POGÁTSA GÁBOR
ÖSSZEFOGLALÓ KÖZLEMÉNYEK
A szívizomanyagcsere sajátosságai cukorbetegségben
Kulcsszavak: szívizomanyagcsere, cukorbetegség, ischaemia, reperfusio, inzulin, zsírsavak, glucolysis, pyruvatdehydrogenase Összefoglalás: cukorbetegségben az anyagcsere egész szervezetre kiterjedô zavara fokozottan érvényesül a szívizomanyagcsere összetett, rendkívül intenzív folyamataiban, mint a glycolysisben, pyruvatégésben, tejsavfelvételben, valamint a fokozottan zsírsavfüggô energiaellátásban. A magas szabadzsírsavszint és a fokozott zsírsavégés a szívizomösszehúzódás károsodásához, az arrhythmia hajlam fokozódásához vezet. Tehát a cukorbetegségben gyakrabban elôforduló szívelváltozások létrejöttében a szívizomanyagcsere diabeteses sajátosságainak meghatározó szerepe van. Ezek az elváltozások eredményesen kezelhetôk. Az anyagcserezavar tartós rendezésével jelentôsen javítható a károsodott kamramûködés. Inzulinnal csökkenthetô a periferiás lipolysis és szabadzsírsavszint. Trimetazidinnel vagy ranolazinnal gátolható a β-oxidatio. Oxfenicinnel mérsékelhetô a carnitin-palmitoyltransferase-I enzym mûködése. Carnitinnel csökkenthetô a mitochondriumokban az acetyl-coenzym-A szint. Ésszerû, tehát ezeknek az anyagcserezavarokat mérséklô gyógyszereknek az alkalmazása heveny szívizominfarctusban az irreversibilis szívizomkárosodás csökkentésére, a kamramûködés javítására. Keywords: myocardial metabolism, diabetes mellitus, ischaemia, reperfusio, insulin, fatty acids, glycolysis, pyruvate dehydrogenase Abstract: It became more and more evident that diabetic cardiac diseases are not a simple consequence of coronary vascular disease and metabolic specific alterations play an important and central role in their development. Namely, myocardial metabolism is complex and extremely intensive. In diabetes it is tied to the systemic metabolic abnormalities of the disease. Therefore, alterations in glycolysis, pyruvate oxidation and lactate uptake, as well as a greater dependency of energy production on fatty acids have determinant effects in the development of diabetic heart diseases. Peripheral lipolytic rate and plasma free fatty acid level could been suppressed with insulin, trimetazidine and ranolazine inhibit directly ß-oxidation, oxifenicine inhibits carnitine-palmitoyltranferase and intramitochondrial acetyl-coenzyme-A level could been depressed with carnitine. As a result, there is a clear rationale for using this approach to improve contractile function and decrease irreversible damage following acute myocardial infarction.
Munkahely: Gottsegen György Országos Kardiológiai Intézet, Budapest Levelezési cím: Prof. Dr. Pogátsa Gábor Gottsegen György Országos Kardiológiai Intézet, Kutatási Osztály 1450 Budapest, Postafiók 88.
CARDIOLOGIA HUNGARICA 2000;2: 73–80.
