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Der Stoffwechsel des menschlichen Herzens unter dem Einfluß von Insulin

II. Untersuchungen über die myokardiale Aufnahme von Glucose, Lactat und Pyruvat

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Zusammenfassung

Der Einfluß von Insulin bzw. Insulin und Glucose auf den Kohlenhydratstoffwechsel des menschlichen Herzens wurde an insgesamt 34 Patienten mit angeborenen und erworbenen Herzfehlern im Rahmen diagnostischer Herzkatheterisationen untersucht.

Nach isolierter Insulinverabreichung (0,2 E/kg) lassen sich eine Abnahme der Glucosekonzentration sowie eine Steigerung des Lactat- und Pyruvatgehaltes im arteriallen Blut beobachten. Die arteriocoronarvenösen Differenzen, prozentualen Extraktionen und myokardialen Utilisationen dieser Substrate sowie deren Beteiligung am O2-Verbrauch finden sich gegenüber dem Ausgangswert deutlich erhöht.

Unter dem Einfluß von Insulin (0,1 E/kg) und Glucose (1 g/min) steigt der Blutzuckergehalt auf das Doppelte des Ausgangswertes an. Die arteriellen Konzentrationen von Lactat und Pyruvat zeigen ein ähnliches Verhalten wie nach isolierter Insulinverabreichung. Sowohl 20 als auch 30 min nach Infusionsbeginn sind Aufnahme, Verbrauch und O2-Extraktionsquotient aller Kohlenhydrate deutlicher erhöht als nach alleiniger Insulingabe.

Der Anteil aller Kohlenhydrate am myokardialen O2-Verbrauch, der normalerweise bei etwa 35% liegt, erfährt nach isolierter Insulinverabreichung eine Steigerung auf mehr als das Doppelte und bei kombinierter Insulin-Glucoseeinwirkung auf annähernd das Vierfache.

Somit führt Insulin nicht nur in der Peripherie, sondern auch am Herzen zu einer bedeutenden Zunahme der Kohlenhydrataufnahme und -verwertung. Dabei werden Lactat und Pyruvat weitgehend in Relation zum arteriellen Angebot extrahiert, während dieses für Glucose keine Bedeutung hat. Der Herzmuskel stellt sich aber nicht auf reine Kohlenhydratverwertung um, wie der respiratorische Quotient unter 1 beweist. Da der Anteil der Kohlenhydrate am O2-Verbrauch stärker zunimmt, als es dem respiratorischen Quotienten entspricht, und der Gesamtsauerstoffextraktionsquotient über 100% anwächst, müssen im Herzmuskel unter dem Einfluß von Insulin Speicherungsvorgänge stattfinden. Diese werden ebenso wie der oxydative Abbau der Kohlenhydrate noch intensiviert, wenn mit Insulin gleichzeitig Glucose gegeben wird, da die Insulinwirkung bei erhöhtem Blutzucker keine Beeinträchtigung durch reaktiv ausgeschüttetes Adrenalin erfährt.

Summary

The effects of insulin and of insulin combined with glucose on the carbohydrate metabolism were determined during diagnostic heart catheterisations in a total of 34 patients with congenital and acquired heart diseases.

Following isolated insulin administration (0.2 U/kg) a diminution of glucose concentration and a rise in lactate and pyruvate content of the arterial blood are observed. The arterio-coronaryvenous difference, the percentual extraction, the myocardial utilisation and the O2-extraction ratios of the substrates show a marked elevation from initial levels.

Under the influence of insulin (0.1 U/kg) and glucose (1 g/min) the blood sugar rises to double levels. The arterial concentrations of lactate and pyruvate show reactions similar to those found following isolated insulin administration. Twenty and thirty minutes after the infusions have started the uptake, utilisation and oxygen extraction ratio of all carbohydrates are more distinctly increased than after insulin application alone.

The myocardial oxygen extraction ratio of all carbohydrates which is normally about 35 per cent more than doubles after isolated insulin administration and rises to nearly four times the initial levels under combined insulin-glucose influence.

