Zur Pathogenese der durch Alkohol induzierten Fetteinlagerung in die Leber

Summary

1. The aim of this study is to elucidate the origin of fatty acids accumulating as triglycerides in the liver following acute ethanol administration. In order to clarify this problem the effect of ethanol on the content of metabolites and coenzymes of the fatty acid and carbohydrate metabolism in liver and blood was assessed in man and in experimental animals.

2. Metabolic changes induced by the oxidation of ethanol in the liver of rats fed a standard diet (marked increase in the reduction of the cytoplasmic NAD-system in the liver, measured by the lactate/pyruvate,α-glycerophosphate/dihydroxyacetonephosphate, and NADH/NAD ratios and increase of the acetyl-CoA content of the liver) can already be observed during the initial phase after a single oral load of ethanol.

3. The pronounced accumulation of triglycerides in the liver following ethanol administration begins after a rather long lag period. This coincides with an increase in the concentration of free fatty acids in the plasma.

4. In animals fed a protein-deficient diet (0.5% protein) the activity of liver alcohol dehydrogenase decreases to about 15% of the control values within 3 weeks. Under these conditions, ethanol oxidation is extremely slow when measured by blood elimination rate. This inhibition of ethanol oxidation caused by protein deficiency has been confirmed in man.

5. Due to the reduced ethanol oxidation rate, metabolic changes induced by the oxidation of ethanol itself (increase of the reduction state of the cytoplasmic NAD-system and the hepatic content of acetyl-CoA) are not observed or at least much less pronounced in rats kept on a protein deficient diet than in normal control animals. Conversely the accumulation of triglycerides in the liver is even more marked in the former. Theβ-hydroxybutyrate/acetoacetate ratio and the concentration of these ketone bodies are also more elevated in liver and blood of protein deficient animals.

6. Inhibition of lipolysis by adrenalectomy or application ofβ-receptor blocking agents diminishes the accumulation of triglycerides in the liver following acute ethanol administration. Under these conditions metabolic changes induced by the ethanol oxidation itself (increase in the lactate/pyruvate and NADH/NAD ratios) are similar to those observed in control animals.

7. Acute ethanol administration to rats fed a standard diet increases the liver content of long-chain acyl-CoA esters. In protein deficient rats, ethanol application results in extremely high long-chain acyl-CoA levels. The marked increase in the long-chain acyl-CoA/free CoA ratio suggests a feed-back inhibition of fatty acid synthesis at the acetyl-CoA carboxylase reaction.

8. Increased production ofα-glycerophosphate has been suggested to play a role in the preferential formation of triglycerides after acute ethanol administration. To elucidate this problem the effect of ethanol on hyperthyroid rats has been investigated. Hyperthyroidism inducesα-glycerophosphate oxidase a 20 to 30-fold and inhibits the elevation of hepaticα-glycerophosphate content caused by ethanol. Correspondingly, the ethanol-induced triglyceride accumulation in the liver was found to be distinctly lower than in euthyroid controls.

9. In man, acute ethanol administration leads to analogous changes of the redox couples lactate/pyruvate andβ-hydroxy-butyrate/acetoacetate and other metabolic alterations as observed in animal experiments.

10. It is concluded from these results that acute ethanol administration does not enhance hepatic fatty acid synthesis. Stimulated peripheral lipolysis is assumed to be the major source of the fatty acids which accumulate in the liver after acute ethanol intoxication. Both the marked elevation of hepaticα-glycerophosphate content and the increased fatty acid supply from adipose tissue are suggested to be of significance for the predominant triglyceride formation in the liver.

Zusammenfassung

1. In der vorliegenden Arbeit sollte geprüft werden, ob für die Fetteinlagerung in die Leber durch akute Alkoholzufuhr vorweigend eine Neusynthese von Fettsäuren in der Leber oder eine Mobilisierung von Fettsäuren aus dem peripheren Fettgewebe verantwortlich ist. Hierzu wurde der Einfluß von Alkohol auf den Gehalt von Metaboliten und Coenzymen des Fett- und Kohlehydratstoffwechsels unter verschiedenen Ausgangsbedingungen in der Rattenleber und auf Metabolitspiegel im Blut bei der Ratte und beim Menschen gemessen.

2. Die durch die Alkoholoxydation selbst bedingten Stoffwechseländerungen in der Leber (deutliche Zunahme der Reduktion des cytoplasmatischen NAD-Systems der Leber, gemessen an den Quotienten Lactat/Pyruvat,α-Glycerophosphat/Dihydroxyacetonphosphat, NADH/NAD und Anstieg des Acetyl-CoA-Gehaltes) sind bereits sehr früh nach einmaliger Alkoholgabe zu beobachten.