Egészséges körülmények között a szívizom energiaszükségletét az adenosintriphosphat (ATP) biztosítja, amely 60-90%-ban a zsírsavak égésébôl, 10-40%-ban a glycolysisbôl és tejsavfelvételbôl képzôdô pyruvatégés révén termelôdik újra (1. ábra) – mitochondrialis oxidatív foszforiláció útján (2. ábra). Szívizomischaemiában súlyosan károsodik a szívizom tápanyagfelvétele, fôleg a fokozott tejsavképzôdés és csökkent pyruvatégés következtében. Különösen nyilvánvaló ez a károsodás az ischaemiát követô reperfusio alatt, amikor a gyorsan normalizálódó oxigenfelvétel ellenére [24] a pyruvatégés és a szívizomzat összehúzódása még csökkent, a zsírsavégés azonban aránytalanul magas [38, 40]. Cukorbetegségben még ischaemia fennállása nélkül is csökken a szívizom glucose- és tejsavfelvétele, viszont nagyobb a zsírsavak és ketontestek felhasználása [40], mint egészséges anyagcseréjû egyénekben. Ez az anyagcserezavar az oka a cukorbetegségben gyakrabban elôforduló balkamra dysfunkciónak, mindenekelôtt a relaxatiós zavarnak. Az irodalmi áttekintés célja a cukorbetegségben megváltozott ATP termelés energiaforrásainak és a diabeteses szívizom anyagcsere-sajátosságainak ismertetése a kezelés legcélravezetôbb megválasztása érdekében. A glucose-transport és a glycolysis szerepe Cukorbetegségben csökkent a szívizom glucose és tejsav felvétele, magas a szabadzsírsav és ketontest felhasználása, 73
1. ábra A szívizom anyagcsereútjának vázlata GLUT = glucose transporter GLUT-1 és GLUT-4 G-6-P = glucose-6-phosphat LT = tejsav transporter CPT-I = carnitin palmitoyltranferase-I PDHa = aktivált defoszforilált pyruvatdehydrogenase TCA kör = Szentgyörgyi-Krebs kör
2. ábra A Szentgyörgyi-Krebs féle tricarboxyl illetve citrát kör. A citrátkörben a vegyületek mellett található „C” betûk indexben levô számai az adott vegyület szénatomjainak számát jelzik. P = -H2PO4 (foszfátgyök) Fp = flavoprotein CoQ = coenzym-Q (ubichinon) Cyt = cytochrom
A három fô tápanyag (szénhydrátok, zsírok, fehérjék) elégetése azonos reakciósorozatokon keresztül megy végbe. A tápanyagok hidrogénjeit dehydrogenase enzymek hidrogénátvivô coenzymhez kötik, majd ezek a hidrogének – függetlenül attól, hogy mely tápanyagokból származnak – az oxidációs anyagcserecsatorna multienzymrendszerén áthaladva a levegô molekuláris oxigenjével vízzé alakulnak. A tápanyagok szénatomjait pedig túlnyomó részben a decarboxylase enzymek széndioxiddá égetik. A tápanyagok közös elégetési ábrájának felsô harmada a tápanyagok elbomlását szemlélteti két szénatomos aktív ecetsavvá (acetyl-CoA). Látható, hogy a zsírsavak ß-oxidációval közvetlenül aktív ecetsavvá bomlanak, miközben a zsírsavakról hidrogénatomok kerülnek a NAD+ és flavinprotein (Fp) coenzymre. A szénhydrátok glucose-n keresztül pyruváttá bomlanak, miközben makroerg foszfátgyök is keletkezik és hidrogénatomok jutnak a NAD+ coenzymre. Az ábra középsô harmada a citrátkört tünteti fel, amelyben a kétszénatomos aktív ecetsav a citrátkör meghatározott tagjával, a négyszénatomos oxálecetsavval hatszénatomos citráttá egyesül. A citrát azután körfolyamatban kétszeri decarboxylálással visszaalakul oxálecetsavvá, miközben négy mole+ kula redukált coenzym (3 NADN.H + 1 FADH2) és egy-egy molekula makroerg foszfátgyök képzôdik. Az ábra alsó harmada a sejtlégzést, egyrészt annak terminalis oxidáció láncát szemlélteti, ahol a hidrogénátvivô coenzymek (NADN.H+, FADH2) a redox-lánc egyik csomópontján (CoQ) leadják elektronjukat, amelyet a lánc további tagjai a molekuláris oxigenre visznek. Közben a hidrogénatomoknak vízzé égésekor több lépcsôben, fokozatosan felszabaduló energiája beépül a makroerg foszfátgyökbe és az oxidatív foszforiláción – vagyis a sejtlégzés másik láncának négy lépcsôjén – keresztül ATP képzôdik.
74
CARDIOLOGIA HUNGARICA 2000;2: 73–80.
