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Naunyn-Schmiedebergs Arch. Pharmak. u. exp. Path. 258, 391--408 (1967)

StSrungen des Kohlenhydratstoffwechsels im Kaliummangel*

H. K . BARTELIIEIYIER**, W. LOSERT, G. SENFT'~ u n d R. SITT**

Fharmakologisches Insti tut der Freien Universitgt Berlin

Eingegangen am 23. Mai 1967

Disturbances o/Carbohydrate Metabolism in Potassium De/iciency

Summary. Feeding rats a low potassium diet over a period of 2--3 weeks produces a negative potassium balance the mean of which is 1445 4- 125 tzeq/animal.

Blood glucose concentration has been found increased under this condition. Following intravenous loading with glucose there is a decrease in the elimination constant k~ of glucose. Cellular glucose uptake has also been found to be impaired in alloxan diabetic animals fed a low potassium diet. From this it is concluded that there is a reduction in basal glucose transport in potassium deficiency. L-arabinose distribution volume is also decreased, indicating that the impairment in cellular glucose uptake is not caused by a reduction in intracellular utilisation of glucose. Endogenous insulin has been found to accelerate impaired basal glucose transport to a smaller degree than the unimpaired glucose transport in normal rats. Insulin plasma concentration is elevated. The same applies to the pancreatic function to secrete insulin in response to an increase in blood glucose concentration. The increase in insulin secretion is considered to be the consequence of the diminished action of insulin. The same relation holds for experiments in which glueoeorticoids were given to rats at a pharmacological dose level: as glueocorticoids diminish basal glucose uptake, insulin secretion increases, apparently to compensate for the impaired peripheral action of endogenous insulin.

The reduction in basal glucose transport as well as its consequences on insulin secretion in potassium deficient rats may partly be caused by an increase in glueo- cortieoid secretion. This has been concluded from an increase in suprarenal eorti- costerone concentration. An enhanced rate of corticosterone synthesis and output may be responsible for the increase in hepatic and renal glucose-6-phosphatase activity of potassium depleted rats.

Lowering intracellular pH vMues has also been found to lead to an increase in hepatic glucose-6-phosphatase activity. Therefore, an intracellular acidosis in liver could contribute to the increase in glucose-6-phosphatase activity measured in the liver of potassium deficient rats. Cellular acidosis has been found to occur in skeletal muscles of potassium deficient animals, and this was explained by hydrogen ions partially replacing the decrease in intraeellular potassium concentration (CooK~,

* Ein Teil der Ergebnisse wurde auf der 30. Tagung und der 8. Friihjahrstagung der Deutschen Pharmakologischen Gesellschaft vorgetragen (SITT, SmelT, LOSERT u. B~TEL~IMER, 1967a und b).

** Wir danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft fiir die Unterstiitzung unserer Untersuehungen.

Am 31. Oktober 1967 verstorben.

27 Naunyn-Schmiedebergs Arch. Pharmak. exp. Path., Bd. 258

392 It. K. BARTELItEIi~:ER, W. LOSERT, G. SEN~T ~ und R. SrrT:

S]~oA~, C~E~K, COVILLE, and DAR~OW, 1952 ; I~VI~, SAV~DE~S, M~L~E, and CR~W- ]~ORD, 1960). Cellular sodium and potassium concentration are, however, unaltered in the liver of potassium deficient rats. Thus, there is no indication for a compen- satery increase in intracellular hydrogen concentration in this tissue.

In contrast to liver, besides the glucocorticoid induced effect a pH dependent increase in glucose-6-phosphatase activity may contribute to the increase in enzymic hydrolysis of glueose-6-phosphate observed in the kidneys of potassium depleted rats.

In addition to the replacement of cellular potassium by hydrogen ions there is also a compensatory increase in intracellular sodium concentration of skeletal muscles. Sodium ions inhibit glycogen phosphorylase phosphatase thereby reducing the rate of conversion of active glycogen phosphorylase a into the inactive glycogen phosphorylase b. Consequently, the glycogenolytie action of epinephrine is increased in potassium deficiency.

Key-Words: Glucose Basal Transport and Insulin Secretion -- Glucocorticoids and Insulin Secretion -- Corticosterone and Gluconeogenesis -- Glycogenolysis and Intraeellular Sodium Concentration -- Negative Potassium Balance and Tissue Electrolyte Content.

SchliisselwSrter: Glucosebasaltransport und Insnlininkretion -- Glucocorticoide und Insu]ininkretion -- Corticosteron und Gluconeogenese -- Glykogenolyse und intracellul~re Natriumkonzentration -- Negative Kalinmbilanz und Elektro]yt- verbeilung zwischen dem intra- und extrace]lul~ren Raum.

Bei Untersuchungen fiber den Mechanismus der Diazoxid-Hyper- glyk~mie (ScHvLTZ, S]~NFT, LOSEt~T U. SITT, 1966; LOSEt~T, SE•FT, SITT, SCHULTZ U. KAESS, 1966) haben wir gefunden, da~ die glykogenolytische Wirkung dieses Benzothiadiazinderivats nach Erzeugung einer negat iven Kaliumbflanz gesteigert ist. Die intracellul~tre 5~a+-Konzentration in der Skeletmuskulatur n immt im Ka]iummangel zu. Natr iumionen hemmen die Glykogen-Phosphory]ase-Phosphatase und verzSgern hierdurch die Umwand lung der aktiven Form der Glykogen-Phosphorylase in die inak- t i re (KA~ss, SF,~FT, L O S ~ , SITT u. SC~VLTZ, 1966). Dies ha t zur Folge, dab Diazoxid im Kal iummangel bereits in einer Dosis zu einer I typer- glyki~mie fiihrt, die bei ausgeglichener Kaliumbflanz keinen Effekt hat.

