Morphologische und enzymatische Untersuchungen zum Problem der Adaptation im Alter

82 ULKIOX GERLAOI-I und H~g~ANN THih~IANN: IvIorphologisehe und enzymatisehe Untersuchungen Klinisehe Wochensctxri f~

Morphologische und enzymatische Untersuchungen zum Problem der Adaptation im Alter (Beitrag zur Biochemie des Alterns)

Von ULt¢ICti O~t¢.LAC~, lind H ~ I ~ A s ~ T ~ s ~

Aus der Medizinisehen Uuiversit~itsklinik und Poliklinik 3 ~ t e r i. ~¥estf. (Direktor: t'rof. Dr. W. ~. ttAVSS) und aus dem Ins~itu$ far ~¢Iedizinische Physik der Universit~t Miinster i. Wes~f. (Direlcgor: ~2rof. Dr. G. :P~m~f~I~gKOI~N)

,,Krankheit ist Leben jenseits der Grenzen der Adaptation" (Hos~). Wendet man diese Vorstellnng auf den ProzeB des Alt~rns an, so tiegen die physiologi- sehelt Alternsvorg£nge ilmerhalb der GI'enZen der Adap~atiom Erst wenn der an sich physiologische AlternsprozeB diese Grenzen fibersehrei~et, entstehen Xrankheiten, die ihrerseits oft einen altersbedingten Verlauf nehmen.

Im l~ahmen der Adaptation muB such der Stoic wechsel dem jeweiligen Bedarf des 0rganismns

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Abb. 1. Akt lv i~ t yon Glutamat-Oxulacetat-Transarainase (GOT) in der Leber yon l%atten. Die S~tulen geben die Mittelwerte der EnzymaktiYitiLt fiir die verschiedenen VersuchsgrupDen (nuch Lebensalter nnd ]~lrn~iln:ungs-

. form) an. Die Punkte stellen die gemessenen Einzelwerte dar (statistische Bereehnung s. Text)

angepag% werden. Dabei spielen die Reaktion der Mesenchymzelle lind damit die An~wort des Binde- gewebes sine wohl en~seheidende lZolle (HAuss). Ein besonderer, regula~iver Faktor im Geftige der Adapta- tion ist die Synthese yon Enzymen, die funktionelle Bes~andteile jeder lebenden Zetle sind. Enzyme sind Eiweigk6rper; deshalb is~ ihre Bildnng sin Spezialfall der Proteinsynthese, die in den l~ibosomen der Zelle s~a~findet.

Fak~oren, die die Proteinsyn~hese im a[lgemeinen s%euern, regulieren im besonderen aueh die Ferment- bildung. Dabei sind Induktion nnd Repression der EiweiBsyn%hese die noch wenig gekl/~rten Meehanis- men, mig denen niedere nnd wohl aueh h6here Or- ganismen ihren Enzymbes~and den jewefls gefoI'de~en Leis%ungen anpassen k6nnen (Mo~oD, K~ox , K~w~z, B~TLTNN]~I~@ZAkNN ).

Beka~ntlieh werden manehe Leistungen der Pro- teinsyn~hese, die yon DNS tiber RNS gestelie~ wird, im La~e des Mtornsprozesses eingeschr/~nk~; da dies gleLch~alls die EnzyrabLldung be~rff~, ist aueh arts diesem Grund die Anpassungs~/~higkeit des Stoff- weehsels alternder Lebewesen verringert (K0~[~av).

In der vorliegenden Arbeit wird untersncht, ob der Enzymgehalt ill der Leber alternder Tiere verschiedenen Di£tformen angepaBt wird. Neben den bio- ehemisel/en EnzymaktiVit~tsmessungen wurde elektronenmikroskopisch untersncht, welehe morphologischen Befunde sich in der Zelle bei den verschiedenen Di£tformen abzeichnen. Die kombinierte Unter- suehung mit chemisehen und mikroskopisehen Me~ho-

den wards gewghlt, um eine bestimmte Stoffwechset- anpassung yon verschiedeaen Blickpunk%en aus zn betrachten.

Vemuchsanordnung In einem ers~en Teil der Untersuchnngen wurde gemessen,

welche Enzymak%ivit~t die cytoplasmatische und mitoehon- driale Glutamat-O~al~,ceta~-Transaminase (GOT) und die cytoplasmatische Lac~atdehydrogenase (LDtt) in der Leber junger und gealterter l%atten nnter unseren Versuchsbedin- gungen aufweisen. Die elektronenmikroskopische Unter- suchung an cliesen Tieren sollte zeigen, welche morphologischen Unterschiede in der Feinstruktur der Zelle zwischen den jungen und alten Tieren bes%ehen. Besonders aufmerksam wurdem dabei die Strukturen des endoplasmatischen Reticulum betraehtet, das in seinem Ribosomen die Proteinsynthese bewerkstellig$.

In dem zweiten Tefl der Experiments wurde versucht, die Enzymaktivit~t in der Leber alternder Ratten durch eine kohlenhydrat-, fete- oder eiweiBreiche Di~t zu gndern. Bei dieser Versuchsanordnung sollte gepriift werden, ob alternde Ratten ihren Enzymbestand der Di~tform anpassen. Die en%sprechenden elek~ronenmikroskopischen Untersuchnngen sollten zeigen, ob sieh unter diesen Versuchsbedingungen morphologisehe Zeiehen einer gesteigerten l)roteinsynthese (Enzymsynthese) erkennen lassen.