továbbá kimutatható a pyruvátégés zavara mind ischaemiás [10], mind normális [4] viszonyok között. Diabetesben a mérsékelt glucose-felvétel oka javarészt a szívizomsejtek membránjában található GLUT-1 és GLUT-4 glucose transporterek, valamint a monoribonucleinsavak szintjének csökkenése [11, 14, 37], amely inzulinkezeléssel [11] és fokozott fizikai tevékenységgel [14] javítható. Cukorbetegségben a magas citrátszint, továbbá az ATP/ADP (adenosintriphosphat/adenosindiphosphat) és a NADH/NAD+ (redukált nicotinsavamid-adenin-dinucleotid/nicotinsavamid-adenin-dinucleotid) arányának emelkedése gátolja a phosphofructokinase enzym mûködését [6], amely a fructose-6-phosphat átalakulását katalizálja fructose-1,6-diphosphattá. Ezenkívül a megnövekedett zsírsavégés is megemeli mind a fructose-6-phosphat, mind a glucose-6-phosphat-szintjét. Így a glucose-6-phosphat sejten belüli felszaporodása és a fructose-1,6-diphosphat/fructose-6-phosphat arány csökkenése [15] következtében lassul a glycolysis a diabeteses szívizomban [42]. Ez a cukorbetegségben csökkent glycolysis elônyös lehet ischaemia és reperfusio esetén, annak ellenére, hogy a pyruvatégés károsodik. Ischaemia és reperfusio esetén ugyanis nagymértékben megnövekszik az anaerob glycolysis, amely a fokozott tejsavképzôdés által veszélyezteti a postischaemiás szívizom feléledését illetve szívizomsejt túlélését [10]. Kevésbé súlyos ischaemiában azonban ez a lelassult glycolysis nem mindig kedvezô [22]. Cukorbetegségben a SzentgyörgyiKrebs (tricarbonsav, vagy citrát) kör (2. ábra) alacsony szállítási képessége ismert. Tisztázatlan azonban, hogy a citrátok hogyan szabályozzák a phosphofructokinase enzym mûködését a szívizom mitochondriumaiban [5]. Az inzulinés tápanyagkínálat szerepe A vérben alacsony inzulinkoncentráció, továbbá a magas glucose-, szabadzsírsav- és ketontest (β-hydCARDIOLOGIA HUNGARICA 2000;2: 73–80.
roxyvajsav, acetecetsav)-szint drámai változást idéz elô még a nem diabeteses szívizomzat anyagcseréjében is [38]. Ezért igen nehéz megítélni – különösen „in vivo” – magának a cukorbetegségnek a szívizomanyagcserére kifejtett, az inzulin- és tápanyagszintektôl független, közvetlen hatását. Ahhoz, hogy a diabeteses és nem-diabeteses szív közötti különbséget meg tudjuk állapítani, ismernünk kellene, hogy miben különbözik azok viselkedése normo- és hyperglycaemiás körülmények között, illetve alacsony, normális és magas inzulinszintek esetén, valamint normális és magas szabadzsírsavszintek mellett. Ezenkívül, kisebb vagy nagyobb mértékben a kísérleti körülmények is befolyásolják a megfigyelések megbízhatóságát. A cukorbetegségben eleve fennálló magas vércukorszint – amely már önmagában fokozza a nem diabeteses szívizomzat glucose-felvételét mind normális, mind ischaemiás körülmények között [13] – segíti kiegyelíteni a szívizomzat csökkent glucose-felvételi képességét. Ez a jelenség a sejten kívüli tér megnövekedett glucoseszintjének és a sarcolemma-membránon átáramló, megnövekedett glucose mennyiségének köszönhetô. A magas vércukorszint kiegyenlítô hatása a magyarázata, hogy a nem cukorbeteg, normális vércukorszintû állatok szívizomzatának glucose-felvételét összehasonlítva a cukorbeteggé tett, magas vércukorszintû állatokéval, nem észlelhetô különbség a glucose-felvétel mértékében sem a normál aerob körülmények között, sem a szívizomzat vérátáramlásának 60%-os csökkentése esetén. Ez annak ellenére is fennáll, hogy a cukorbeteggé tett állatokban jelentôsen csökken a GLUT-1 és a GLUT-4 fehérjék szintje [13, 14]. Az ellentmondást az oldja fel, hogy az inzulintól nem függô glucose-felvétel a magas vércukorszint miatt, a hexoseamin út aktiválódása révén ugyanakkor fokozódik. Amennyiben a nem cukorbeteg állatok vércukorszintjét viszont azáltal emeljük, hogy somatostatin infusioval felfüggesztjük inzulinelválasztásukat, glucose-