Die Verst£rkung der Diazoxid-Hyperglyk~mie nach Kal iumverlusten mach t es verst~ndlich, dal~ auch Diuretica infolge ihrer K+-eliminieren- den Wirkung den glykogenolytischen Effekt dieses Pha rmakons steigern (SITT, S E ~ T , LOS~RT u. KA~ss, 1966).

Da auch diuretisch wirksame, sulfonamidierte Benzothiadiazin- derivate die Glykogenolyse beschleunigen kSnnen, ist es erkli~rlieh, dal~ der durch diese Verbindungen erzeugte Kal iumverlust am Zustande- kommen dieser Nebenwirkung beteiligt ist (SIgNeT, LOS]~RT, SCH~LTZ, SITT u. BA~TELn~Mn~, 1966; SWIFT, 1966).

Es gibt aber auch Hinweise, dal~ aul~er einer gesteigerten Glykogeno- lyse noch weitere Veri~nderungen im Kohlenhydratstoffwechsel nach Kal iumverlusten auftreten. SAG~LD, A~Dw~SEN u. A~DREASEN (1961)

St6rungen des Kohlenhydratstoffwechsels im Kaliummangel 393

sowie SAGILD U. ANDEBSEN (1964) haben aus dem pathologisehen Aus- fall eines Glueosetoleranztests bei erhaltener Wirkung von exogenem Insulin gesehlossen, dag die Insulininkretion im Kaliummangel erniedrigt ist. NAGANO, KLaTSCh, IImDLa~D U. HOC~mN (1963a und b) haben beriehtet, dag die Aktivit/~t der Glueose-6-Phosphatase in der Leber und Niere naeh Kaliumentzug ansteigt, ein Befund, der ffir eine Besehleuni- gung der Glueoneogenese spricht.

Von den genannten Befunden ausgehend haben wit zungehst gepriif~, ob sieh die t Iemmung der Glykogen-Phosphorylase-Phosphatase im Kaliummangel aueh in einer Verst/trkung kSrpereigener, die Glykogeno- lyse in der Skeletmuskulatur steigernder Verbindungen (z. B. des Adrena- ]ins) /~ugert, so dal~ sich das Gleiehgewieht zMsehen Glykogenauf- und -abbau bei einer erhShten Cateeholaminabgabe mehr zugunsten der Gly- kogenolyse ver/indert, wenn die intraeellul£re Na+-Konzentration in diesem Organ zunimmt.

Aul3erdem haben wit untersucht, ob die F/~higkeit der Inselzellen, eine Steigerung der Glueosekonzentration im Blur mit einer vermehrten Ab- gabe yon Insulin zu beantworten, vermindert ist, wie dies yon SAGILD U. AND~RSE~ angenommen wird. Tr/~fe dies zu, so k6nnte die als Folge der besehleunigten Glykogenolyse vermehrt im Blur auftretende Glucose sehleehter yon Zellen aufgenommen werden, an denen Insulin den Trans- port dieses Zuekers besehleunigt. Da das I tormon die Synthese der Glucose-6-Phosphatase als Repressor beeinfluBt (WEB]~R, SrNCEAL U. S~YVASTAV& 1965), k6nnte ein Aktivit&tsanstieg dieses Ferments ebenfalls auf einen Mangel an Insulin zurfiekgeftihrt werden. Eine besehleunig- te Hydrolyse yon Glucose-6-Phosphat wiirde zu einem weiteren Anstieg der Glueosekonzentration im Blur beitragen, ohne dag dieser dureh vermehrte Abgabe yon Insulin kompensiert werden kann.

Methodik Als Versuchstiere verwendeten wir m~nnliche Wistarratten mit einem Gewicht

zwischen 200 und 250 g. Sie erhielten Leitungswasser und Altromin-R-Trocken- futter, das wir ihnen zu Beginn der Experimente entzogen.

Untersuchungen an adrenalektomierten Ratten wurden 7 Tage nach der Opera- tion durchgeffihrt. Als Trinkflfissigkeit gaben wb" den Tieren physiologische Koch- salzlSsung. AuBerdem injizierten wir ihnen t~glich 2,5 ~g/kg d-Aldosteron (Aldo- corten-CIBA). Diabetische Ratten wurden 2 Tage nach i.v. Injektion yon 80 mg/kg Alloxan verwendet. Die Versuche wurden nur an solchen Tieren durchgeffihrt, deren Glucosekonzentration im Blur mindestens 200 mg-°/0 betrug.

Zur Erzeugung eines Kaliumdefizits wurden die Ratten in StoffwechselkEfigen 1 gehalten, die ein quantitatives Auffangen yon Stuhl und Urin ermSglichen, ohne dab die Ausscheidnngen durch Futter verunreinigt werden. Die Tiere erhielten eine nahezu kaliumfreie, sonst jedoch vollwertige Di~t (Low Potassium Diet-Complete

1 Wir danken I-Ierrn 5iechanikermeister It. DIETZ fiir die Anfertigung dieser Kgfige.

27*

394 H.K. B~nTE~]~EI~ER, W. LOSER% G. SENFT # und 1%. S~TT:

with Vitamins, Nutritional Bioehemieals Corp., Cleveland, Ohio, USA) und dest. W~sser ~ls Trinkfliissigkeit. Die mit dem Stuhl und Urin ausgeschiedenen Kalium- mengen wurden flammenphotometrisch gemessen.

Die Verteflung der l~trium- und K~liumionen zwischen dem intra- und extra- eellul~ren Raum der Leber und Skeletmuskulatur bestimmten wir nach einem in friiheren Arbeiten angegebenen Verfahren (LosERT, SENFT U. SE~FT, 1964; SE~FT, LOS]~RT, SITT, I~IcEvoY u. K~]~ss, 1966).

