1963 stellten Berne und Gerlach et al. unabhängig voneinander die Adenosin-Hypothese auf, die besagt, dass Adenosin die Koronardurchblutung der kardialen Stoffwechselsituation anpasst (3;26). Bei abfallender kardiomyozytärer Sauerstoffspannung - so die Hypothese - wird Adenosin freigesetzt und gelangt durch das Interstitium an die Adenosin-Rezeptoren der glatten Muskulatur der Koronargefäße, um dort eine Vasodilatation zu bewirken. Die dadurch gesteigerte Koronardurchblutung führt zu einer Wiederherstellung der normalen Sauerstoffspannung.
Es konnte in mehreren Studien der koronardilatatorische Effekt von Adenosin gezeigt werden (31;57;62). Heute wissen wir, dass eine Vasodilatation über A2-Rezeptoren der glatten Muskelzellen vermittelt wird. Es gibt allerdings auch Hinweise, dass der vasodilatatorische Effekt von Adenosin auch über A2-Rezeptoren des Endothels vermittelt wird (57). Stepp und Mitarbeiter untersuchten die Dosis-Wirkungs-Beziehung von interstitiellem Adenosin zur Koronardurchblutung und stellten fest, dass bereits eine Erhöhung der interstitiellen Adenosin-Konzentration um 62 % zu einer halbmaximalen Erhöhung der Koronardurchblutung führte. Dabei wurde kein Hinweis für eine sekundäre Aktivierung eines möglichen Vasodilatators durch endotheliale Adenosin-Rezeptoren gefunden (75). Allerdings scheint Adenosin unter physiologischen Bedingungen keine Rolle bei der koronaren Flussregulation zu spielen. So führte ein um das 4-fache gesteigerter Sauerstoffverbrauch bei Hunden unter körperlicher Belastung zwar zu einem Anstieg der interstitiellen Adenosin-Konzentration, aber nicht in den Maßen, dass eine koronarvasodilatatorische Wirkung herbeigeführt werden könnte (84). Bei belastungsinduzierter O2-Mangelversorgung fällt der ATP-Gehalt kaum ab und die Adenosin-Konzentration steigt stark an, während es bei Okklusion und ATP-Katabolismus rasch zu einem ATP-Abfall und erheblichen Zunahmen von Adenosin kommt. Die Adenosin-Freisetzung scheint also nicht vom myokardialen Sauerstoffumsatz abhängig zu sein (49). Auch bei Inhibition der NO-Synthese kommt es nicht zu einer kompensatorischen koronaren Vasodilatation durch Adenosin. Die unter physiologischen Bedingungen gebildeten NO-Mengen haben nur eine moderate koronarvasodilatatorische Wirkung (83).
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Allgemeines
1.2 Kardialer Adenosin- und Adenin-Nukleotid-Stoffwechsel
1.3 Enzyme im Adenosin- und Adenin-Nukleotid-Stoffwechsel
1.3.1 AMP-Desaminase (EC 3.5.4.6)
1.3.1.1 Enzymkinetik
1.3.1.2 Effektoren der AMP-Desaminase
1.3.1.3 Regulation der AMP-Desaminase-Aktivität
1.3.2 5´-Nukleotidase (EC 3.1.3.5)
1.3.3 Adenosin-Desaminase (EC 3.5.4.4)
1.3.4 Purin-Nukleosid-Phosphorylase (EC 2.4.2.1)
1.3.5 Xanthin-Oxidase (EC 1.3.2.3)
1.3.6 Hypoxanthin-Guanin-Phosphoribosyltransferase (EC 2.4.2.8)
1.4 Inhibition der am Purin-Stoffwechsel beteiligten Enzyme
1.5 Fragestellung
2 Material und Methoden
2.1 Modelle
2.1.1 Isolierte Perfusion nach Langendorff
2.1.1.1 Präparation
2.1.1.2 Versuchsanlage
2.1.1.3 Generelle Versuchsdurchführung
2.1.2 Enzymaktivität im Gewebehomogenat
2.1.3 Isolierte Kardiomyozyten
2.2 Inhibitoren
2.2.1 Inhibition der Adenosin-Desaminase durch EHNA
2.2.2 Inhibition der Xanthin-Oxidase durch Allopurinol
2.2.3 Inhibition der AMP-Desaminase durch GP 3521 und GP 3449
2.2.4 Inhibition der Adenosin-Desaminase und AMP-Desaminase durch Coformycin