felvételük lényegesen magasabb lesz az azonos vércukorszintû, cukorbeteggé tett állatokhoz képest [13]. Ez a megfigyelés is arra utal, hogy cukorbetegségben a sarcolemma membránon keresztül zajló, csökkent glucose-felvételi képességet az emelkedett vércukorszint részben ellensúlyozni tudja. Tehát kezeletlen, vagy rosszul beállított cukorbetegségben azért emelkedik a plazma szabadzsírsavszintje, mert az inzulin alacsony koncentrációja miatt csökken a zsírsejtek lipolysisének gátlása. Az emelkedett szabadzsírsavszint pedig visszacsatolás útján gátolja a szívizomzat glucose- és tejsavfelvételét, valamint azok égését [34, 41]. A szabadzsírsavégés mérséklése viszont – kísérletesen a plazma szabadzsírsavszint csökkentése vagy gyógyszeresen a carnitin-palmitoyl-transferase-I gátlása révén – a szívizomzat glucose- és tejsavégésének fokozódásához vezet (1. ábra). Tehát, cukorbetegségben a glucosefelvétel és -égés károsodásáért az alacsony inzulinszint következtében fokozódó lipolysis a felelôs [33]. A fokozott zsírsavégés következtében pedig intramitochondriálisan megemelkedik az acetyl-coenzym-A (acetyl-CoA) szint, amely gátolja a glucose- és tejsavégésbôl származó pyruvat elbomlását ugyancsak acetylCoA-vá (1. ábra). A pyruvatégés módosulásának jelentôsége A szénhydrátok elégésének kulcslépése a pyruvat visszafordíthatatlan decarboxylatio-ja, amelyet a pyruvatdehydrogenase (PDH) enzym katalizál (3.ábra) [15, 16, 26, 33, 4345]. A pyruvatdehydrogenase enzym aktív alakja a defoszforilált forma [16]. Igy a pyruvatégés mértéke ennek az enzymnek a foszforiláltsági fokától függ. Ezt az enzymet két másik enzym szabályozza: A PDH-kinase foszforilálás által csökkenti [33], a PDH-phosphatase pedig defoszforilálás által növeli [43] a pyruvatdehydrogenase enzym aktivitását. A két szabályozó enzym mûködése 75
3. ábra. A pyruvatdehydrogenase enzym mûködésének szabályozása PDH = pyruvatdehydrogenase; PDHa = aktivált, defoszforilált PDH; DCA = dichloroacetat
pedig a pyruvatdehydrogenase en+ zym tápanyagai (pyruvat, NAD ) és termékei (acetyl-CoA, NADH) intramitochondrialis koncentrációjának a függvénye. A PDH-kinase enzym mûködését ugyanis az acetyl-CoA/ + CoA illetve NADH/NAD arány növekedése fokozza, és a pyruvat illetve ADP gátolja [26, 33]. Befolyásolja a PDH-kinase enzym mûködését és ezáltal a pyruvatégést a szabadzsírsavak és ketontestek égésébôl származó intramitochondrialis acetyl-CoA szint is, emelkedett plazma szabadzsírsav- és ketontestszint esetén. A PDH-phosphatase enzym mûködését pedig a kálcium- és magnézium-ion gátolja [26]. Továbbá, közvetlenül gátolja a pyruvat átáramlását a pyruvatdehydrogenase enzymen – és ezáltal a pyruvatégést – az acetyl CoA szintjének bármilyen eredetû emelkedettsége is a mitochondrialis matrixban [4, 6, 10, 42]. Tisztázatlan azonban, hogy a cukorbeteg szív glucose-felvételének csökkenése menynyiben a pyruvatégés romlásának és 76
mennyiben a glucose bomlási folyamatában a visszacsatolás gátlásának a következménye. Diabeteses szívizomban a pyruvatdehydrogenase enzym aktív, defoszforilált alakja jelentôsen csökkent [15, 33], amelynek az inzulin hiánya és a vérben keringô szabadzsírsavak magas szintje is az okozója [44]. A szabadzsírsavak plazmaszintjének és égésének fokozódása ugyanis az acetyl-CoA intramitochondriális szintjének növekedéséhez, és ezáltal a PDH-kinase enzym aktiválódásához vezet, amely inaktívvá foszforilálja a pyruvatdehydrogenase enzymet. Ugyanakkor az intramitochondrialisan felszaporodott acetyl-CoA közvetlenül is gátolja a pyruvatnak az aktív, defoszforilált pyruvatdehydrogenase enzymen keresztül zajló átáramlását [16]. Az aktív (inaktív, vagyis defoszforilált) foszforilált pyruvatdehydrogenase enzymarány azonban akkor is csökkent marad cukorbetegségben, ha az inzulin- és tápanyagszintek meg-