Die Gewinnung des Blutes sowie die Bestimmung der Glueosekonzentration im ]Mut sind ebenfa]ls in einer vorangegangenen VerSffentlichung besehrieben (Se~uLTZ, SE~FT, LOSE~T u. SITT, 1966). Als Ma~ ffir den cellul~ren Glucosetransport erreehneten wir aus dem Abfall der Glueosekonzentration im Blur die Eliminations- konstante k~. Sie nimmt ab, wenn die Aufnahme des Zuckers durch die Zellmembran eingeschr~inkt ist. Zum Studium des cellul~ren Transportes yon Monosaechariden verwendeten wit in einigen Versuchen auch 1-Arabinose. Diese Pentose gelangt durch den gleichen Mechanismus in den intracellul~ren l%aum wie Glucose, wird jedoch dort nicht phosphoryliert (RAI,~DLE, 1960). Eine St5rung des eellul~iren Glueosetrans- ports ~u~ert sich deshalb in einer Abnahme des Verteflungsvolumens yon 1-Ara- binose. Die Bestimmung der Plasmakonzentration der Pentose erfolgte naeh einem von M E ~ U ~ (1939) angegebenen Verfahren. Die Insulinkonzentration ira Plasma wurde radioimmunologisch nach der yon MORGAN U. L~z~ow (1962, 1963) sowie Mo~G~, SOlid,soN u. Lnz~Row (1964) verSffentliehten Niethode gemessen.

Die Aktivit~t der Glueose-6-Phosphatase in der Leber und in der Niere haben wir nach dem yon I - I ~ E ~ (1962) publizierten Verfahren ira Uberst~nd eines 30 min bei t0000.g zentrifugierten Homogen~tes bestimmt. Start eines 0,1 1K Citrat- puffers verwendeten wir als InkubationslSsung einen 0,1 M Male~tpuffer, da nach den Angaben yon I~ORDUE U. LY~aE (1966) Citr~t die Aktivit~t der Glucose-6-Phospha- tase erniedrigt. Gewebsproben der Leber sowie die l~ieren der Versuchstiere wurden sofort naeh der Entnahme in fliissigem Stiekstoff eingefroren und bis zur 1Kessung der enzymatischen Aktivit~it bei -- 20°C aufbewahrt.

Zur Bestimmung des Cortieonsterongehaltes der !~ebennieren wurden die endo- krinen Organe nach dem yon GVrLL]~N, O.~¥TO~, L~SCO~B U. S~T~ (1959) angegebenen Verfahren aufbereitet. Das Gewebe wurde jedoeh nicht unter Verwen- dung yon Sees~nd zerrieben, sondern die d~rin enthaltenen Steroide mit Hilfe eines l~otter-Elvehjem-Homogenisators aufbereitet. Die ~essung der Corticosteron- konzentration in dem alkoholischen Extrakt erfolgte nach den yon ZE~K~R u. BE~S~E~ (1958) mitgeteilten Angaben.

Ergebnisse

Bei Verabfolgung einer ka l iumarmen Dia t t r i t t im Verlauf yon 2 bis 3 Woehen ein Kahumdef iz i t yon ungefahr 1500 #val /Tier auf. Zu diesem Ze i tpunk t ist die Glucosekonzentra t ion im Blur gegenfiber normal ern~thrten l~at ten n m etwa 20 mg-°/0 erhSht (Abb. 1). Gleichzeitig ist die intracel lulare K+-Konzen t ra t ion in der Skele tmuskula tur erniedrigt, wah- rend die cellulare Na+-Konzen t ra t ion ansteigt (Abb. 2). g i e r d u r c h ist eine Bedingung geschaffen, bei der die Akt iv i t a t der Glykogen-Phosphorylase- Phosphatase a b n i m m t und dami t die l~iickfiihrung der ak t iven Glykogen- Phosphorylase in die inakt ive Fo rm ersehwert ist (K~Ess, SENFT, LOSERr, SITT U. SCHCLTZ, 1966). Eine Akt iv ierung der Phosphorylase b-Kinase un te r dem EinfluB yon Cateoholaminen aul~ert sich daher in einem star-


keren glykogenolytischen Effekt als bei normaler intracellul~rer Na+- Konzentration. Infolgedessen fiihrt Adrenalin in einer Dosis, die unter den gew/~hlten Versuchsbedingungen bei normal ernghrten Tieren noeh keinen signifikanten Anstieg der Glueosekonzentration im Blur hervorruft, im Kaliummangel zu einer Steigerung der extraeellulgren Konzentrat ion des

rag% 120

~5

.__. 110 t-

o

8100

cD

Kontrollen K+-Mange[ K + (,avcd/ml) Na + (,u.v~:l/ml) normo[e K+arme normcde K+-orme

Ern~hrung Dial

p<0,0006

n = 21 23 90

K+-Defizit : 0 1445!125 (~vQI/Tier)

Abb. 1. Anstieg der Glucose- konzentration im Blur bei Ratten

mit einem KMiumm~ngel

200

n." U

140

Erd~hrung Didt

180 l 22 ~<0,0006 p<0,0025

160 18

I 14

120 10

100 6 n =10 10 n=lO 10

1o I 18o ~-

8 1601-

80" o=10 9 n=lO 10

IZR 29,0 50,3 ~ = 16,5 5,? I

-+ 1,1 -+ &7 ± 3,6 +- 0,6 ,0<0,0005 p<'q01

Abb. 2

Abb.2. Ver~nderung der Na +- und K+-Konzentrationen in der Skeletmuskulatur K+-arm er-

n~ihrter Ratten

~ 6

"'~i 2

0

Zuckers (Abb.3). Die bei negativer K+-Bflanz verst/irkte Adrenalin- wirkung tr i t t besonders deutlich hervor, wenn die als Folge des glykogenolytischen Effekts vermehr~ an das Blut abgegebcne Glucose bei alloxandiabetischen Tieren infolge ihres Insulinmangels schlechter in den intracellulgren Raum transport ier t werden kann (Abb. 4). Als MaB fiir den Adrenalineffekt benutzten wir den aus dem Anstieg der G]ucosekonzen- ~ration bercchneten l~egressionskoeffizientcn b.