Tiermateriat Die Ffitterungsversuche warden an 32 m~nnliehen Ratten

des Wistur II-Stammes vorgenommen. Aeht Tiere dieser Gruppe im Alter yon 2 Woehen erhielten

,normales" Futter (Rattenplgtzchen der Firms Nagutt). Seehs Tiers waren 2 Jahre lang mit dem gleichen ,,normMen" I~utter ern~hrt worden. Die kohlenhydra%reiehe Kost yon sechs weiteren Tieren enthiel~ neben dem Normaifutter 2 Jahre lang t~glich 18 g Weizen pro Tier. Die 2 J&hre ver- fiitterte fettreiche Di~t best&nd &us Norm&Ifutter und t~glich 6 ml Sonnenblumen61 pro Tier (sechs Tiers). Bei tier eiweiB- reiehen Kost bekamen sechs Tiere Norm&lfut~er und 2 J&hre I&ng t~glich 25 g Quark. Ffir die elektronenmikroskopisehen Kontrollen wurden ~uBerdem noeh normat ernghrte Ratten im Alter yon 6 Monaten untersuch~. Alle Tiere erhielten Wasser ad iibi~um.

Enz yma/ctivitiitsmessung Die Ak~hd~iitsmessung der Enzyme ~arde im Leber-

homogen&t vorgenommen, das sofort nach T6ten der Tiers im Ultr&turr&x-Homogenisator in isotonischer KCL-LSsung hergestellt wurde.

Glut&mat-Ox&lacet&t-Tr&ns&min&se (GOT) wurde im zusammengesetz~en optisehen Test mat ~I&l&$dehydrogen&se sis tliHsenzym bes~imm~. In einem Tell der Versuche wurde das Coferment Pyridoxal-5-Phospha$ zugesetzt (HoLz~l% G~RL~eg, JAeosi u. G~o~g).

Die Aktivit~t der LacSa%dehydrogenase (LDH) wurde ebenf&lls im Ho:mogen&~ im einfaehen op~ischen Tes~ mi~ Pyruv&g als Substrat gemessen.

Die Ak~ivitg~smessung yon Kreatinphosphokinase (CPK) im Leberhomogen&t erfolgte n&ch dem yon TA~z~ u. G~L- vA~(~ angegebenen Prinzip, wobei Kre&tin als Substr&t be- natzt wards (BE~xT u. BEI%GM]~Y~I%).

Die einzelnen I/ntersuch.ungssehrltte warden stets in gleiehen Zeitrgnmen nach T6%en der Tiere &usgefiihrt, da die Akgivitgt yon Enzymen mit der Zeit variieren k&nn (GEI~LAC~ ; SCtt~¢~IDT, SOI:I;MIDT 11. WILDlt/_RT).

:Die Enzym&ktivi~gt yon GOT and LDH ist in MikromoI Subs%ratumsatz pro Minute &ngegeben. Die Aktivi%~t ist auf 1 nag Gewebss~ickstoff (n&eh ]~JELDA~L) berechnet.

Statistik Die innerh&lb jedes Xollektivs erhobenen Be~unde k6nnen

&Is ,,Norm&lverteflmxg °' betr&ehtet werden; Streuung der

5g. 42, Heft 2 ULI~ICH G~aL~cg und HERMANN TH'~]~NN: Morphologische und enzymatische Untersuchungen 83 1~5. 5a~uar 1964

Einzelwer~e und S~and~rdabweichung der Mittelwer~differenz wurden berechne~. Nach der t-Verteilung yon STUDenT wurde gepriift, ob die h~i~telwer~e der verschiedenen Versuchs- reihen signifik~nt un~erschieden sind.

Fiir die elek~ronenmikroskopische Untersuchung Wurde das Lebergewebe unmitte]bar nuch der En~nahme in 0sminm- s~re (p~ 7,2) fixiert und nach der Entw~sserung in steigender

54 % hSher liegt uls bei gealterten Tieren, die Normal- kos~ erhielten. Die I)ifferenz is$ s~atistisch gesichert.

Aus Abb. 1 ist wei~er ersich~lich, wie sich die Aktivi- t~t der GOT yon alSen Tieren bei verschiedenen Digt- formen verbalS: Vergleicht m~n die Enzym~ktivi~t derjenigen al$en Tiere, die w~hrend ihres zweij~hrigen

Abb. 2. Leberparenchymzelle eiaer lCatte im Alter yon 2 Jahren naeh normaler Fiitterung. Charak~eristisch ist die tiberwiegend vesiculiixe Aus- bild~mgsform des endoplas~,~ischen ~eticulum, die geringe Anzahl yon l~ibosomen und die Speteherung ~on Glykogen, Yergr,: 60000:1

(Er Endoplasmatisehes lCeticulum, G Glykogen~ F ~e~tropfen, M ~£itochondrien)

Alkohol- bzw. Acetom'eflle in Methacrylat oder VestopM ein- g~be~e$. Zur allgemeinen KonSrasthebung und zur Darstel- lung des Glykogens erfolgte eine Nachkontrastierung der Diinnstschnitte mi~ ]~leihych'oxyd. Die elektronenmikroskopische Auswertung wurde am Elmiskop I bei 60 KV, Kondensor 1 und verschiedenen GrundvergrSBerungen vorgenommen.

Be]uncle A) Enzymaktivit(~t in der Leber Die Abb. 1 demonstriert zun~chst, dab dic Aktivi-

¢gt der GOT in der Leber yon jungen Ra¢~en etwa

Kiln. ~/schr., 42. Jahrg.

Lebens Normalfut~er erhiel~en, mi~ der Fermen~aktivi- t~t in den Tiergruppcn, die eine kohlenhydra~- oder fettreiche Digt bekamen, so finder sich innerhalb der Streubreiten die gleiche Fermen~akt ivi~. Auch dieses Ergebnis ist statistisch kontrolliert.