2.2.5 Methotrexat
2.3 Protokolle und Fragestellungen
2.3.1 Abschätzung der Umsatzrate der AMP-Desaminase unter verschiedenen Bedingungen
2.3.1.1 EHNA und Allopurinol
2.3.1.2 GP 3521
2.3.1.3 Effekte von GP 3521 unter hypoxischen Bedingungen
2.3.1.4 Purinfreisetzung unter GP 3449 und EHNA
2.3.1.5 Abschätzung der Umsatzrate der AMP-Desaminase unter Coformycin
2.3.2 Einfluss der Purin-de-novo-Synthese
2.3.3 Hemmbarkeit der AMP-Desaminase im myokardialen Gewebeextrakt
2.3.4 Myokardialer Nukleotid- und Nukleosidgehalt nach Ischämie
2.3.5 Zellpermeabilität von Kardiomyozyten
2.4 Analytische Methoden
2.4.1 Probenaufbereitung
2.4.1.1 Probenaufbereitung für die HPLC zur Bestimmung von Adenosin, Inosin, Hypoxanthin, Xanthin und Harnsäure
2.4.1.2 Gewebeextraktion
2.4.1.3 Probenaufbereitung der Kardiomyozyten
2.4.2 HPLC-Analyse
2.4.2.1 Bestimmung der Purine
2.4.2.2 Bestimmung der Nukleotide
2.4.2.3 Bestimmung von GP 3521 in isolierten Kardiomyozyten
2.5 Auswertung und Statistik
3 Ergebnisse
3.1 Inosin- und Hypoxanthin-Freisetzung in Normoxie und Hypoxie zur Bestimmung der Umsatzrate der AMP-Desaminase
3.2 Bedeutung der Purin-de-novo-Synthese
3.3 Direkte Inhibition der AMP-Desaminase zur Bestimmung der Umsatzrate
3.3.1 Effizienz der Inhibitoren
3.3.1.1 AMP-Desaminase-Kinetik unter Coformycin
3.3.1.2 Hemmung der isolierten AMP-Desaminase durch GP 3521
3.3.2 Effekte von Coformycin und GP 3521 auf die Purinfreisetzung
3.3.2.1 Purinfreisetzung in Normoxie unter Coformycin
3.3.2.2 Purinfreisetzung unter GP 3521
3.3.2.3 Purinfreisetzung in Hypoxie unter GP 3521 und EHNA
3.3.3 Wirkung von GP 3521 in globaler Ischämie
3.3.4 GP 3521 Permeabilität
3.3.5 Purinfreisetzung unter GP 3449
3.3.6 Wirkung von GP 3449 bei globaler Ischämie
4 Diskussion
4.1 Bedeutung der myokardialen AMP-Desaminase
4.2 Direkte Inhibition der AMP-Desaminase zur Bestimmung der Umsatzrate
4.3 Abschließende Betrachtung
Zielsetzung und Themen der Arbeit
Die vorliegende Arbeit untersucht die quantitative Bedeutung der AMP-Desaminase im kardialen Adenin-Nukleotid-Stoffwechsel von Meerschweinchen unter normoxischen und hypoxischen Bedingungen. Ziel ist es, durch pharmakologische Intervention mittels spezifischer Enzyminhibitoren die Umsatzrate der AMP-Desaminase zu bestimmen und ihren Beitrag zur Regulation der Adenosin-Bildung und zum kardialen Energiehaushalt aufzuklären.
- Analyse des kardialen Purin-Stoffwechsels und der Rolle der AMP-Desaminase.
- Einsatz von Inhibitoren (EHNA, Allopurinol, Coformycin, GP 3521, GP 3449) zur selektiven Blockade beteiligter Enzyme.
- Messung der Purinfreisetzung im koronarvenösen Effluat mittels HPLC.
- Untersuchung der Bedeutung der Purin-de-novo-Synthese für die IMP-Bildung.
- Bewertung der Ergebnisse zur Rolle der AMP-Desaminase bei moderater Hypoxie und Ischämie.
Auszug aus dem Buch
1.1 Allgemeines
1963 stellten Berne und Gerlach et al. unabhängig voneinander die Adenosin-Hypothese auf, die besagt, dass Adenosin die Koronardurchblutung der kardialen Stoffwechselsituation anpasst (3;26). Bei abfallender kardiomyozytärer Sauerstoffspannung - so die Hypothese - wird Adenosin freigesetzt und gelangt durch das Interstitium an die Adenosin-Rezeptoren der glatten Muskulatur der Koronargefäße, um dort eine Vasodilatation zu bewirken. Die dadurch gesteigerte Koronardurchblutung führt zu einer Wiederherstellung der normalen Sauerstoffspannung.
