden muss und ATP dazu benötigt wird.

9. Was ist der Unterschied zwischen potenzieller und kinetischer Energie in Bezug auf Zellen?

In Zellen ist die potenzielle Energie die in Nährstoffen oder ATP gespeicherte Energie, während die kinetische Energie die Energie ist, die Zellen für die Durchführung von Arbeit verwenden.

10. Warum ist die Speicherung von Energie in Form von ATP für Zellen wichtig?

ATP ermöglicht Zellen die Speicherung und den Transport von Energie auf eine geeignete Weise. Ohne ATP könnten Zellen Energie nicht effizient handhaben und nutzen, was zu einer Beeinträchtigung ihrer Funktion führen würde. Daher ist die Speicherung von Energie in ATP für Zellen von entscheidender Bedeutung.