Abet im Gegensatz zu diesen Befunden zeigt die- jenige Ra¢tengruppe, die 2 Jahre lang eine eiweil3- reiche D i ~ bekam, eine um die I-t~]f¢e hShere Enzym- ak~iv i~ . Dami~ erreicht die GOT-Ak~ivit~t in der Leber der eiweiI3reich ern~hr¢en alien Tiere ~vSeder

6a

84 UL~C~ G~aL~e~ und H E ~ T ~ E ~ : Morphologische und enzym~tische Untersuchungen Klinische Wochenschriit

die Enzymaktixd~t tier Gruppe ]unger Tiere. Eine statistische Auswer~ung best~igte das Ergebnis.

Das Co~erment des Apoenzyms GOT ist 1)yridoxal - phosphat. Somit kann ein ffitterungsbedingtes Defizit ~n Vitamin B~ (Pyridoxin) eine Verminderung der

is~. Die gesehilderten Xnderungen der GOT-Ak~hdtat werden somi~ nicht durch versehiedenen Coferment- gehal~ der Gewebe vorgetausch~.

Auch bei der Bestimmung der LDH in der Leber junger und alter Tiere zeigte sieh die bekannte alterns-

Abb. 3. Leberparencbymzelte einer ~atSe im Alter yon 2 Jab~en nach kohlenhydratreicher Di~t. T~-pisch ist die sehr st~'ke Glykogenspeicherung bei gteichzeitiger Riickbfldung yon Ergastoplasmastrukturem Ye~%r.: 27 000: t (~ Glykogen, M ~[itochondrien, 2~" ~7~cleus)

GOT-Aktivi~At allein infolge Mangels an Cofermen~ bewirken.

Deshalb prfiften wir bei dan gealterten t~atten, ob tier Zusa~z yon t)yridox~lphospha~ zum Testansatz die Kinetik der Glutamat-Oxalacetat-Transaminierung besehteunigt. Bei diese~ Versuchen fanden wir keine Vergndertlng der l~euktionsgesehwindigkei$, gemessen am DPNH2-Verbraueh in der durch Malatdehyd~'o- genase katalysierten ttilfsreaktion Oxalacetat-M~lat.

Dieser Versueh zeigt, d~8 das Enzym GOT in unserem Testunsatz mit Pyridoxalphosphat ges~ttigt

abhi~ngige ~nderung der Enzymaktivitat: In der Leber junger Ratten liegt die Aktivit~t der LDH etwa d0ppelt so hoch wie bei den normal ernahrten gealterten Tieren. Aber gegens~tzlich zum Verhalten der GOT wird die LDH-Aktivita~ in der Leber dutch die kohtenhydra.t-, eiweiS- oder le~treiche Di~t kaum beeinflui~. Die Mitt~lwerte fiir die LDH-Aktivit~t der geal~erten Tiere sind bei allen Ffit~erungsgruppen in gleieher HShe.

Die Kreatinphosphokinase (CPK) ist in der Leber nur in sehr" geringer Konzentration vorhanden (TA~-

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zE~ u. GInvA~G, S~m~ u. LA~r~nC~T, G~LACH U. JACK~K~OLL). Die Aktivit~t dieses Enzyms wurde durch die verabreichte Di/it - - wie zu erwarten - - nicht ge/indert.

B) Elelctronenmikroslcopische Be/unde Um die morphologischen Ver/~nderungen zu

verstehen, die an den Leberzellen w/~hrend der Fiitterungsversuehe auftreten, ist es vorteilhaft, zun/ichst die versehiedenen Parenehymzelltypen zu besehreiben, die sehon normalerweise in der Leber vorkommen. Dann wird gezeigt, welehe Abweichun- gen an den Leberzellen gealterter l~atten bei Normal- kost eingetreten sind. SchlieBlich werden die Beobachtungen mitgeteilt, die an den Leberzellen alter l~atten unter versehiedenen Digt/ormen er- hoben wurden. Die Besehreibung der einzelnen Zelltypen ber/icksiehtigt in erster Linie die Form und Menge des endoplasmatischen Retieulum sowie den Gehalt der Zellen an Ribosomen und an Glykogen. An diesen Strukturen finden wir die eharakteristischen Untersehiede, w/~hrend sich Mitoehondrien, Zellkern und Nueleolus, Golgi- Apparat sowie Lysosomen bei den einzelnen Zelltypen weitgehend gleiehen.

1. Leberparenchym bei normalen Ratten. Die Leberparenchymzellen yon normal ern/ihrten, erwachsenen l~atten (Alter: 6 Monate) bi t ten bei der elektronenmikroskopisehen Betraehtung ein vielschichtiges Bild (Coss~L, HOLLE, lqOWXO~;~ u. ESS~R, I~OVILLI~). Manehe morphologischen Merkmale der normalen Leberzellen werden yon der Ern~hrungssituation gepr/~gt; andere sind wesentlieh yon der Stoffwechselleistung bestimmt, die gerade yon der Zelle gefordert wird. Die morphologisehe Vielfa]t wird im wesentlichen durch die Strukturen des endoplasmatisehen Retieulum gepr~gt, das sowohl verschiedene Formen hat als aueh qnantitat~v unterschiedlieh ausgebildet sein kann. Ein weiterer Grund ~/ir die Vielgestaltig- keit der Leberzellen ist der wechselnde Glykogengehalt.