Insulin thus causes a marked rise of carbohydrate uptake and utilisation not only in the periphery but also in the myocardium. The myocardial lactate and pyruvate extraction depends mainly on the arterial concentration whereas the glucose uptake is not relative to the arterial blood sugar content. The heart muscle, however, does not adjust to sole carbohydrate usage, as reflected by a respiratory quotient below one. The disproportionately high oxygen extraction ratio of carbohydrates in relation to the respiratory quotient and an oxygen extraction ratio of all substrates over 100 per cent indicate that storage of substrates must take place in the myocardium under the influence of insulin. This storage and the oxydative degradation of carbohydrates are further intensified when glucose and insulin are administered simultaneously because due to the raised blood sugar the action of insulin is not inhibited by reactive adrenalin secretion.

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Literatur

  1. Ashmore, J., andL. Carr: Action of insulin on carbohydrate metabolism. In: Actions of hormones on molecular processes, edit. byG. Litwack undD. Kritchevsky. New York-London-Sydney: J. Wiley & Sons, Inc. 1964.

    Google Scholar 

  2. Beigelman, P. M., andPh. Hollander: Effects of hormones upon adipose tissue membrane electrical potentials. Proc. Soc. exp. Biol. (N. Y.)116, 31 (1964).

    Google Scholar 

  3. Beloff-Chain, A., R. Catanzaro, E. B. Chain, I. Masi, F. Pocchiari, andC. Rossi: The influence of insulin on carbohydrate metabolism in the isolated diaphragm muscle of normal and alloxan-diabetic rats. Proc. roy. Soc.143, 481 (1954).

    Google Scholar 

  4. Bernsmeier, A., u.W. Rudolph: Myokardstoffwechsel. Verh. dtsch. Ges. Kreisl.-Forsch.27, 59 (1961).

    Google Scholar 

  5. —— —— Neue Ergebnisse über Durchblutung und Substratversorgung des menschlichen Herzens. Münch. med. Wschr.104, 46 (1962).

    Google Scholar 

  6. —— —— Koronardurchblutung, Sauerstoffverbrauch und Substratversorgung des menschlichen Herzens. Forum cardiol.5, 6 (1962).

    Google Scholar 

  7. Bing, R. J.: Cardiac metabolism. Physiol. Rev.45, 171 (1965).

    PubMed  Google Scholar 

  8. Bleehen, N. M., andR. B. Fisher: The action of insulin in the isolated rat heart. J. Physiol. (Lond.)123, 260 (1954).

    PubMed  Google Scholar 

  9. Bücher, Th., u.M. Klingenberg: Wege des Wasserstoffs in der lebendigen Organisation. Angew. Chem.70, 552 (1958).

    Google Scholar 

  10. --R. Czock, W. Lamprecht u.E. Latzko: Methoden der enzymatischen Analyse, S. 253. Weinheim 1962.

  11. Chain, E. B.: Recent studies on carbohydrate metabolism. Brit. med. J.1959, 719.

  12. Clausen, T.: The relationship between the transport of glucose and cations across cell membranes in isolated tissues. II. Effects of K+-free medium, ouabain and insulin upon the fate of glucose in rat diaphragm. Biochim. biophys. Acta (Amst.)120, 361 (1966).

    PubMed  Google Scholar 

  13. Cruickshank, E. W. H., andD. L. Shrivastava: The action of insulin on the storage and utilisation of sugar by the isolated normal and diabetic heart. Amer. J. Physiol.92, 144 (1930).

    Google Scholar 

  14. Edelman, P. M., andI. L. Schwartz: Subcellular distribution of I131-insulin in striated muscle. Amer. J. Med.40, 695 (1966).

    PubMed  Google Scholar 

  15. Evans, J. R., L. H. Opie, andA. E. Renold: Pyruvate metabolism in the perfused rat heart. Amer. J. Physiol.205, 971 (1963).

    PubMed  Google Scholar 

  16. Exton, J. H., L. S. Jefferson, Jr., R. W. Butcher, andCh. R. Park: Gluconeogenesis in the perfused liver. The effects of fasting, alloxan diabetes, glucagon, epinephrine, adenosine 3′,5′-monophosphate and insulin. Amer. J. Med.40, 709 (1966).

    PubMed  Google Scholar 

  17. Fisher, R. B., andD. B. Lindsay: The action of insulin on the penetration of sugars into the perfused heart. J. Physiol. (Lond.)131, 526 (1956).

    PubMed  Google Scholar 

  18. ——, andP. Zachariah: The mechanism of uptake of sugars by the rat heart and the action of insulin on this mechanism. J. Physiol. (Lond.)158, 73 (1961).

    PubMed  Google Scholar 

  19. --, andJ. O. Brien: Effects of insulin on the glucose metabolism of the heart. Biochem. J.100, 18 p. (1966).