3. Die Triglycerideinlagerung in die Leber erfolgt im Vergleich hierzu erst relativ spät und geht parallel dem Anstieg der freien Fettsäuren im Plasma, die in den ersten Stunden nach der Gabe von Alkohol zunächst abfällt.

4. Unter proteinarmer Kost (0,5% Protein) nimmt die Aktivität der Alkohol-Dehydrogenase in der Leber stark ab. Nach 3 Wochen beträgt sie nur noch 15% des Wertes der Kontrolltiere. Unter diesen Bedingungen ist die Alkoholoxydation, gemessen an der Abnahme des Blutalkoholspiegels nach einmaliger Alkoholabgabe, stark verlangsamt. Hierdurch ist bei gleicher Alkoholdosis die Alkoholkonzentration im Blut eiweißarm ernährter Ratten stärker und über längere Zeit erhöht als bei normal ernährten Tieren. Auch beim Menschen ist der Alkoholabbau, gemessen an der Alkoholelimination im Blut, unter eiweißarmer Kost deutlich verringert.

5. Bei proteinarm ernährten Ratten bleiben, wie bei der verminderten Oxydationskapazität für Alkohol zu erwarten, die Stoffwechseländerungen in der Leber durch die Äthanoloxydation (Zunahme der Reduktion des cytoplasmatischen NAD-Systems, Anstieg des Acetyl-CoA-Gehaltes und derα-GP-Konzentration) aus oder sind stark reduziert. Die Triglycerideinlagerung in die Leber ist dagegen noch ausgeprägter als bei den normal ernährten Kontrollen. Auch die Ketokörperkonzentration und der Quotientβ-HOB/AcAc nehmen in der Leber und im Blut stärker zu als bei Normaltieren.

6. Die Hemmung der Ausschüttung der lipolytisch wirksamen Catecholamine durch Adrenalektomie oder Gabe vonβ-Receptorenblockern vermindert die alkoholinduzierte Triglycerideinlagerung in die Leber. Stoffwechseländerungen durch die Alkoholoxydation selbst, wie der Anstieg der Quotienten Lactat/Pyruvat und NADH/NAD in der Leber entsprechen dabei den Befunden der Kontrolltiere.

7. Über 12 Std dauernde Alkoholeinwirkung führt bei Ratten, die Standardkost erhielten zu einer deutlichen Zunahme langkettiger Acyl-Co-Ester in der Leber. Bei proteinarm ernährten Ratten ist die Akkumulation langkettiger Acyl-CoA-Ester in der Leber unter Äthanol noch erheblich ausgeprägter. In den beiden Fällen erfolgt die Zunahme auf Kosten von freiem CoA. Die starke Zunahme des Gehaltes an Acetyl-CoA-Ester läßt eine „feed-back“-Hemmung der Fettsäuresynthese am Ort der Acetyl-CoA-Carboxylase vermuten.

8. Bei hyperthyreoten Ratten ist die Oxydationskapazität fürα-Glycerophosphat (α-GP) um eine Größenordnung gegenüber Normaltieren erhöht. Diese Stoffwechseländerung bietet eine Möglichkeit, den Einfluß vonα-GP auf die Triglycerideinlagerung zu untersuchen, daα-GP rascher oxydiert wird und für die Triglyceridsynthese weniger zur Verfügung steht. Wie zu vermuten, wird der Anstieg desα-GP-Gehaltes in der Leber nach Alkoholgabe durch Hyperthyreose vermindert. Gleichzeitig ist die Triglycerideinlagerung durch Äthanol deutlich geringer als bei euthyreoten Tieren.

9. Beim Menschen verhalten sich die Redoxquotienten Lactat/Pyruvat,β-HOB-AcAc, sowie weitere Stoffwechseleffekte, im Blut nach oraler Alkoholgabe analog den bei den Tierversuchen beobachteten Veränderungen.

10. Aus den Ergebnissen wird geschlossen, daß akute Alkoholzufuhr nicht zu einer gesteigerten Fettsäuresynthese in der Leber führt. Die Fettsäuren für die akute alkoholinduzierte Triglycerideinlagerung stammen wahrscheinlich vorwiegend aus dem peripheren Fettgewebe, wo sie durch indirekte Alkoholeinwirkung vermehrt freigesetzt werden. Der starke Anstieg desα-GP-Gehaltes ist zusammen mit dem vermehrten Fettsäureangebot entscheidend für die bevorzugte Triglyceridsynthese.