In den Lebern erwaehsener, normal ernghrfer Rat- ten im Alter yon 6 Monarch zeiehneten sieh vier Leber- zelltypen ab ; naeh der H/~ufig- keit ihres Vorkommens sind sic als Typ I - - I V benannt. Als Typ I sind solehe Leber- parenchymzellen bezeiehne~, deren Cyfoplasmaraum weitgehend re_it endoplasmati-

Abb. 5. LeberparenchYmzelle einer Rat te im Alter yon 2 Jahren nach fettreicher Di/~t. Die Leberparenchymzelle speichert zahlreiche 1%t%ropfen. Der Cytoplasma- r a u m enth~It ein sehr dichtes Material und wenig organisicrte Struktm'en. Vergr. : 28 000:1 (F ~ett tropfen, G Gly- kogen, M Mitochondrien, -AT Nucleus,

Er Ertdoplasnmtisches I~eticulum)

Abb. 4. Leberparenchymzelle einer l~atte im Alter yon 2 .Tahren nach kohlenhydratreicher Di~t. Gelegentlich enthalten die Zellkerne bei Kohlenhydratdi/i t

Fet t t ropfen und Glykogenpartikel. Vergr.: 32000:1 (F Fett tropfen, G Glykogen, ~ Nucleus)

86 U s m c E GElCLACtt u n d H E ~ A ~ W N TttEIvIAlgN: N o r p h o l o g i s c h e u n d e n z y m a t i s c h e U n t e r s u c h u n g e n Klinisehe Wochenschrif~

sehem Retieulum gefiillt is~. Das endoplasmatische Retieulum is¢ iiberwiegend in Doppelmembranen geform~s, die ant ihrer Oberft/iehe in regelmfi, l~igen Ab- stgnden die Palade-Granula, also die l~ibosomen, tragen. AnBer den an die ~{embranen gebnnde~en i:~ibosomen tiegen in einer Zelle yore Typ I viele freie t~ibosomen; deshalb erseheinen diese Zelleu naeh

Abb. 6. Lebcrparenchyrazclle einer Ra~te im Alter yon 2 Jah ren naeh Ie~reieher Dia~. Die Ni~ochondrien lassen eine sehr dieh~c lg~trix erkennen, so dab die Identifizierang der Cris~ae mi~oehondriaIes nu t selten mSglich is~. Die in tier Abbildung vorhandene groBe Vacuole ist m6glicherweise durch Herausl6stmg des Fettes

ents taaden. Die Zellc spcicher~ gr5gere 3~engen yon Glykogen. Vergr.: 6~000:1 (Er Endopl~sma~isehes l~eticulum, G Glykogeu, M Mitochoadrien, V Vacuole)

Blef~vdroxydbehandlung stark kontrastiert. Der Glykogengehalt, der Zelle~ ist im allgemeinen niedrig. Die geringen Glykogen~orkommen liegen/iberwiegend dort, wo Ergastoplasmasehl~uehe fehlen.

Zellkern und Mitoehondrien der Leberparenehym- zellen vom Typ I weisen die bekannten Bauprinzipien anf. Allerdings is~ erw~hnenswert, dab die Cristae mitoehondriales in den Leberzellmitoehondrien im allgemeinen keine dnrchgehenden Querleisten bilden, sondern mehr stummelf6rmig ausgebHdet sind.

In Typ II der normalen Leberparenehymzellen sind die Strnkturen des endoplasmatisehen Retieulum stark vermindert. Besonders deutlich ist die ]~iiek- bildung des lamellgr gestalteten Ergastoplasma. Aueh

freie t~ibosomen sind in geringerer Zahl vorhanden" Im Gegensa~z zur Verminderung des endoplasmatischen t~etieulum is~ der Glykogenvorra~ der Zelle erheblich ve~nmehrt.

Das reziproke Verhgl~nis yon Glykogen und Er- gas~oplasma h/~ngt wahrseheinlich damit zusammen, dab ergastoplasmareiche Zellen einen hohen Protein-

s~ffwechsel haben, der mit einer Intensivierung des Kohtenhydratstoffwechsels verbunden ist und den Verbrauch des Glykogens zur Folge ha~. AuSerdem ist die MSglichkeit in Be- tracht zu ziehen, dag ein Tell des Glykogens beim Auibau der l~ibonneleim s~uren durch Bereitstellung yon Ribose Verwendung finder.

Der Typ III der normalen Leberparenchymzelle ist in der gesnnden Leber weniger Mufig Ms Typ I oder II • anzutreffen. In Zellen yore III. Typ hat das endoplasmatische Ret i - eulnm eine weuolgre bzw. vesieul~re Form. Auf der Oberflgche der Vesikeln sind die Ribosomen deutlich erkennbar. Lamell~r geformtes endoplasmati- sches getieulum fehlt weitgehend. Glykogen kann noch in reiehlieher Menge vorhanden sein. Es finder sich meist in unmittetbarer Umgebung tier V&cuoten des endoplasmatisehen Re~i- culum. Dieser Leberparen- ehymzelltyp is~ geh~nf~ in solchen Leber~ aafzuiinden, die st/~rkeren Betastungen ausgesetz~ waren, wie z. B. Kalte, Anfangsstadien yon Hunger, ehronisehen En~- ziindungen oder teiehteren Intoxikat~ionen.

Bei Typ IV der Leber- parenehymzellen ha~ das endoplasmatische R, eti-

eulum die vaeuol~re Form wie bei Typ I I I angenom- men. Die Zahl der Ribosomen is~ aber betrgeh~lieh vermindert, so dab das Cytoplasma bei elek~ronen- mikroskopiseher Betraehtung heller erseheint. Aueh das Glykogen fehl~. Zetlen des IV. Typ sind in der normaten Leber seltener als Zellen yore Typ I - - ! I I zu linden. Sie werden erst dann augenfallig, wenn die Energieversorgung der Zelle nieht mehr gew/~hr- leistet ist.