Es konnte in mehreren Studien der koronardilatatorische Effekt von Adenosin gezeigt werden (31;57;62). Heute wissen wir, dass eine Vasodilatation über A2-Rezeptoren der glatten Muskelzellen vermittelt wird. Es gibt allerdings auch Hinweise, dass der vasodilatatorische Effekt von Adenosin auch über A2-Rezeptoren des Endothels vermittelt wird (57). Stepp und Mitarbeiter untersuchten die Dosis-Wirkungs-Beziehung von interstitiellem Adenosin zur Koronardurchblutung und stellten fest, dass bereits eine Erhöhung der interstitiellen Adenosin-Konzentration um 62 % zu einer halbmaximalen Erhöhung der Koronardurchblutung führte. Dabei wurde kein Hinweis für eine sekundäre Aktivierung eines möglichen Vasodilatators durch endotheliale Adenosin-Rezeptoren gefunden (75). Allerdings scheint Adenosin unter physiologischen Bedingungen keine Rolle bei der koronaren Flussregulation zu spielen. So führte ein um das 4-fache gesteigerter Sauerstoffverbrauch bei Hunden unter körperlicher Belastung zwar zu einem Anstieg der interstitiellen Adenosin-Konzentration, aber nicht in den Maßen, dass eine koronarvasodilatatorische Wirkung herbeigeführt werden könnte (84). Bei belastungsinduzierter O2-Mangelversorgung fällt der ATP-Gehalt kaum ab und die Adenosin-Konzentration steigt stark an, während es bei Okklusion und ATP-Katabolismus rasch zu einem ATP-Abfall und erheblichen Zunahmen von Adenosin kommt. Die Adenosin-Freisetzung scheint also nicht vom myokardialen Sauerstoffumsatz abhängig zu sein (49). Auch bei Inhibition der NO-Synthese kommt es nicht zu einer kompensatorischen koronaren Vasodilatation durch Adenosin. Die unter physiologischen Bedingungen gebildeten NO-Mengen haben nur eine moderate koronarvasodilatatorische Wirkung (83).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in den kardialen Purin-Stoffwechsel ein und erläutert die Bedeutung der AMP-Desaminase sowie die zugrunde liegenden enzymatischen Regulationsmechanismen.
2 Material und Methoden: Dieses Kapitel beschreibt das experimentelle Modell des isoliert perfundierten Meerschweinchenherzens, die verwendeten Inhibitoren sowie die angewandten analytischen Verfahren wie die HPLC-Methodik.
3 Ergebnisse: Hier werden die experimentellen Daten zur Freisetzung von Purinen in Normoxie und Hypoxie präsentiert, ebenso wie die Effekte verschiedener Enzyminhibitoren auf die Stoffwechselwege.
4 Diskussion: Das letzte Kapitel analysiert die quantitativen Befunde zur Rolle der AMP-Desaminase im kardialen Adenin-Nukleotid-Stoffwechsel und interpretiert die Ergebnisse im Kontext aktueller wissenschaftlicher Erkenntnisse.
Schlüsselwörter
AMP-Desaminase, Adenosin, Purin-Stoffwechsel, Herzphysiologie, Meerschweinchenherz, Hypoxie, Ischämie, Inhibitoren, Koronardurchblutung, HPLC, Nukleotid-Stoffwechsel, Purinfreisetzung, Enzymkinetik, Myokard.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit grundlegend?
Die Dissertation untersucht die quantitative Rolle des Enzyms AMP-Desaminase im Adenin-Nukleotid-Stoffwechsel des Meerschweinchenherzens unter verschiedenen Sauerstoffversorgungsbedingungen.
Welches sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Im Zentrum stehen die Stoffwechselwege des AMP-Abbaus, die Adenosin-Bildung, die Modulation durch pharmakologische Inhibitoren und die Reaktionen des Herzmuskels auf Hypoxie und Ischämie.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage der Dissertation?
Das Ziel ist die quantitative Abschätzung der Umsatzrate der AMP-Desaminase in vivo, um deren Bedeutung für die Regulation des kardialen Energiestoffwechsels und die Adenosin-Produktion zu klären.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Die Arbeit nutzt das Modell des isoliert perfundierten Meerschweinchenherzens nach Langendorff, kombiniert mit pharmakologischen Interventionen und der quantitativen Bestimmung von Purin-Metaboliten mittels HPLC.
Welche Aspekte werden im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine detaillierte Methodenbeschreibung, die Präsentation der experimentellen Ergebnisse zur Purinfreisetzung unter verschiedenen inhibitorischen Bedingungen sowie deren physiologische Diskussion.
Welche Schlüsselwörter beschreiben diese Arbeit am besten?
AMP-Desaminase, Adenosin, Purin-Stoffwechsel, Herzphysiologie, Hypoxie, Ischämie, Inhibitoren, HPLC.
Warum wird die Purin-de-novo-Synthese im Rahmen dieser Untersuchung betrachtet?
Die Synthese wurde untersucht, um auszuschließen, dass sie einen relevanten Beitrag zur IMP-Bildung leistet, welcher die Bestimmung der AMP-Desaminase-Umsatzrate verfälschen könnte.
Was lässt sich zur Wirksamkeit der untersuchten Inhibitoren wie GP 3521 in vivo sagen?
Obwohl die Inhibitoren im Enzymextrakt in vitro eine hohe Wirksamkeit zeigten, konnte in den intakten Kardiomyozyten bzw. im perfundierten Herzen eine ausreichende intrazelluläre Wirksamkeit aufgrund mangelnder Membranpermeabilität nicht bestätigt werden.
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- Se-Chan Kim (Author), 2003, Die Umsatzrate der AMP-Desaminase im Meerschweinchenherzen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/19300