Auger einer erhShten Blutzuckerkonzentration kann man auch beob- aehten, dal3 die Glucosekonzentration im Blur nach i.v. Gabe des Zuckers im Kaliummangel h£ufig langsamer abf~llt (Abb. 5). Dies ist jedoch nicht auf eine Abnahme der Insulinkonzentration im Plasma zuriickzufiihren (Abb. 6). Sie ist vielmehr fast doppelt so hoch wie bei normal ern/~hrten Ratten. Auch die F~higkeit der Inselzellen, eine Erh6hung der Glucose- konzentration im Blur mit einer vermehrten Abgabe von Insulin zu beantworten, ist nicht eingeschr/~nkt (Abb. 7). Die Tiere reagieren sogar

396 H.K. BARTELHEIMWR, W. LOSERT, G. SEI~FT ~ und R. SITT:

mit einem st~rkeren Anstieg der Insulinkonzentration im Plasma als normal ern~hrte Ratten. Als Ma~ fiir die Reaktionsfi~higkeit des Insel- organs berechneten wit die Steigung der Geraden (Regressionskoeffi- zient b), die bei halblogarithmischcr Darstellung die Zunahme der Insu- linkonzentration in Abh~ngigkeit yon der gesteigerten Glucosekonzentra- tion wiedergibt, b ist im Kaliummangel erhSht. Die Eliminationskonstante k s beschreib~ die Beschleunigung des Glucosetransports, die als Folge der

3',5'-AMP- ATP Adenyt-Cyciase ~ Phosphodiestemse D 5'-AMP

Phosphorylase b Phosphorylase-b-Kinctse Phosphory|ase a (in~k~i~l p"mhosphoryiq.~e _ ph osphat a s e [~ktiv)

I NQ+

normale ErnShrung KaliummangeidiSt KontroUen Adrenalin Kontro[[en Adrenalin

(0,1 mg/kg,s.c.) (0.1mg/kg,s.cJ

-a ~"6 E

c ~ 351 FIT 30 - - N c ~ 2 C C ~, o .- .__ 25 20

ornco 15 T 10 -, o E c p>0,3 ~'-°5 o

n=18 n=17 n=20 n=19 Abb. 3. Steigerung des glykogenolytischen Effekts yon Adrenalin infolge Hemmung

der Phosphorylase-Phosphataso dutch Natriumionen im K+-Mangel

Insulininkretion (b) gemessen wird. k 2 ist im Kaliummangel kleiner, ob- wohl die Tiere sogar mehr Insulin abgeben. Der EinfluB des endogenen Insulins auf den Glucosenettotransport (Iw) kann durch die Beziehung k2 T anni~hernd beschrieben werden. Iw nimmt im Kaliummangel yon

8,6 • 10 -a auf 2,8 • 10 -a ab. Dies bedeutet, dal3 Insulin schlechter wirkt (siehe Abb. 7).

DaB dieser Wirkungsverlust des Insulins Ausdruck einer gestSrten cellul~ren Aufnahme der Glucose ist, geht aus Versuchen hervor, in deneu wir gleichzeitig mit der Glucose 1-Arabinose injizierten. Dieser Zucker wird nieht verstoffwechselt, gelangt aber durch dan gleichen Mechanis- mus in die Zellen wie Glucose. Das Verteilungsvolumen dieser Pentose, das wir als MaI~ ffir den cellul~ren Transport errechneten, ist bei den kal iumarm erni~hrten Ra t ten geringer und erreicht auch unter dem Einflu]3 des vermehrt abgegebenen Insulins nicht den bei den Kon- trollen gemessenen Wert.


Die verminderte cellul~re Aufnahme der Zucker beruht offensicht- lich auf einer prim~ren St6rung des Glucosebasaltransports. Die Elimi- nationskonstante k 2 ist n/~mlich auch bei diabetischen Rat~en mit einem

400 rag%

350

rag'/ . . . . ~ 300

630 r 0,2 mg/kg ~.::~fi E "o~ 250 ^../Adrenalin b=0,28 "0,03,...."

._e buur s.c. ) . . - " G .... ** o I I . - 200 ~ / " . - " 1 p<Q,016 ~55o~ -" i n~..~ -~15o

.~ 500~- normal erni~hrteTiere 125 '~ / ~ - - - K+-Mangeldiat

0 min 3~0 100 Abb. 4

t ' , \ 1,5g/kg / XxK+-MQngel Glucose / / k \ \ x

i.v. I [ \ x K+Defizi~ I / \ x k2 = (~val/Tier) / / \

/ p < 0,05 Kontrolien~ 1,9! + 0,21 0

ll5 rain 3~5 Abb. 5

Abb.4. Erh6hter Anstieg der Glucosekonzentration im Blur nach Injektion von Adrenalin bei Rat~en mit einem Kaliummangel (alloxandiabetische Tiere)

Abb.5. Verlangsamter Abfall der Glucosekonzentration im Blut bei Ratten mit einem Kaliummangel

o ~180 E 160

"~140 :.= 3 ~ 120 w =k100

80

Kontrot[en K+-Mangel

+ p < 0,001

¢1 n =21 10

Abb. 6. Insulinkonzentration im Plasma bei einem Kalium-DefizR yon ~ 1500 ~val/ Tier

zus~tzlichen Kaliumdefizit kleiner als bei normal ern~hrten Tieren, bei denen die Fi~higkeit zur Insulinabgabe ebenfalls durch Alloxan ausgeschal- tet wurde (Abb. 8).