2. Leberparenchym der gealterten Ratten. Bei den zweij/~hrigen, normM ern~hrten ~at ten besteht eine andere t~elation der Parenehymzelltypen: Besonders hgufig finden sich Leberzellen mit iiberwiegend klein- vesieul~rem endoplasmatischen t~eticulum. Nut wenige

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gebnndene und freie Ribosomen sind sich~bar (Abb. 2). Im Gegensatz dazu sind die Zellen reich an Glykogen. Dami~ ~hnelt dieser bei den al~en Tieren fiberwiegend vorkommende Zelltyp dem Typ III, der bei jungen Tieren selten ange~roffen wird.

t y p I I I der jungen Tiere. Parenchymzellen mit doppel]amell~r ausgebflde~em endoplasmatisehen Reti- cul~m sind zahlenm/~Big deutlich gegenfiber Ratten- lebern yon Jnng~ieren vermindert. Anch die Anzahl der freien Ribosomcn hat in den Zellen abgenommen.

Abb. 7. Leberloarenchymzelle einer l~atte im Alber yon 2 Jahren nach fettreicher Di/it. Das endoplasma~ische lCeticulm~ ist bei einem Teil der Leberzellen ~ach Fet~di~t in ~ypischer Weise in Yesicul/~re~ bzw. vacuol/trer ~orm ausgebildet. ~ibosomen sind ~ur in geringer Anzahl vorl]aaden. Xqeben t~e~t~op~en

speichez~ die Zellen Glykogen. Yergr.: 48000 : 1 (-~ t%t~rop/en)

Die Leberzellen der alten Tiere en~halten vermehrt Fe~ropfen. Zellkern und Mitochondrien haben keine Besonderheiten.

3. Leberparenchym bei kohlenhydratreicher Di~t. Oas Leberpareneh~n der kohlenhydraCreich ern~hr~en alten Tiere bes~eh~ erwartnngsgem/~l~ ~berwiegend aus Zellen mi~ hohem Glykogengehalt (Abb. 3). Das Glykogen nimrat brei~e Areale des Cytopla.smaraumes ein und umschtie6t oftmals eng Mitochondrien und die Strukturen des endoplasma~ischen Retieulum. Le~ztere sind fdberwiegend in klein- bis grobvesieul/~rer Form ausgebilde~ nnd entsprechen in e~wa dem Zelt-

Es kann jedoch nieht ausgeschtossen werden, dab sie yon Glykogen fiberdeck~ warden. Glykogenarme Zellen mit vacuol&r und vesicular ausgebildetem endoplasma~isehen Reticulum sind die Ausnahme. ~Teiter- hin haben die Fet~tropfen im C~oplasma deu¢lich

zugenommen. Gelegentlich kSnnen auch in den Zell- kernen Fetttropfen und Glykogenpai~ikel naeh- gewiesen werden (Abb. 4).

d. Leberparenchym bei ]ettreicher Diiit. InnerhMb der F~tt, erungsversuche zeigen die Leberzellen der fettreich ern~hrten alten Tiere die gr6l]~en morpho- logisehen Abweiehungen yon der normalen Fein-

Klinisehe 8 8 ULt~IClt GEttLACH und t~E~IA~ TttE~A~Iq: Morphologische und enzymagische Untersuchungen Woehenschrift

struktur junger uad such gesl~erter Ra~cu mi~ NormMkos~.

Eine Vielzshl yon Zellen is~ nieht mehr den norms- len Zell~ypcn zuzuordnen. Msnche Parenchymzellen hubert zwsr noch eine vesicut/~re bzw. vscuolare Form des endoplasma~ischen Re~ieulum gebilde~; tier Cyto-

Reticulum sind ia den mi~ Fetttropfen sufgefiillten Psrenchymzellen ksum noch nachweisbar. In dieser Tiergruppe zeigen sogsr die Mitochondrien oftmsls Abweichungen yore Normslbild: Die Cristae mit.o- ehondriales sind zshlcnm/~fig deu~tich veI~nindert, dagegen ist die Ms~rix in vielen Fallen dichter ge-

Abb. 8. Leberparenchymzelle einer :gatte im Alter yon 2 Jah rea naeh pro~inreieher Di~t. Die doppellamell~ organisierten Ergastol)lasmastrukturen sind sehr s tark ausgeblldet. Vergr.: 24000 : 1 (Er Endoplasma¢tsches l%etteulum, G Glykogen, M ~itochondrien, ~ Nucleus)

plasmarsum dieser Zellen enth/~l* neben einigen Fe~*- tropfen viele Glykogenpsrtikel und Ribosomen (Abb. 5). Die Mitoehondrien sind normal susgebildet. Aber die Mekrzshl der Leberpsrenchymzellen en~h/ilt reichtich Fet~ropfen unterschiedlicher GrSl3e (Abb. 6 u. 7). Die Fet4tropfen sind oftmals yon dicht struk- ~uriertem Cytoplasms umgeben, das aus mehr amorph aussehendem Material besteh¢, h/~ufig Glykogen- partikel und gelegenthch l%ibosomen enth/~lt. Organi- siert aufgebaute Strukturen des endoplasmatischen

worden (Abb. 6). In cinigen Leberzellen zeichnen sick deutlich nekrotische Prozcsse sb, in die such der Zellkern einbezogen ist. Dami~ bleibt sis wesentliches Merkmsl der iiberwiegend mi~ Fet~ ernahrten Ver- suchsgruppe fes~zuhaltcn, dat~ unter dieser Di/itform in der Leber Parenchymzellen zu linden s'md, die elektronenmikroskopisch die Merkmale yon pathologi- schen Stoffwechselvorgangen hubert.