egyeznek a nem-diabeteses szintekkel [20]. Ezt a jelenséget részben az a megfigyelés magyarázza, hogy a glucose-égést aerob átáramlási viszonyok mellett, egészséges szívben az ötszörösére, cukorbeteg szívben ellenben csak a kétszeresére lehet növelni dichloroacetáttal [10]. A pyruvatdehydrogenase enzym mûködése, tehát kisebb mértékben fokozható cukorbeteg szívben, mint egészségesben, feltehetôen a fokozott szabadzsírsavégés által a mitochondiumokban megnövekedett NADH/ NAD+ és acetyl-CoA/CoA értéke miatt. Más adatok szerint, a pyruvatot decarboxyláló enzym mûködése lényegében érintetlen a diabeteses szívben [25], és a PDH-kinase enzymmûködés tartós emelkedése felelôs a pyruvatdehydrogenase csökkent aktiválási képességéért [24]. A PDHkinase hasonló túlszabályozása egyébként tartós éhezéskor is megfigyelhetô [30]. Fontos állatkísérletes megfigyelés továbbá, hogy a zsírsavakkal átáramoltatott diabeteses szívizomzatban a glucose-égés fokozásával a szívizom összehúzódása is fokozódik, ha PDH-kinase enzymet gátló dichloroacetáttal növeljük a pyruvatdehydrogenase enzym mûködését. Ez arra utal, hogy diabetesben a szívizomösszehúzódások erejének csökkenéséért a cukorbetegség okozta pyruvatdehydrogenase enzym gátlása a felelôs [10, 30]. Állatkísérletes megfigyelések továbbá arra utalnak, hogy diabeteses szívizomzatban nem a glycolysis, hanem a pyruvatégetési képesség sérül. Megfigyelték ugyanis, hogy még normalis glucose- és szabadzsírsavszintek esetében is, 20-30%-kal alacsonyabb a pyruvatdehydrogenase enzym mûködése, és károsodott a tejsavfelvétel diabeteses szívizomban, [15]. Továbbá, a szívizomzat összehúzódását és oxigenfelhasználását dobutamin infusioval növelve, az egészséges szív tejsavfelvétele a szívizommunkával arányosan emelkedik, a cukorbeteg szív tejsavfelvétele azonban a szívizommunka fokozásakor sem emelkedik, noha glucose-felvétele és szívizomteljesítménye nem károsodik. CARDIOLOGIA HUNGARICA 2000;2: 73–80.
A szívizomzat zsírsavfelvételének és ellátásának szerepe A szív energiaforrását fôleg a megemelkedett szintû chylomicronból illetve VLD-cholesterinbôl származó zsírsavészterek, valamint az albuminhoz kötött szabadzsírsavak képezik [22]. A chylomicronból származó zsírsavak égése cukorbetegségben csökken [18], mivel csökken a szívizomzatban található, valamint a heparinnal felszabadítható lipoprotein lipase mûködése [34]. Következésképpen a szabadzsírsavak anyagcseréje fokozódik, a lipoproteinné észterezett zsírok anyagcseréje pedig csökken. A keringô zsírsavaknak ez a változása a cukorbeteg szívizom triacylglycerin tartalmának drámai emelkedését idézheti elô [29]. Cukorbetegségben a szívizom magas triacylglycerin tartalma részben a magas szabadzsírsavszintnek [29] és a szívizom megemelkedett CoA tartalmának [23] következménye. A triacylglycerin gyorsan mobilizálható, függetlenül az exogen zsírsavak magas szintjétôl, és égése jelentôsen megemelkedik cukorbetegségben [36]. A glucose-égés még zsírsavak hiányában is igen alacsony a diabetes szívben, és az ATP-szükségletnek kevesebb, mint 20%-át fedezi [36, 42]. Ez arra utal, hogy cukorbetegségben a szívizom lelassult glucose anyagcseréje nem csupán a keringô zsírsavak magas szintjének tulajdonítható, hanem a PDH-kinase enzym túlszabályozottságának is. Így a mitochondriumok zsírsavfelvételének szabályozási zavara nagymértékben hozzájárul a zsírsavégés fokozódásához cukorbetegségben. A mitochondrialis zsírsavfelvétel szerepe A zsírsavak hosszúláncú acyl-CoA észterei három carnitin-függô enzym összehagolt mûködése révén jutnak a mitochondrium matrixába (4. ábra): A carnitin-palmitoyltranferaseI enzym a hosszúláncú acyl-CoA alakulását katalizálja hosszúláncú acylCARDIOLOGIA HUNGARICA 2000;2: 73–80.