Der im Kaliummangel in der Leber und in der Niere auftretende Anstieg der Glucose-6-Phosphatase-Aktivitiit (Abb.9) kann nicht auf einem Mangel an Insulin beruhen, da die Insulininkretion unter dieser Bedingung nicht eingeschriinkt ist. I t inzu kommt, dab sich die Steige- rung der enzymatischen Aktivit~t nach Erzeugung eines Kaliumdefizits

398 H.K. B A ~ T ~ E n ~ , W. LOSER% G. SEN~ t u n d R. SI~r:

mit derjenigen addiert, die als Folge eines Alloxandiabetes gemessen ~ r d (siehe Abb.9).

Bei dem Vex-such , den insulinunabh/~ngigen Anstieg der Gtucose-6- Phosphatase-Aktivit~t in der Leber und Niere zu erkl~ren, gingen wit

Insutin d-Glucose

800~" b= 884±1e,1 / "--~ ~-M- 9-ng ~ 2=2,5±0,3 200

~6oo F / t \,, p <0,0002 \ \ 150 o E 5oc- //p< 0,007 1 \ \ .~

300 , / / "~ -Kont roUen/ \ \ ~ c~

10o ~ I .. I I 100 150 200 250 0 20min

G[ucosekonz. im Blut (mg %) [ -Arabinose

> ~ Kontrol len/ l ~'~ 32,5 <0,04

~30,0[ t t I

o~2Z5 ~/ / / "~ o ~<O,O003z

~" / K * - Manqe L ~ 25,0 . . . . . . . .

23,5 0 10 20rain

Abb. 7. Verminderte W i r k u n g des endogenen Insulins auf den cellul/~ren Glucose- und 1-Arabinosetransport im K+-Mangel

v o n d e r Beobachtung aus, da6 die erhShte Geschwindigkeit dieser enzymatischen Umsetzung bei alloxandiabetischen Rat ten abnimmt, wenn die diabetlsche Acidose durch Gabe yon Natr iumbicarbonat vermindert wird (Abb. 10). Daraus kann man schliel]en, dab eine Zunahme der intracellul/~ren Wasserstoffionenkonzentration zu einer Aktivit£tszunahme der Glucose.6-Pho@hatase fiihren kann. N/~hme der pH-Wert des intracellul/~ren Raumes der Leber und Niere auch ~m Kaliummangel ab, so w/@e es mSglich, den Anstieg der Glucose-6-Phosphatase-Aktivit~t hierauf zurfickzuffihren.

Die Abnahme der intracellu]/~ren Kaliumkonzentrat ion in der Skelet- muskulatur wird nur zu einem Tell durch einen Anstieg des cellul~ren

StSrungen des Kohlenhydr~tstoffwechsels im KMiummangel 399

Na+-Gehalts ausgeglichen (siehe Abb.2). Die Differenz wird nach den Untersuchungen yon CooKs, SEGA~, CREEK, COV~L]S u. DA~ROW (1952) sowie IRWN]S, SA~rND]S~S, MILNE u. C~AWFO~D (1960) dureh eine Zunahme

1200 mg°/o 1100

"5

.F 1000

_s c 900

c o 800

o

700

IR+-ar m ernShrte dJabetische Ratten n=31

k2 :i,01+°Jt

Pi 0'°4 ~.E 44 40

L

% as

-~ 32

diab~'sche ~ c~ 28 Rallen n=18 ~ -~ 24

I E min 30

Abb. 8

KtMangel * K"-Mangel* Kontrollen Alloxan- +AIIoxan-

55 Fff~T1 .E 5O "6 45

40

~a5 ~, 30 O -6 25 E 20 Fin

47

diabetes**diabeteS *'x"

46 34

p<O,O002 [ I

n=15

~UO02 I I ..... 16 16 10 Abb. 9

Abb.8. Erniedrigung des basalen Glucosetransports nach Erzeugung eines intracellul~ren Kaliumdefizits in der Skeletmuskulagur

Abb.9. Glucose-6-phosphatase-Aktivit~t in der Leber und Niere bei Insulin- und Kaliummangel. * K+-Defizit: ~ 1500 ~val/Tier, ** 80 mg/kg A1]oxan i.v. (2 Tage)

unbehandelte alloxandiabetische Tiere Tiere (80mg/kg i.v.~ 2Tage)

"E" T= +NaHCO3

I ~20I I p< 0,0005 p< 0,04 I I

n=15 11 12 Abb. 10. Geringerer Anstieg der Glucose-6-Phosphatase-Aktivit~t in der Leber allo- xandiabetischer lgatten durch Verminderung der diabetischen Acidose (2 × 4,5 mmol

NaHCO3/Tag s.c., Trinkttfissigkeit: 75 mM NaIICOs-LSsung )

der intracellul/tren Wasserstoffionenkonzentration ausgeglichen. Bei der Messung der Elektrolytverteihmg in der Leber ergab sieh, dal3 der eellul~re

400 ~I. K. ]]ARTELHEIlVlER, W. LOSERT, G. SEN~T $ und R. SI~r:

Kaliumgehalt nach Erzeugung einer negativen Kaliumbilanz yon unge- f/~hr 1500 ~val trotz Erniedrigung der extracellul~ren Konzentration des Elektrolyten nich~ abnimmt (Abb. l l ) . Die intracelluliire Na+-Konzen- tration bleibt ebenfalls nahezu unveriindert. Es besteht somit kein Grund, eine intracelluli~re Acidose in den Zellen der Leber anzunehmen, die den Anstieg der Glucose-6-Phosphatase-Aktivit&t in diesem Organ bei kaliumarm ern/ihrten Rat ten erkl/~ren wfirde.

