Untersuchungen zur Dynamik des Glukosestoffwechsels in Wistar und Zucker Diabetic Fatty Ratten : in vivo / ex vivo Studien zur Regulation des Pyruvatdehydrogenase-Komplexes
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Zusammenfassung
Gegenstand dieser Arbeit ist das Studium der Blutglukosehomöostase und die Regulation des PDH-Komplexes in der Ratte. Als Tiermodelle wurden die Wistar Ratte und die ZDF-Ratte, ein genetisches Tiermodell für die spontane Entwicklung des Typ 2 Diabetes, gewählt. Die Glukoseoxidation spielt eine entscheidende Rolle im Energiestoffwechsel. Der PDH-Komplex verbindet die Glykolyse mit dem Zitronensäure-Zyklus und fungiert als Schlüsselenzym im oxidativen Glukosemetabolismus. Hungerzustand und Diabetes verursachen einen Anstieg der PDK4-Expression in mehreren Geweben. Der Anstieg der PDK4-Proteinmenge ist nach einer Nahrungskarenz sehr wichtig, um die PDH-Aktivität zu senken und damit eine Hypoglykämie zu vermeiden. Im Diabetes jedoch ist diese Regulation nachteilig, da die Erhaltung glukoneogenetischer Substrate zur Hyperglykämie beiträgt. Anhand eines oGTT (2 g/kg KM) wurden bei insulinsensitiven, insulinresistenten und diabetischen Tieren die Anteile des oxidativen und nicht-oxidativen Glukosestoffwechsels bilanziert. Zur Untersuchung der Glukoseoxidation wurde als Methode die indirekte Kalorimetrie gewählt. Der prozentuale Anteil der KHO an der applizierten Glukosemenge betrug bei den 8 Wochen alten ZDF-Ratten 35% (45% obese) und bei dem 16 Wochen alten Kollektiv jeweils 34%. Der nicht-oxidative Fluss der Glukose in Leber und Muskel wurde über die Bestimmung von Glykogen und freier Glukose quantifiziert. Die Studien demonstrierten, dass die (Patho)physiologie im Leberstoffwechsel sowohl der schlanken als auch der obesen ZDF-Ratten nicht auf die Situation beim Mensch projiziert werden kann. Während bei schlanken Tieren die hepatische Glukoseaufnahme bei einer oralen Glukosebelastung eine minore Rolle spielte, speicherte die Leber der diabetischen Tiere paradoxerweise beträchtliche Mengen an Glykogen. In der Leber der 8 und 16 Wochen alten, obesen ZDF-Ratten wurden von der applizierten Glukosemenge 18% bzw. 25% als Glykogen gespeichert; bei den schlanken Tieren betrug dieser Anteil nur 1% bzw. 2%. Der als Muskelglykogen gespeicherte Anteil ergab bei den 8 Wochen alten Tieren 21% (schlank) bzw. 18% (obese) und bei den 16 Wochen alten Ratten 16% (schlank) bzw. 26% (obese). Zur Untersuchung der Regulation des PDH-Komplexes im Leber- und Muskelgewebe wurde ex vivo die PDK4, PDK2 und PDH-E1α/β Proteinmenge mittels Western-Blot-Analyse bestimmt und die PDH-Aktivität über die Produktion von 14CO2 aus [1-14C]-Pyruvat gemessen. Die Analysen der biochemischen Parameter sollten die Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der Kurz- und Langzeitregulation des PDH-Komplexes bei der ZDF-Ratte, sowohl in Abhängigkeit der diabetischen Stoffwechsellage als auch nach akut angebotener Glukose aufdecken. Durch die Versuchsdaten konnte gezeigt werden, dass durch eine orale Glukosebelastung eine Reaktivierung der PDH-Aktivität binnen weniger Minuten möglich ist und dabei kurzfristig die Aktivitätswerte gefütterter Tiere überschritten werden können. Eine Stunde nach der Glukosebelastung war die spezifische PDH-Aktivität bei den 16 Wochen alten Tieren 3,6 (Leber) bzw. 4,6-fach (Muskel) höher als zu Beginn des Versuchs. Während des oGTT war die Änderung der PDH-Aktivität im Leber- und Muskelgewebe zwischen schlanken und obesen ZDF-Ratten nicht signifikant unterschiedlich. Aus den Ergebnissen der in vitro und in vivo Studien konnte somit gezeigt werden, dass weder die prädiabetische noch die manifest diabetische ZDF-Ratte einen Defekt im oxidativen Glukosestoffwechsel besitzt. Die totale PDH-Aktivität war bei den diabetischen ZDF-Ratten im Vergleich zu den schlanken Tieren signifikant erhöht. Die annähernd doppelt so hohe Proteinexpression von E1α/β in Leber und Muskel der obesen Tiere deutet darauf hin, dass die gesteigerte totale PDH-Aktivität obeser Tiere auf die erhöhten Proteinspiegel dieser Untereinheiten zurückzuführen ist.Durch die Western-Blot-Analyse konnte demonstriert werden, dass während des oGTT ein schneller Proteinabbau der PDK4 erfolgte. Die PDK4-Proteinspiegel waren, mit Ausnahme der Leber der obesen Tiere, ab der 2. Stunde nach der Glukosebelastung im Vergleich zu den Werten zu Versuchsbeginn signifikant erniedrigt. Daher muss die Degradation der PDK4 als neuer Mechanismus in der Kurzzeitkontrolle des PDH-Enzymkomplexes diskutiert werden. Sowohl die Proteinspiegel der PDK4 als auch der PDK2 waren bei den diabetischen ZDF-Ratten im Vergleich zu den schlanken Tieren signifikant erhöht. Die Ergebnisse der Proteinanalyse sprechen für eine additive Funktion der PDK2 zur PDK4, die in der Langzeitkontrolle des PDH-Komplexes als Hauptregulator angesehen wird. In pharmakologischen Experimenten wurde verdeutlicht, dass die Senkung der Blutglukose auf den Wirkmechanismus einer gesteigerten PDH-Aktivität zurückzuführen ist. Bei den diabetischen ZDF-Ratten bewirkte eine einmalige Applikation von DCA (500 mg/kg KM) eine Verdopplung der spezifischen PDH-Aktivität in Leber und Muskel. Bei Untersuchungen zur Hemmung der PDK am Tiermodell der ZDF-Ratte ist der Unterschied im Leberstoffwechsel zwischen schlanken und obesen Tieren zu beachten. Trotz einer Nahrungskarenz von 18 Stunden konnten die obesen Tiere über eine Mobilisierung der hohen Leberglykogenreserven (962 ± 121 mg/Leber) einen Blutglukoseabfall bis zu etwa sechs Stunden kompensieren, während bei insulinsensitiven Ratten ein gesteigerter Substratumsatz über die PDH unmittelbar in sinkenden Blutglukosespiegeln resultierte. Da PDK-Inhibitoren unter hungerähnlichen Stoffwechselbedingungen die Glukoseoxidation erhöhen, könnten diese Substanzen in Zukunft zu einer interessanten Perspektive werden, um die diabetische Blutglukosehomöostase zu verbessern.Verknüpfung zu Publikationen oder weiteren Datensätzen
Beschreibung
Anmerkungen
Erstpublikation in
Giessen : VVB Laufersweiler 2006