4. ábra. A zsírsavfelvétel 5'-AMP-aktivált-protein-kinase és acetyl-coenzym-A-carboxylase enzymek által ellenôrzött útjának vázlata, és annak módosulása cukorbetegségben. Citrát kör = Szentgyörgyi-Krebs féle tricarboxyl vagy citrát kör
carnitinné a mitochondrium belsô és külsô membránja közötti térben. A carnitin-acylcarnitin-translocase enzym a hosszúláncú acyl-carnitint juttatja át a mitochondrium belsô membránján. A carnitin-palmitoyltranferase-II enzym pedig a hosszúláncú acyl-CoA-t regenerálja a mitochondrium matrixában (1. ábra). A kulcsenzym a carnitin-palmitoyltranferase-I, mivel ez szállítja a zsírsavak alkotóelemeit – az acyl-CoA-tól a carnitinig – a mitochondriumba a hosszúláncú acyl-carnitin révén. Állatkísérletek bizonyítják, hogy cukorbetegségben csökken a carnitin-palmitoyltranferase-I enzymet gátló [27] malonyl-CoA szintje, így kisebb annak gátló hatása, és emiatt nô a zsírsavégés sebessége [15, 22]. A szívben a zsírsavégés elsôdleges szabályozója az acetyl-CoA-carboxylase, amelynek két különbözô molekulasúlyú (280 és 265 kDa) változata van. A zsírszövetben a 265 kDa molekulasúlyú forma van túlsúlyban. Itt az acetyl-CoA-carboxylase elsôdleges szerepe a malonylCoA kínálat biztosítása a zsírsavképzés számára [39]. A szívben a 280
kDa molekulasúlyú forma van túlsúlyban. Ennek mûködését a cytoplasmicus acetyl-CoA kínálat határozza meg. Lehet, hogy az acetyl csoportok ki- és bejutása a mitochondriumból – a rövidláncú carnitin közvetítésével – az acetyl-CoA-carboxylase szívben található formájának mûködéséhez szükséges acetyl-CoA képzôdés kulcsforrása. Részleteiben még tisztázatlan, hogy cukorbetegségben is fontos tényezôje-e a cytoplasmaticus acetylCoA kinálat az acetyl-CoA-carboxylase enzym mûködésének a szívben. Annyi azonban bizonyos, hogy cukorbeteg szívben az acetyl-CoA-carboxylase enzym mûködése jelentôsen csökken, de a súlyos anyagcserezavar ellenére sincsen lényeges eltérés az enzym 280 kDa molekulasúlyú formájának monoribonucleinsav szintjében és a 280 kDa, valamint a 265 kDa molekulasúlyú formák fehérje képzôdésében. Az acetyl-CoAcarboxylase mûködésének csökkenése még az acetyl-CoA szintjének telítettsége esetén is kimutatható. Ezek a megfigyelések arra utalnak, hogy az acetyl-CoA-carboxylase 77
mûködéscsökkenésének elsôdleges oka inkább az enzym foszforilációs vagy allostericus szabályozásának a károsodása, mint az acetyl-CoA-carboxylase enzym mûködésének közvetlen megváltozása. A szívizomzat ebben a tekintetben élesen eltér a májés zsírszövettôl, amelyekben az acetyl-CoA-carboxylase hatása drámaian csökken cukorbetegségben [39]. „In vitro” az acetyl-CoA-carboxylase enzymet számos kinase típusú enzym foszforilálja, de mûködésének legfontosabb szabályozója a kinase típusú enzymek közül a cAMPfüggô-protein kinase és a nemrégiben megismert 5'-AMP-aktivált protein kinase [19]. Cukorbetegségben az 5'-AMP-aktivált protein kinase mûködése felerôsödik – feltehetôen az enzymet foszforiláló kinase aktiválására –, aminek következtében az acetyl-CoA-carboxylase enzym foszforilálódik és ezáltal inaktiválódik (4. ábra). Cukorbeteg szívben a malonyl-CoA szintje csökken, következésképpen a carnitin-palmitoyltranferase-I enzym mûködése fokozódik, és ezáltal kifejezettebb lesz a mitochondriumokban a zsírsavfelvétel és zsírsavégés, amellyel viszont párhuzamosan csökken a szénhydrátok égése. Az izomsejtekben az acetylCoA-carboxylase szabályozásában az 5'-AMP-aktivált protein kinase mellett közremûködik még a cAMP-függôprotein kinase is [1]. Tisztázatlan még, hogy cukorbeteg szívben károsodik-e ez a szabályozórendszer, továbbá, hogy a malonyl-CoA képzôdés mérséklôdését az acetyl-CoA kínálat csökkenése és az acetyl-CoA-carboxylase foszforilációjának fokozódása egymást erôsítve együttesen idézi-e elô. A zsírsavégés szerepe a mitochondriumokban Az acetyl-CoA a glucose, a ketontestek és a zsírsavak égésének közös terméke (1. ábra). Tehát az acetyl-CoA egyrészt a pyruvatok dehydrogenizálásából, másrészt a ß-oxidációból keletkezik, majd belép a Szentgyörgyi-Krebs körbe, ahol elég. A zsír78