K + (Fva[/mt) N8 + (Fval/m[} normale K+-arme normale K+--arme

Ern~hrung Di~t Ern~hrung Di~t

160 F 16

-:°0I 0 n=17 23 n=17 23

1<0,0002

O" 0 - n=17 23 n=17 23 rZR_ 37,6 9_?~1 EZR_ 23,3 133 EZ--~- -%4 -+s;2 1 - ~ - +,-,3 +_2~

p<O, O002 Abb. 11

Fg/Tier 4,0

c "

®

~3,0 m

.~ 2,0 g

®

1,0 .u

o ( J

Kontrollen

p<O,O01

I

I n=15

K+-Mangel

+

Abb. 12 Abb, ll . UnverEnder~e intracellulire Na +- und K +- Konzentrationen in der Leber

K+-arm ern~hrter Ratten Abb. 12. Erh6hung des Corticosterongehalts der Nebennieren bei Ratten mit einem

Kaliumdefizit

Von den Glucocorticoiden ist bekannt, dab sie die Geschwindigkeit der Synthese yon Enzymen der Gluconeogenese, u.a. auch der Glucose-6- Phosphatase, steigern, so dab eine vermehrte Inkretion dieser Hormone zu einem Anstieg der Fermentaktivitiit ffihrt. Messungen des Cortico- sterongehalts der Nebennieren ergaben, dab dieser im KMiummangel zunimmt (Abb. 12), ein Befund, der fiir eine gesteiger~e Synthese und Inkretion dieses Glucocorticoids spricht.

AbschlieBend haben wit geprfift, ob die im Kaliummangel gesteigerte Insulininkretion die ~'olge einer erhShten Abgabe yon Glucocorticoiden sein kann.

StSrungen des Kohle~_hydratstoffwechsels im Ka.liummangel 401

Adrena l ek tomie r t e R a t t e n haben zwar eine e twas ger ingere Insul in- konzen t r a t i on im P l a sma als no rmale Kont ro] len , geben abe r bei Er- hShung der Glucosekonzen t ra t ion im Blur n ich t weniger Insu l in ab als Tiere m i t Nebennieren . W e r d e n die R a t t e n nach Ausscha l tung der endogenen Glucocor t ico id inkre t ion mi t 6-Methylpredniso lon in einer

Tabelle. Einflufi einer Behandlung adrenateEtomierter Ratten mit GlucocorHcoiden au/ die Insulinkonzentration im Plas~na

Ratten ohne Ncbennieren

Ratten mi~ + 6-Methylprednisolon* Nebennieren (7 Tage lang je 1 mg/kg

und Tag, s.c.)

n ~ 9 n .... 11 n ~ 17 ~E Insulin/ml 41,9 ± 7,4 29,0 4- 4,0 169,9 =t= 21,8

Plasma p < 0,0002

* Urbason ® -Kristallsuspension.

Ratten ohne Nebenn;eren Ratten ohne NebennJeren ?OC -- mit G[ucocort~coiden und .,'; mit G~.ucocorticoiden*

Actinomydn D behandelt~*:~/behande[t h-L/.~13 60C b : +472,8 ,.~" ±42/,

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70 100 150 200 300 400 G[ucosekonzentration im B[ut (mg%l

Abb. 13. Anstieg der Insulinkonzentra~ion im Plasma innerhalb yon 15 mln: a nach einmaliger i.v. Injektion yon Glucose (1,5 g/kg, 15 min), b nach zweimaliger i.v. Injektion yon Glucose (2 g/kg, 70 min + 1,5 g/kg, 15 rain). * 1 mg/kg 6-Methyl- prednisolon s.c., 7 Tage, ** 5 mg/kg 6-Methylprednisolon s.c., 5 Std + 1,875 mg/kg

Actinomycin D i. p., 5 Std

402 H.K. BARTEI~EI~IER, W. LOSE~T, G. S]~NFT t u n d R. SITT:

Dosis behandelt, welche die physiologische Abgabe fibertrifft, so ist die Insulinkonzentration im Plasma erhSht (Tabelle). AuBerdem beantworten diese Tiere eine ErhShung der Glueosekonzentration im Blu~ mit einem sti~rkeren Anstieg des Plasmainsulins als Ratten, die entweder keine Glucocorticoide haben oder fiber eine physiologische Inkret ion der Steroidhormone verffigen. Dieser Effekt t r i t t besonders deutlich hervor, wenn den Ticrcn die zur Stimulation dcr Insulininkretion ver- wendete Glucose mehrfach injiziert wird (Abb. 13). Die unter dem EinfluB der Glucocortieoide gesteigerte Insulinabgabe wird dutch Vor- behandlung mit Actinomycin D nicht eingeschr~nkt.