5. Leberparenchym bei eiweifireicher Di~t. Im gsnzen gesehen zeigen die Lcberzcllen der eiweil~reich

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ernghrten l%atten wieder diejenigen Zelltypen, die ira Leberparsnchym dsr jungsn Tiers besehrieben wurden: Im Gegensatz zu den normal gefiitte~en alten 1%atten und ebenfalls im Gegensatz zu den kohlenhydrat- nnd fettreich ernahrten Tieren dominieren Leberzellen mit vorwiegend doppellameHar ausgebildetem endoplasmatisehen Retieulum (Abb. 8). Die Membranen sind dieht mit Ribosomen be- setzt, die auch im iibrigen Cytoplasmaraum in groBer Anzahl vorhanden sind. Diese Zellen entspreehsn also wieder dem Typ I des normalen Leberzellen ~unger I~atten. AuBerhalb der Regionen, die veto endoplasmatischen l%e~i- culum eingenommen werden, k6nnen gr6Bere Mengen yon Glykogen lagern. Auch die anderen, ffir die Leber junger, erwaehsener l%atten besshrie- bensn Parenchymzelltypen sind nachweisbar, insbesondere glykogenreiche Zellen mit kleinvesieular ausgebildeten

Ergastoplasmastrukturen (Typ III). Als Besonderhei~ linden sich in den Zellen, die umnittelbar an die Disseschen Raume grenzen, Granula, ddie in ihrer Gr66enordnung mit Fetttropfen fibereinstimmen, sich jedoeh yon diesen dutch ihre hellere und granuHsrte Struktur nnterscheiden. Vsr- mutlich handelt es sieh dabei um Ablagerungen yon Eiwei$ (Abb. 9).

Diskussion Ffir die Diskussion sind

zun~chst drei Befunde yon Bedeutung und deshalb her- vorznheben:

1. Die Aktivitgt der GOT ist abhgngig veto Lebensalter; bet gealterten Tieren is~ sie geringer als bet jungen.

2. Die alternsm~13ige Ver- minderung der GOT ist durch eine proteinreiche Diat auf- zuheben, so dab die Enzym- aktivitgt bet jungen Tieren und proteinreieh ernghrten alten Tieren gleieh ist.

3. Elektronenmikroskopisch zeigen die Leberzellen der proteinreich ernghrten alten Tiere im Vergleich zu den normal ernghr~en alten Tieren sine charakteristische Vermehrung yon endoplasmatisehem Retieulum and gleichen dadurch den Leberzellen der jungen Tiere.

Zu 1. Die Alternsabhgngigkeit der GOT-Aktivitgt ist anderen Befunden vergleiehbar, naeh denen manche Enzyme im jugendlichen Alter eine h6here Aktivitgt besitzen ( R i c ~ m c ~ , G~nAc~).

Die alternsabhgngige E~ymaktivi tgt spiegelt eine mit dem Lebensalter wechsslnde Leistung der Gewebe und Organe (H~z, E~c~ u. GLAS~T~) wider.

Zu 2. Das Enzym Glutamat-Oxalaeetat-Trans- aminase ist sine Traaferase, die -- wie sehon der Name sagt -- Aminogruppen zwischsn Ketosguren und Aminosguren ~ibsrtr~gt. Anf diese Weise bilden Transaminasen eine Briicks zwischen Proteinmeta- bolismus nnd Krebscyclus. Die Steltung des Enzyms im Geftige des intermedi~ren Stoffweehsels erklart,

Abb. 9. LeberpareachymzelIe ether :Katte im Alter yon 2 5ahren naeb proteim'eieher Diiit,. Der an den Disseschen l~aum angrenzeade TeiI der Leberzelle entlDA~ zablreiche Granula, die sieh dutch ihre mehr

ne~zartige S~ruktur yon typisehen Fet, ttropfea unterseheidea (Eiwetl~granuta ?). Vergr.: 56000:1 ((7 Glykogen, Gr Gran~a,, M }~.i~ochondrten, D Disseseher Raum)

dab die Aktivitgt der Transaminasen bet gesteiger~en katabolen Stoffwechsetvorggngen vermeh~ sein kann. So wurde eine erh6hte Transaminaseaktivitgt bet jngendliehen Ratten naeh fiberwiegender Fleisch- fiitterung besehrieben (Bo~n, R Y s ~ u. F~m). Eine Steigerung des Katabolismus und damit der GOT- Aktivitgt wird dutch eine proteinreiche Kost bewirkt, well diese Digt zu einem vermehrten Anfall yon Sub- straten ffir die entspreehenden Enzyme ftihrt.

Eine Enzymvermehrung infolge gesteigerten Sub- stratanfalles wird als induzierte oder adaptive Steigerung der Enzymsynthess bezeichnet, jedoch ist es sehwierig, beim Warmbliitler die Enzymindnktion zu beweisen. Nicht immer ist die erhShte Syntheserate

90 ULI~ICI~ GE~nAeH und HEI~IVIAI~N THEMANN: Morphologische und enzymatische Untersuchungen Kiinische Woehenschrift

direkt, z .B. durch vermehrten Einbau radioaktiver Aminos/~uren, zu messen; deshalb werden indirekte Nachweismethodea angewendet, indem man versueht, durch ttemmstoffe die Proteinsynthese und damit die Enzymsynthese zu bremsen.