ból keletkezô, mitochondriumba jutó hosszúláncú acyl-CoA ugyanis a ßoxidációs spirálon (enzymrendszeren) bontódik le acetyl-CoA-vá, úgy, hogy minden egymást követô körben két szénatommal rövidül, miközben egy molekula NADH és egy molekula redukált flavin-adenindinucleotida2 (FADH2) is képzôdik. Cukorbetegségben a ß-oxidációs spirál kulcsenzymjének, a ß-hydroxyacyl-CoA-dehydrogenase enzymnek az aktivitása vagy fokozódik [7] vagy normális marad [12]. A keringô zsírsavak magas szintje, a zsírsavfelvétel szabályozásának romlása a mitochondriumokban, és a gyorsult vagy normális ß-oxidatio együttesen azt eredményezi, hogy nem a glucose, hanem döntôen a zsírsavak égésébôl származik a SzentgyörgyiKrebs körbe jutó acetyl-CoA. Így diabeteses szívizomban a pyruvatdehydrogenase enzym mûködésének drámai csökkenéséért elsôsorban az acetyl-CoA, valamint a zsírsavak ßoxidációjából származó redukáló anyagok (NADH, FADH2) felhalmozódása a felelôs [6, 12, 28]. Tehát a cukorbeteg szívizomban észlelhetô eltérések elsôdleges oka nem eleve a Szentgyörgyi-Krebs kör mûködésének megváltozásában, hanem az annak alapanyagaként szolgáló acetyl-CoA eredetében keresendô (2. ábra). A cukorbeteg szívizomzat glucose-zsírsav felvételi aránya megközelítheti tehát az egészséges szívizomzatét, noha az anyagcsere-kapacitás tartalékában döntô különbség áll fenn az egészséges és diabeteses szívizomzat között. Az ATP termelôdés következô lépése a NADH és a FADH2 belépése az elektron átviteli láncba, a protonok kilökôdése a mitochondrium matrixból, valamint a H2O és ATP képzôdés a monofólsav-adenosintriphosphatase (F 1-ATPase) enzym közremûködésével. Feltételezhetô, hogy ez a folyamat károsodik cukorbetegségben, ugyanis izolált mitochondriumokban csökkentnek találták a légzés harmadik szakaszának és az oxidatív foszforilációnak a sebességét (2. ábra) [32]. Még nem
tisztázott, hogy hogyan befolyásolják ezek a folyamatok teljes szélességében az ATP termelést a diabeteses szívben. Mindenesetre kimutatták, hogy „in vitro” mérséklôdik az ATP-t termelô sejtlégzés folyamata, ugyanakkor „in vivo” nem csökken az ATP termelôdés [36, 42]. Ezek a megfigyelések is azt bizonyítják, hogy a mitochondriumok anyagcseréjének fô eltérése cukorbetegségben az acetyl-CoA kínálatnak, vagyis a Szentgyörgyi-Krebs kör fô forrásának a módosulása és nem a kör mûködésének a megváltozása (2. ábra). Nem zárható azonban ki a ketontestek nagymérvû égésének, a pyruvat-carboxylatio romlásának és a feltöltô vagy kiegészítô, úgynevezett anapleureticus reakciók károsodásának esetleges negatív hatása sem, amelyeket nemrég figyeltek meg nem-diabeteses szívben [35]. Az is tisztázásra vár még, hogy fokozott szívizommunka okozta megterheléskor megmarad-e a mitochondriumok megfelelô ATP termelô képessége cukorbetegségben. Az anyagcserezavar szerepe a diabeteses szívizommûködési zavarok kialakulásában Általánosan elfogadott ma már a diabeteses cardiopathia létezése, vagyis a szívmûködés cukorbetegségbôl adódó károsodása, amelyet nem kísér ischaemiás szívelváltozás. Diabeteses cardiopathia esetén a kamramûködés károsodása az anyagcsere tartós rendezésével javítható [2]. Társuló ischaemia esetén azonban más a helyzet. Egyrészt a diabeteses idült anyagcserezavar megváltoztathatja az ischaemiás „preconditioning” jelenséget [21, 31]. Másrészt ischaemiában és azt követôen a reperfusio alatt, még nem cukorbeteg állapotban is magas a szívizomban a szabadzsírsavszint és fokozott a zsírsa végése, amely a szívizomösszehúzódás károsodásához, az arrhythmiahajlam fokozódásához vezet [22]. Ischaemiában és reperfusióban a fokozott zsírsavégés és a csökkent CARDIOLOGIA HUNGARICA 2000;2: 73–80.