Diskussion Die Beobachtung, dab die hypcrglyk/~mischc Wirkung yon Adrenalin

nach Erzeugung eines Kaliumdefizits vcrstgrkt wird, ist nicht ohne weite- res mit den Bcfunden yon SAGrLD u. A~DE~S~N (1964) zu vereinbaren, nach denen die kombinierte Anwendung yon Adrenalin und Glucagon bci Versuchspersoncn mit einem durch Gabe yon Kationenaustauschern erzeugten Kalinmmangel nich~ zu eincm st/~rkcren Ans~ieg der Glucose- konzentration im Blur ffihrt als bei KonSrollpersonen mit ausgeglichener Kaliumbilanz. Glucagon beschleunigt die Glykogenolyse in der Leber. In diesem Organ n immt die intracellul~re Na+-Konzentra~ion im Kalium- mangel nicht zu, so dab eine Verst/~rkung des hormonalen Effekts durch Hemmung der Glykogen-Phosphorylase-Phosphatase nicht auftreten kann. Adrenalin stimuliert den Glykogenabbau in der Leber und der Skeletmuskulatur. Lediglich der in letztercm Organ lokalisierte Anteil an der Gesamtwirkung kann im Kaliummangel versti~rkt sein, da nut bier ein intracelluli~res Kaliumdefizit und damit ein Anstieg des cellul~ren Na +- Gehalts auftritt. AuBerdem ffihrt die Glykogenolyse in dcr Skeletmusku- latur nicht direkt zur Abgabe yon Glucose an das Blur, sondern es wird zun/ichst vermehrt Lacta t gebildct, das fiber den Cori-Cyclus in die Leber gelangt und dort fiber Glucose-6-Phosphat entweder zu Glykogen oder Glucose umgewandelt wird. Eine deutliche Verstarkung der sich in einer Hyperglyk/imie/~uBernden Glykogenolyse ist infolgedessen nnr dann zu erwarten, wenn der Adrenalineffekt nicht durch die Wirkung des Gluca- gons fiberlagert wird. Hinzu kommt, dab das Kaliumdefizit untcr Berfick- sichtignng des K6rpergewichts in unseren Experimenten ungef/~hr doppelt so grog war wie das yon SAGILn u. AnDERSEn (1964) erzeugte.

Wcsentlicher ffir das Zustandekommen der StSrung des Kohlenhydrat- stoffwechsels im Kaliummangel ist die Beeintri~chtigung des Glucose- ~ransports. Es handelt sich dabei nicht um die Folgen einer vcrmindcrten Insulinabgabe, wie es yon SAGILD, ANDERSEN u. ANn~AS~N (1961) sowie SAGrLD n. ANDg~SEN (1964) angenommen wird. Die Ursache liegt vielmehr in einem gest6rten Glucosebasaltransport, der deshalb auch yon

StSrungen des Kohlenhydr~tstoffwechsels im Kaliummangel 403

Insulin weniger beschleunigt werden kann. RUMMEL U. STUPI ) (1960) haben ebenfalls eine Abh/ingigkeit des Glucosetransports yon der Ka- liumkonzentration festgestellt. Sie fanden, dab die enterale Glucose- resorption bei Erniedrigung der K+-Konzentration im Darmlumen abnimmt. Auch an isolierten Fettzellen wurde eine Hemmung der Glucose- anfnahme beobachtet, wenn dem Inkubationsmedium keine Ka]iumionen zugesetzt wurden (RoDBEL, 1965). Neben der direkten Beein- flussung des Zuckertransports dutch die Erniedrigung der intraeellu- l~ren K+-Konzentration in der Skeletmuskulatur ist es wahrseheinlich, dab eine gesteigerte Glucocorticoidinkretion zu der StSrung der Glucose- aufnahme im Kalinmmangel beitr/tgt. Von den Glucocorticoiden ist n/imlich bekannt, dab sie den Glucosebasaltransport in verschiedenen Geweben in vitro hemmen (FAIN, 1964; MORITA U. MUNCK, 1964; BLECE]~, 1966; KATTWINKEL u. MUNCK, 1966; PLAGER U. MATSUI, 1966). Auch in vivo konnte eine derartige StSrung nach Verabfolgung yon Glucocorticoiden naehgewiesen werden (BAss~TT, MrLLS u. REID, 1966).

Eine erhShte Glucoeorticoidinkretionsrate ist zwar yon uns im K+. Mangel nieht naehgewiesen worden, die Ver/~nderungen der stationiiren Konzentration des Hauptglucocorticoids der Rat te in den Nebennieren stellt j edoch ein besonders empfindliches MaB fiir eine Variation der ACTtt- Inkretion und damit der Synthese nnd Abgabe yon Corticosteron dar (ANDERSON, 1966 ; VERNIKos-DANELLIS, ANDERSON u. TRIGG, 1966). Eine ErhShung der ACTH-Dosis geht mit einem linearen Anstieg des Cortico- sterongehalts der Nebennieren einher. Eine gesteigerte Glucocorticoidin- kretion setzt also voraus, da$ diese Steroide auch vermehrt gebildet werden und dabei ihre Konzentration in den Nebennieren erhSht ist.

DaB im Kaliummangel sogar mehr Insulin abgegeben wird, ist often- bar eine Folge der schlechteren YVirkung des Hormons. Dieser Zusammen- hang finder sich nicht nur nach Erzeugung eines Kaliumdefizits, sondern immer dann, wenn die periphere Wirkung des gormons beeintr~chtigt ist, wie z.B. naeh Injektion relativ hoher Glucocortieoiddosen, oder bei der Einschr/£nkung des Glucosetransports nach Gabe von 6-Aminonicotin- s/iureamid (SITT, LOS~RT, SCHULTZ, KA]~SS u. SE~FT, 1966) bzw. yon Monomethylacetamid (PETERS, GUIDOUX u. GRASSI, 1966; SITT, S~NFT, •OSERT u. BAI~TELHEIMER, 1966). Aueh eine Ausschaltung des Insulin- effekts durch Infusion von Insu]inantik5rpern ffihrt zu einer gesteigerten Abgabe des Hormons aus den Inselzel]en des Pankreas (LoGOTHETO- rOCLOS, DAWDSON, H~IST u. B~ST, 1965). Eine Ausnahme bfldet lediglich die Beobachtung von Co~N (1965), da$ die Insulinkonzentration im Plasma bei chroniseh erhShter Aldosteroninkretion und dem dadurch bedingten Kahummangel erniedrigt ist und auch nach Gabe yon Glucose geringer ansteigt. Diese StSrung scheint jedoch nicht die Folge der Ka- linmverluste zu sein, da man bei Menschen naeh Erzeugung einer negati-

404 H.K. BARTEL]:][EmER, W. LOSERT, G. SENFT % und R. SITT:

yen Kaliumbilanz ohne chroniseh gesteigerte Aldosteroninkretion keine verminderte Insulinabgabe findet (WEI~OEs, 1967).