  20. Foà, P. P., M. Melli, C. K. Berger, D. Billinger, andG. G. Guidotti: Action of insulin on chick embryo heart. Fed. Proc.24, 1046 (1965).

    PubMed  Google Scholar 

  21. Fritz, I. B.: Effects of insulin on glucose and palmitate metabolism by resting and stimulated rat diaphragm. Amer. J. Physiol.198, 807 (1960).

    PubMed  Google Scholar 

  22. Ganong, W. F.: Review of medical physiology. Lange Medical Publ. 1967.

  23. Garratt, C. J., J. S. Cameron, andG. Menzinger: The association of (131)Jodo-insulin with rat diaphragm muscle and its effect on glucose uptake. Biochim. biophys. Acta (Amst.)115, 179 (1966).

    PubMed  Google Scholar 

  24. McGinty, D. A.: Studies on the coronary circulation. I. Absorption of lactic acid by the heart muscle. Amer. J. Physiol.98, 244 (1931).

    Google Scholar 

  25. Glaviano, V. V.: Distribution and gradiant of lactate between blood and heart muscle. Proc. Soc. exp. Biol. (N. Y.)118, 1155 (1965).

    Google Scholar 

  26. Goodale, W. T., R. E. Olson, andD. B. Hackel: The effect of mild diabetes and insulin on heart muscle metabolism in man. J. clin. Invest.30, 642 (1951).

    Google Scholar 

  27. —— —— —— The effect of fasting and diabetes mellitus on myocardial metabolism in man. Amer. J. Med.27, 212 (1959).

    PubMed  Google Scholar 

  28. Gourley, D. R. H., andM. D. Bethea: Insulin effect on adipose tissue sodium and potassium. Proc. Soc. exp. Biol. (N. Y)115, 821 (1964)

    Google Scholar 

  29. Griggs, D. M. Jr., S. Nagano, J. G. Lipana andP. Novack: Myocardial lactate oxidation in situ and the effect thereon of reduced coronary flow. Amer. J. Physiol.211, 335 (1966)

    PubMed  Google Scholar 

  30. Grodsky, G. M., andL. L. Bennet: Insulin secretion from the isolated pancreas in absence of insulinogenesis: effect of glucose. Proc. Soc. exp. Biol. (N. Y.)144, 769 (1963).

    Google Scholar 

  31. Gudbjarnason, S., andR. J. Bing: The redox-potential of the lactate-pyruvate system in blood as an indicator of the functional state of cellular oxidation. Biochim. biophys. Acta (Amst.)60, 158 (1962).

    PubMed  Google Scholar 

  32. ——, andY. E. Wendt: Oxidation reduction in heart muscle. Theoretical and clinical considerations. Circulation24, 937 (1962).

    Google Scholar 

  33. Hackel, D. B.: Effect of insulin on cardiac metabolism of intact normal dogs. Amer. J. Physiol.199, 1135 (1960).

    PubMed  Google Scholar 

  34. Harper, H. A.: Review of physiological chemistry. Lange Medical Publ. 1965.

  35. Hirche, Hj., u.G. Röhner: Änderungen der Substrataufnahme des Herzmuskels bei induzierten Änderungen der arteriellen Substratkonzentrationen. Pflügers Arch. ges. Physiol.278, 408 (1963).

    Google Scholar 

  36. Hohorst, H. J.: L-(+)-Lactat-Bestimmung mit Lactat-Dehydrogenase und DPN. Methoden der enzymatischen Analyse, S. 266. Weinheim 1962.

  37. Keul, J., H. Krauss, W. Overbeck, E. Doll u.U. Fleer: Beziehungen zwischen arterieller Substratkonzentration und arteriovenöser Differenz beim keine Arbeit leistenden menschlichen Herzen. Klin. Wschr.42, 898 (1964).

    PubMed  Google Scholar 

  38. —— u.H. Reindell: Über den Stoffwechsel des Herzens bei Hochleistungssportlern. Das Verhalten der arteriovenösen Differenzen von Aminosäuren und Ammoniak in Ruhe, während und nach körperlicher Arbeit. Klin. Wschr.44, 881 (1966).