In unserer Versuehsanordnung benutzten wir einen anderen indirekten Weg, um ein Indiz daffir zu gewinnen, daS die gesteigerte GOT-AktivitAt naeh Proteinfiitterung Folge adaptiver Enzymneubildung ist: Elektronenmikroskopiseh wurde gepriift, ob sieh morphologische Zeiehen far eine vermehrte Protein- synthese dann iinden, wenn die Enzymaktivit/it fiitterungsbedingt erhSht ist.

Zu 3. Die Proteins)mthese finder intracellulgr in den Struk~uren des endoplasmatisehen Reticulum lind seinen t%ibosomen start. Deshatb sind morphologL sche Zeichen einer quantitativ ver/~nderten Protein- synthese am ehesten an diesen Struktm°en zu erwarten.

Tatsgchlich war in den Leberzellen der proteinreich ern~,hrten Mien Tiere das endoplasraa~ische Reticulum erheblieh vermehrt. Dadurch gIiehen die Zellen dieser Tiere denen jugendlicher R, atten, die ebenfMts reichlich endoplasraatisehes ICeticulum und l~ibosomen enthielten. Gegenfiber diesen Befunden zeigte sich das endoplasraatische Reticulum bei den gealterten Tieren der iibrigen Fiitterungsgruppen deutheh vermindert. Das reiche Vorkommen an Strukturen des endoplasraatischen Retieulum sowohl bei Tieren mit fiberwiegender EiweiBfiitterung Ms aueh bei jungen Tieren gibt wohl einen Hinweis darauf, dab diese Zellen eine hohe Funktionsleistung besitzen, die aueh die Proteinsynthese einschlieBt. Mit dieser Annahrae stimmt iiberein, da$ die mor- phologiseh festgestellte Vermehrung yon endoplasma- tischera Retieulum in unseren Versuchsgrnppen mit einer chemisch bestimraten Erh6hung der Trans- aminaseaktivitAt verknfipft war. Entspreehend lies sich in den fibrigen Versuchsgruppen eine Verminde- rung des endoplasmatisehen Reticulum mit einer Abnahme der GOT-Aktivit/~t korrelieren.

Die geschilderten theoretisehen Gesiehtspunkte und die iibereinstimmende Auslegung der morphologi- sehen und bioehemisehen Befunde erlauben es, die vermehrte GOT-Aktivit~t naeh Proteinfiitterung als Folge einer Enzyminduktion zu deuten. Dabei ist yon besonderem biologischen Interesse, dab die adaptive Enzymaktivit/~tssteigerung in unseren Ffitterungsversuehen bei zweij/~hrigen, also erheblich gealterten Tieren festgestetlt wurde. Gleiehfalls berich- teten G~]~GV~A~ sowie B ~ t o w s und ~OEDEJ~, dab ~uch fin Alter die Fghigkeit zur adaptiven Enzymsynthese noeh besteht.

Aus den Befunden ergibt sich, dab ~uch alternde Individuen zu adaptiver Vermehrung der Enzym- synthese bef/~higt sind, wenn auch wohl in ge~dngerem MaBe (K~mNAU). Aus der Beobachtung, dab die ZeHen der 2 Jahre lang proteinreich ernahrten aitern- den Tiere in Morphologie und Enz)~naktivitat den Zellen junger Tiere gleichen, ergdbt sieh sehtieSlieh, daS die eiweiSreiehe Kostform einzelne Zelleistungen abwandeln kann. Dieser Befund e~unert an die gtinstige klinisehe Erfahrung mit proteinreieher Diat bei Leberkrankheiten, z .B. bei Lebercirrhose und an die Bedeutung der eiweiSreichen Kost in der Gerontologie, auf die besonders M. B i ~ a hinge- wiesen hat.

Zusammen]assung. Zun~chst wird die untersehied- ]iche Enzymaktivit~t in der Leber junger und geMter- ter I~atten beschrieben. Dann ~ r d mitgeteilt, wie sich die Akti.viti~t der Glutamat-Oxalacetat-Trans&minase (GOT) alter Tiere bei verschiedenen DiAtformen ver- h/~lt: Hierffir wurden I~atten 2 Jahre lang fiber- wiegen4 mit Kohlenhydraten, Protein bzw. l%tt ern/ihrt. Es zeigte sieh, d a b die GOT-Aktivitat im Alter bei normaler sowie bei kohlenhydrat- und fettreicher Kost gegeniiber jungen Tieren absinkt. Da- gegen hatte die proteinreich ern~hrte Tiergruppe die gleiehe, hohe Enzymaktivitg.t wie die Gruppe der jungen Tiere.

Die Lebern der versehiedeaen Tiergruppen ~arden auch elek~ronenmikroskopiseh untersncht. Die eha: rakteristisehen morphologischen Untersehiede werden mi~geteilt.

Die kombinierte bioehemisehe nnd morphologische Untersuehnngsteehnik wurde benutzt, am dar- znlegen, daS die dutch proteinreiehe Di/~t erzielte Enzymaktivit/~tssteigerung eine Folge adaptiver Enzymneubildung ist.

Es ist yon biologischem Interesse, dai~ die adaptive Enzymsynthese bei geM~erten Tieren eintrat.

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Tagessehwankungen der Enzymaktivit~ten der Glutamat-oxalacetat., Glutamat-pyruvat- Transaminasen und Lactatdehydrogenase im Serum bei Leberkranken und Gesunden

Von S. MASSAt~AT *

Aus der 5~[edizinischen Abteilung des Stadtkrankenhauses Kassel (Direktor: P r o i Dr. lit. E:nLK) und der ~edizinischen Universi~ts-2oli ldinik Mal'burg a. d. Lahn (Direktor:)Prof. Dr. F. H~T):[£~I'0

Die Bes t immung der Enzymakt iv i t i~ ten im Serum, insbesondere die der Transaminaseu , ha t in den le tz ten J a h r e n zunehmend Idinische Bedeu tung gewonnen. I)a die K e n n t n i s der Ver/ inderungen des Enzym-

Lebergesunde .