Der Anstieg der Glucose-6-Phosphatase-Aktivitat in der Niere kann zu einem Teil auf die erhShte Corticosteroninkretion zurfickgeffihrt werden, da die Synthese dieses Ferments durch Glucocorticoide induziert wird (WEBER, SINGHAL, STAMM, FISHER U. MENTENDIEK, 1964). Wahrschein- lich ist auch eine intracellul~re Acidose an der Zunahme der enzymatisehen

ATP Skelet- Adeoyt-Cy¢~o~ 1 Musku ta tu r

3',5LAMP l Glykogen

Phosphory[c~se-b- I Gtykogen- , Kmase I. Glykogen- I

IPhosphory[ase b q Phosphory[ase o. I [ (inmktiv} Phasphorytase- (aklivl [ i Phosphatose (~) ~, I t G-1-P

intra.ce[I. ~ l I Na+-Konz.

1 / ~ ) G-6-P" =L°ctot K + - ~ .

Mang I "~ intracetL bosctter Hexokinose t. G[ucose-

I K(~Konz. ~ ' t ransp° r t~ I

. . . . . ; / - - . . . . . . . . . I - - - Glucose I

/ r . . . . . t . . . . i - -

/ ! Gt,,~o,~- / G[ucoki . . . . I (~) I 6-Phosphotase / I

Corticosteron i ~ ~) / I Loctot I G-6-P ,,, '- Pyruvctt I Leber I Oxaktcetat I Niere Glykogen G[utomcd L

Abb. 14. StSrungen des Kohlenhydratstoffwechsels im K+-Mangel

Aktivitgt beteiligt. GOODMAN, FUISZ U. CAHILL (1966) haben ngmlich berichtet, dab die Gluconeogenese in der Niere sowohl nach Erzeugung einer Acidose als auch im Ka]iummangel bei adrenalektomierten Rat ten zunimmt, w~hrend die Synthese yon Glucose aus Glutamin, Glutamat und ~-Ketoglutarat nach Gabe yon Natriumbicarbonat erniedrigt ist. Dieser Befund stimmt mit unserer Beobachtung fiberein, dab die nach Injektion yon Alloxan auftretende Steigerung der Glucose-6-Phosphatase-Aktivit&t in der Leber geringer ist, wenn die diabetische Acidose durch Injektion yon NaHC03 vermindert wird. Dieses Resultat kann jedoch nieht damit erkl~rt werden, da6 hierdurch der intracellul~re pH auf einen Wert

StSrungen des Kohlenhydratstoffwechsels im Kaliummangel 405

erh6ht wird, der oberhalb des yon NORDLIE U. LYtCGE (1966) gemessenen p H - O p t i m u m s der Glucose-6-Phosphatase liegt. Wir haben n/imlich alle Messungen in einem Puffer durchgefiihrt , der die in vivo erzeugten pH- Veranderungen ausgteieht. Der Anstieg der Glucose-6-Phosphatase- Aktivit/~t i n tier Leber ka l i umarm ernahr te r R a t t e n 1/~Bt sich im Gegen- satz zu dem in der Niere gemessenen nu r auf den Einflug des ve rmehr t abgegebenen Corticosterons zurtickf/ihren.

Das durch die gesteigerte Glueoneogenese sowie als Folge der in der Ske le tmuskula tur besehlemfigten Glykogenolyse vermehr t gebildeSe Glucose-6-Phosphat wird bei erhShter Aktivit/~t der Glueose-6-Phos- phatase in ve rmehr tem MaBe zu Glucose hydrolysier t und an das Blur abgegeben. Der hierdurch bedingte Anst ieg tier Glucosekonzentra t ion im Blur kaml infolge der StSrung des Basa] t ransports n icht vo]lstgndig durch Erh6hung der cellul/~ren GIucoseaufnahme ausgegliehen werden (Abb. 14).

Anmerkung wdihrend der Korrektur. Aufgrund der Beobachtungen yon M~nAISSE, MAL~SSE-I~aGAE, MeCRAw u. WRIGm~: (1967) muB auch ein direkter EinfluB der im Kaliummangel gesteigerten Bildung und Abgabe yon Glucocorticoiden auf die erh6hte Insulininkretion diskutiert werden. Diese Autoren haben ngmlich gefunden, dag die durch Glucose stimulierbare Insulinfreisetzung aus dem Pankreas yon l~atten in vitro erh6ht war, wenn das Gewebe yon Tieren gewonnen wurde, die mit Gtucocorticoiden behandelt worden waren, unabhgngig davon, ob es sich um adrenalektomierte I~atten oder um Tiere mit Nebermieren handelte. Aut~erdem ist es m6glieh, dug an der im XMinmmangel gesteigerten Insulininka'etion eine Vergnderung der intracellulgren Elektrolytkonzentration in den fl-Zellen des Pankreas beteiligt ist. Mm~ER u. H~LES (1967) haben kiirzlich mitgeteilt, dab in vitro die dureh Glucose stimulierbare Insulinabgabe aus dem Pankreas unter Bedingungen erh6ht ist, die mit einer Zunahme der intraeellul~ren Na+-Konzen - tration einhergehen. Setzt man voraus, dab bei einer negativen K+-Bilanz im Inselorgan ein intracellul~res K+-Defizit besteht, das ghnlich wie in der Skelet- muskulatur zu einem Teil dutch einen Anstieg der cellulgren Na<Konzentration ausgegliehen wird, so k6nnte eine derartige Vergnderung zu der vermehrten In- sulininkretion beitragen.

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Prof. Dr. reed. G. SENFTT Lehrstuhl fiir Klinische Pharmakologie der Freien Universitiit Berlin

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