    PubMed  Google Scholar 

  39. Krahl, M. E.: The action of insulin on cells. New York: Academic Press, Inc. 1961.

    Google Scholar 

  40. Krasnow, N., W. A. Neill, J. V. Messer, andR. Gorlin: Myocardial lactate and pyruvate metabolism. J. clin. Invest.41, 2075 (1962).

    PubMed  Google Scholar 

  41. Kübler, W., H. J. Bretschneider, W. Voss, H. Gehl, F. Wenthe u.J. L. Colas: Über die Milchsäure-und Brenztraubensäurepermeation aus dem hypothermen Myocard. Pflügers Arch. ges. Physiol.287, 203 (1966).

    Google Scholar 

  42. Levine, R.: Cell membrane as a primary site of insulin action. Fed. Proc.24, 1071 (1965).

    PubMed  Google Scholar 

  43. —— The action of insulin at the cell membrane. Amer. J. Med.40, 691 (1966).

    PubMed  Google Scholar 

  44. Matsumoto, Sh.: Metabolism of the heart muscle effects of epinephrine, insulin and hydrocortisone on the14C-labeled glucose and palmitate-1-14C metabolism of the normal rat heart muscle. Jap. Heart J.4, 131 (1963).

    PubMed  Google Scholar 

  45. Morgan, H. E., H. J. Henderson, D. M. Regen, andC. R. Park: The effects of insulin and anoxia on glucose transport and phosphorylation in the isolated, perfused heart of normal rats. J. biol. Chem.236, 253 (1961).

    PubMed  Google Scholar 

  46. ——, andC. R. Park: Identification of a mobile carrier-mediated sugar transport system in muscle. J. biol. Chem.239, 369 (1964).

    PubMed  Google Scholar 

  47. ——, andC. R. Park: Factors affecting glucose transport in heart muscle and erythrocytes. Fed. Proc.24, 1040 (1965).

    PubMed  Google Scholar 

  48. Mortimore, G. E.: Effect of insulin on release of glucose and urea by isolated rat liver. Amer. J. Physiol.204, 699 (1963).

    Google Scholar 

  49. Newsholme, E. A., andP. J. Randle: Regulation of glucose uptake by muscle. Effects of anoxia, insulin, adrenaline and prolonged starving on concentrations of hexose phosphates in isolated rat diaphragm and perfursed isolated rat heart. Biochem. J.80, 655 (1961).

    PubMed  Google Scholar 

  50. —— —— Regulation of glucose uptake by muscle Effects of fatty acids, ketone bodies and pyruvate, and of alloxan diabetes, starvation, hypophysectomy and adrenalectomy, on the concentrations of hexose phosphates, nucleotides and inorganic phosphate in perfused rat heart. Biochem. J.93, 641 (1964).

    PubMed  Google Scholar 

  51. Olson, R. E.: “Excess lactate” and anaerobiosis. Ann. intern. Med.59, 960 (1963).

    PubMed  Google Scholar 

  52. Opie, L. H., J. C. Shipp, J. R. Evans, andB. Leboeuf: Metabolism of glucose-U-14C in perfused rat heart. Amer. J. Physiol.203, 839 (1962).

    PubMed  Google Scholar 

  53. Pearson, O. H., A. B. Hastings, andH. Bunting: Metabolism of cardiac muscle. Utilisation of14C-labeled pyruvate and acetate by rat heart slices. Amer. J. Physiol.158, 251 (1949).

    Google Scholar 

  54. Picard, J.: Mécanisme d'action de l'insuline. Vie méd.44, 45 (1963).

    Google Scholar 

  55. Post, R. L., H. E. Morgan, andC. R. Park: The interaction of membrane transport and phosphorylation in the control of glucose uptake. J. biol. Chem.236, 269 (1961).

    PubMed  Google Scholar 

  56. Randle, P. J.: The hormone, edit. byG. Pincus, K. V. Thiemann, E. B. Astwood, vol. 4, p. 481. New York: Academic Press, Inc. 1964.

    Google Scholar 

  57. Reeves, R. B.: Control of glycogen utilisation and glucose uptake in the anaerobic turtle heart. Amer. J. Physiol.205, 23 (1963).

    PubMed  Google Scholar 

  58. Rieser, P.: Insulin, membranes, and metabolism. Baltimore: Williams & Wilkins Company 1967.

    Google Scholar 

  59. Rudolph, W., D. Maas, J. Richter, F. Hasinger, H. Hofmann u.P. Dohrn: Über die Bedeutung von Acetacetat undβ-Hydroxybutyrat im Stoffwechsel des menschlichen Herzens. Klin. Wschr.43, 445 (1965).