Lebercirrhose .

Chronische Hepatitis . .

(x-M)~ *

n - - 1

spiegels im Serum im Ver- lauf eines Tages un t e r kon- s t an te r Bedingung die Ab- grenzung gegen/iber Ein- Krankengu~

wirkungen ~nderer Art (Medikamente, kSrperliche Belas~ung usw.) evm6g- ]iehL stel l ten wir uns die Aufg~be, diese ffir die Enzyme GlutamaGoxMace- tat-, Glutam&t- pyruv~- Transaminasen u n d Lac~t- dehydrogenase** zu stu- dieren. Die Unte r suchun- gen wurden vorwiegend bei Leberkranken durchgefiihrt , die hohe Enzym&ktiv i t~ ten im Serum aufweisen.

Nr.

Material und Methodik Die Enzymaktivit~t~n im Serum wurden

bei 60 Patien~en untersucht: unser Kr~nken- gut besteht, aus 15 ~ersonen mit akuter Hepatitis, 15 mit chronischer Hepatitis, 15 Cirrhosen und 15 ohne Lebexkrankheiten. Die Diagnose war bei allen Patienten durch Laparoskopie und histologische Untersuchung des Leberpunktates gesiehert.

Die Patienten hielten Bettruhe ein. )/[edi- kamente wurden in der Beobachtungszeit nicht eingenommen. Bei jedem Patienten wurde um 8 Uhr nfiehtern, um 12 Uhr vor dem Mittagessen und um 18 Uhr vor dem Abendessen Blur entnommen. Das Blur wurde sog]eieh nach der Entnahme 5--10 rain bei 700 g zent~fugiert und die hEmolyse- freien Seren bei 4°C im K/ihlschrank au~- bewahrk Die Bestimmung der Enzym- aktivit~en wurcten

Ergebnisse und Diskussion Die Mittelwerte der Akt iv i t£ ten der drei Gruppen

sind in Tabelie 1, darfiber h inaus die Einzelwerte der Gruppe mi t akuter Hepat i t i s in Tabelle 2 angegeben.

Tabe]le 1. Enzymaktivit~iteu in mU/ml Serum

Z~hl

15

15

15

(7 '

8~Jhr 12 Uhr

8 8 a4-3 4-2

58 59 ~4-45 4-42

34 33 a ~ 1 3 4-14

GOT G P T L D K

18 Uhr .8 Uh.__~ 8 Uhr

65 63 4-49 ~= 59

3¢ ~ 46 :k16

M 1 - - M 2

t-- V a ~ a 2 M 2

Tabelle 2. Akute Hepatitis

t2 Uh___~r

61 ~ 62

:8 Uh~r

69 4-77

~ m

18 1 291 ±36 12ot 12oI /29

±35 ~ 2 6 1 ± 3 2 1~1 1201 130

~43 t±42 t ±50

Name

1 KS. 2 Oh. 3 Ma. 4 Wo. 5 Se. 6 Ga. 7 Le. 8 Vo. 9 ]35.

10 Seh. 11 Di. 12 Ka. 13 Gi. 14 He. 15 N6.

Mittelwert ff

"Enzyma~tivitgt in mU/ml Serum)

GOT GPT L D H

8 Uhr 8 U h r 12 Ul~r 18 Uhr 18 Uhr

310 113 75

660 69

270 131 63

470 36 68

382 410 366 280

± am Nachmittag und

naeh der letzten Blutentnahme naeh dem optisehen Prinzip nach VC~BV~G im Photometer Eppendorf mit Testansatz naeh B ~ c ~ u. ~litarb. 1 in der Modifikation yon Sen~n)T u. MAtarb3 bes~immt. Die Aktivit4ten wurden in mU/mt- Serum (1 U - - 1 Mikromol Substratumsatz pro Minute) bei 25~0 ausgedriiekt.

* Jetzt lYiedizinische Universit~%ts-Poliklinik Marburg a. d. Lahn.

** Abkfirzungen in der Reihenfolge: GOT, GPT und LDI:L

12 Uhr

318 104 74

610 80

270 112 63

470 35 68

410 430 382 262 247

4-183

18 Ulu"

730 290

95 520 236 450

66 79

520 100 242 485 520 382 458 I 346

! 192

730 141 2~ 12ol

73 106i 520 318 i 252 89! 485 183] 93 122 71 79

480 262 95 81

215 99 470 485 440 280 485 292 458 292

292 730 89 354 62 96

520 660 : 95 240 236 485 128 79 58 80

458 470 27 127 58 242

340 485 332 485 382 366 228 525 22011 364

:~ 159 i 210

81Yhr [ 12 Uhr

144 97 97

244 97

170 110 93

214 79

108 455 286 232 332

159 124 100 236 131 156 135 86

163 75 92

470 224 232 236 181

q- 110

Der arithme~isehe 5Iittelwer~ (M), die mi t t lere Ab- weichung der Einzelwerte (a) und der mit t lere Fehler des Mittelwertes (a_u) wurden bes t immt .

Wie aus den Tabel len zu ersehen ist, zeigen die E n z y m a k t i v i t ~ t e a im Serum bei 60 Pa~ienten yon vier verschiedenen Krankhe i t sg ruppen keine s~ati- stiseh zu sichernde Schwankung wghrend der zw61f- st / indigen Tagesperiode. Aueh wenn m a n die P a t i en t en

Morphologische und enzymatische Untersuchungen zum Problem der Adaptation im Alter

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