Respiratorischer Quotient

Evidenz-Pyramide:
Autor:

Billy Sperlich

Respiratorischer Quotient  

Der respiratorischer Quotient, meist als RQ oder RER (engl.: „respiratory exchange ratio“) abgekürzt, wird als Quotient des pro Zeiteinheit abgegebenen Kohlenstoffdioxidvolumens (VCO2 in l/min) zum aufgenommenen Sauerstoffvolumen (VO2 in l/min) errechnet und ist dimensionslos ohne Einheit.

RQ = VCO2/VO2

In Ruhe und unter Belastung kann bei atemgasanalytischen Messungen (z.B. während einer Spiroergometrie) mittels dem RQ der Anteil der Substratverwertung (z.B. Kohlenhydrat- und Fettverbrennung) am Energiestoffwechsel bestimmt werden und letztlich der Energieverbrauch während körperlicher Belastung oder in Ruhe bestimmt werden [1].

Indirekte Kaliometrie

Direkte Messung des Energieverbrauchs beim sich bewegenden Menschen zu messen ist kompliziert, da neben der Muskelarbeit auch die Wärmeproduktion kalkuliert werden muss.

Da bei konstanter (submaximaler) Arbeit die Energiegewinnung hauptsächlich von der Oxidation von Kohlenhydraten und Fetten abhängt kann der RQ indirekt zur Abschätzung des Energieverbrauchs sowie zur Beurteilung des Anteils der Oxidation freier Fettsäuren sowie von Glukose herangezogen werden.

Biochemisch betrachtet wird für die Oxidation von einem Glukosemolekül gleich viel O2 benötigt wie CO2 produziert wird:

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O. In diesem Fall ist der RQ = 6VCO2/6VO2 = 6/6 = 1 (dimensionslos).

Für die Verbrennung von Fettsäuren (z.B. Palminsäure) wird 23 O2 benötigt und dabei entsteht 16 CO2:

C16H32O2 + 23 O2 → 16 CO2 + 16 H2O, der errechnete RQ = 16VCO2/23VO2 = 16/23 = 0,7.

Da bei der Oxidation von langkettigen Fettsäuren mehr Sauerstoff benötigt wird ist der RQ < 1.0.

Bei intensiver körperlicher Arbeit übersteigt die Kohlenstoffdioxidproduktion die Sauerstoffaufnahme, wodurch Werte von > 1 entstehen. Zunehmender anaerober Stoffwechsel, z.B. während eines Stufentest, fördert Freisetzung von Kohlendioxid über das Bikarbonat-Puffersystem. Dadurch wird mehr CO2 produziert als O2 aufgenommen und der RQ ist entsprechend >1. In der Erholungsphase nach intensiven Belastungen wird das produzierte Kohlendioxid vermehrt abgeatmet, dadurch steigt der RQ nach Belastungsabbruch an.

Die zeitlich verzögerte und vermehrte Abatmung an VCO2 erschwert vor allem bei Intervallbelastung den Energieverbrauch über die indirekte Kalorimetrie zu berechnen.

Letztlich spiegelt das Verhältnis von CO2-Produktion und VO2 Aufnahme unter konstanten Bedingungen (z.B. bei Ruhemessungen oder konstanten Dauerläufen) den metabolischen Substratumsatz tatsächlich wieder.

Energieumsatz aus Fetten, Kohlenhydraten und Proteinen während eines Stufentests auf dem Laufband. Die Läuferin wiegt 60.4 kg.

Der Abbau von 1 g Glykogen setzt ca. 4,1 kcal, der Abbau von 1 g Fett ca. 9,3 kcal frei. Derzeit existieren etliche Energieverbrauchstabellen [2] bzw. Algorithmen mit denen es schlussendlich möglich ist, auf den Energieverbrauch bzw. der Anteil des Kohlenhydrat- und Fettstoffverwechselung bei gegebener Belastungsintensität zurückzuschließen [3]. Allerdings können die verschiedenen Kalkulationen zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Folgende Formel findet häufige Anwendung in der Arbeitsphysiologie [3]:

Kcal = 3.941 VO2 [L/min] + 1.106 VCO2 [L/min].

 

Energieverbrauchsmessung mittels Smartwatches

Die Nutzung aktueller Smartwatches zur Abschätzung des Energieverbrauchs im Laufen kann aktuell nicht empfohlen werden [4].

 

Einzelnachweise

  1. van Hall, G., et al., Skeletal muscle substrate metabolism during exercise: methodological considerations. Proc Nutr Soc, 1999. 58(4): http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/10817157
  2. Ainsworth, B.E., et al., 2011 Compendium of Physical Activities: a second update of codes and MET values. Med Sci Sports Exerc, 2011. 43(8): http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21681120
  3. Weir, J.B., New methods for calculating metabolic rate with special reference to protein metabolism. J Physiol, 1949. 109(1-2): http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15394301
  4. Duking, P., et al., Wrist-Worn Wearables for Monitoring Heart Rate and Energy Expenditure While Sitting or Performing Light-to-Vigorous Physical Activity: Validation Study. JMIR Mhealth Uhealth, 2020. 8(5): http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/32374274