    PubMed  Google Scholar 

  60. Rudolph, W., R. Diezel, F. Sebening u.G. Dietze: Der Einfluß von Adrenalin auf den Stoffwechsel des menschlichen Herzens. I. Untersuchungen über Koronardurchblutung, Sauerstoffaufnahme und Kohlendioxydabgabe des Myokards. Ärztl. Forsch.3, 82 (1968).

    Google Scholar 

  61. —— —— Der Einfluß von Adrenalin auf den Stoffwechsel des menschlichen Herzens. II. Untersuchungen über die myokardiale Aufnahme von Glukose, Laktat, Pyruvat, nicht veresterten Fettsäuren und Aminosäuren. Ärztl. Forsch.3, 90 (1968).

    Google Scholar 

  62. --, u.G. Hauer: Der Stoffwechsel des menschlichen Herzens unter dem Einfluß von Insulin. I. Untersuchungen über Koronardurchblutung, Sauerstoffaufnahme und Kohlendioxydabgabe des Myokards. (Im Druck.)

  63. Shreeve, W. W.: Effects of insulin on the turnover of plasma carbohydrates and lipids. Amer. J. Med.40, 724 (1966).

    PubMed  Google Scholar 

  64. Slein, M. W.: D-Glukose, Bestimmung mit Hexokinase und Glukose-6-phosphat-Dehydrogenase. Methoden der enzymatischen Analyse, S. 117. Weinheim 1962.

  65. Snyder, P. J., andG. F. Cahill Jr.: Selective effect of Insulin on glucose-4-14C metabolism in rabbit liver slices. Amer. J. Physiol.209, 616 (1965).

    PubMed  Google Scholar 

  66. Ungar, J., M. Gilbert, A. Siegel, J. M. Blain, andR. J. Bing: Studies on myocardial metabolism. IV. Myocardial metabolism in diabetes. Amer. J. Med.18, 385 (1955).

    PubMed  Google Scholar 

  67. Vester, J. W., andM. L. Reino: Hepatic glucokinase: a direct effect of insulin. Science142, 590 (1963).

    PubMed  Google Scholar 

  68. Villar-Palasi, C., andJ. Larner: Insulin-mediated effect on the activity of UDPG-glycogen-transglycosylase of muscle. Biochim. biophys. Acta (Amst.)39, 171 (1960).

    PubMed  Google Scholar 

  69. Watts, D. J., andP. J. Randle: Evidence for the existence of a pyruvate permease in rat heart muscle. Biochem. J.104, 51 (1967).

    Google Scholar 

  70. Weber, G., N. B. Stamm, andE. A. Fisher: Insulin: inducer of pyruvate kinase. Science149, 65 (1965).

    PubMed  Google Scholar 

  71. Williamson, J. R.: Effects of insulin and diet on the metabolism of L(+)-lactate and glucose by the perfused rat heart. Biochem. J.83, 377 (1962).

    PubMed  Google Scholar 

  72. —— Effects of insulin and starvation on the metabolism of acetate and pyruvate by the perfused rat heart. Biochem. J.93, 97 (1964).

    PubMed  Google Scholar 

  73. ——, andR. A. Kreisberg: Effect of insulin on the levels of oxidized and reduced nicotinamide-adenine dinucleotides in the perfused rat heart. Biochim. biophys. Acta (Amst.)97, 347 (1965).

    PubMed  Google Scholar 

  74. Zierler, K. L.: Effect of insulin on potassium efflux from rat muscle in the presence and absence of glucose. Amer. J. Physiol.198, 1066 (1960).

    PubMed  Google Scholar 

  75. —— Theory of the use of arteriovenous concentration differences for measuring metabolism in steady and non-steady states. J. clin. Invest.40, 2111 (1961).

    Google Scholar 

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Authors and Affiliations

  1. Kardiologische Abteilung der II. Medizinischen Klinik der Universität München, Germany

    W. Rudolph, G. Hauer & G. Dietze

Authors
  1. W. Rudolph
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  2. G. Hauer
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  3. G. Dietze
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Rudolph, W., Hauer, G. & Dietze, G. Der Stoffwechsel des menschlichen Herzens unter dem Einfluß von Insulin. Klin Wochenschr 47, 814–824 (1969). https://doi.org/10.1007/BF01882309

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