szívizomösszehúzódás ok-okozati kapcsolatát állatkísérletekkel bizonyították, amikor a zsírsavégést carnitin-palmitoyltranferase-I enzymbénítókkal gátolva, vagy a pyruvatdehydrogenase mûködését dichloracetattal fokozva, kimutatták a szívizomösszehúzódások ischaemia okozta károsodásának javulását [39]. Ma már számos gyógyszer áll rendelkezésre a zsírsavégés csökkentésére és a pyruvatdehydrogenase enzymmûködés fokozására. Ennek ellenére nem közöltek még olyan klinikai tanulmányt, amely a zsírsavégés gyógyszeres csökkentésének hatását vizsgálta volna szívinfarctusban szenvedô betegekben. Pedig az állatkísérletek tanusága szerint, inzulinnal csökkenthetô a periferiás lipolysis és a vérben a szabadzsírsavszint, trimetazidinnel [9] vagy ranolazinnal [8] közvetlenül gátolható a ß-oxidatio, oxfenicinnel mérsékelhetô a carnitin-palmitoyltranferaseI enzymmûködés [17], és carnitinnel csökkenthetô a mitochondriumokban az acetyl-CoA szint [3]. Ésszerû lenne tehát ezeknek az anyagcserezavarokat mérséklô gyógyszereknek az alkalmazása heveny szívizominfarctusban az irreversibilis szívizomkárosodás csökkentésére, a kamramûködés javítására.
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16 IRODALOM: 1 Awan MM, Saggerson ED: Malonyl CoA metabolism in cardiac myocytes and its relevance to the control of fatty acid oxidation. Biochem J 295, 61-66, (1993) 2 Bellodi G, Manicardi V, Malavasi V, és mtsai: Hyperglycemia and prognosis of acute myocardial infarction in patients without diabetes mellitus. Am J Cardiol 64, 885-888, (1989) 3 Broderick TL, Quinney, HA, Barker CC, és mtsai: Beneficial effect of carnitine on mechanical recovery of rat hearts reperfused after a transient period of global ischemia is accompanied by a stimulation of glucose oxidation. Circulation 87, 972-981, (1993) 4 Chatham JC, Forder JR: A 13 C-NMR study of glucose oxidation in the intact functioning rat heart following diabetes-induced car-
CARDIOLOGIA HUNGARICA 2000;2: 73–80.
17
18
19
diomyopathy. J Mol Cell Cardiol 25, 12031213, (1993) Chappell JD, Robinson BH: Penetration of the mitochondrial membrane by tricarboxylic acid anions. Biochem Soc Symp 27, 123133, (1968) Chen V, Ianuzzo CD, Fong BC, és mtsai: The effects of acute and chronic diabetes on myocardial metabolism in rats. Diabetes 33, 1078-1084, (1984) Chen V, Ianuzzo D, Fong BC, és mtsai: The effects of acute diabetes on myocardial metabolism in rats. Metabolism 33, 1078-1084, (1984) Clarke B, Wyatt KM, McCormack JG: Ranolazine increases active pyruvate dehydrogenase in perfused normoxic rat hearts: evidence for an indirect mechanism. J Moll Cell Cardiol 28, 341-350, (1996) Fantini E, Demaison L, Sentex E, és mtsai: Some biochemical aspects of the protective effect of trimetazidine on rat cardiomyocytes during hypoxia and reoxygenation. J Moll Cell Cardiol 26, 949-958, (1994) Gamble J, Lopaschuk GD: Glycolysis and glucose oxidation during reperfusion of ischemic hearts from diabetic rats. Biochim Biopphys Acta 225, 191-199, (1994) Garvey WT, Hardin D, Juhaszova M, és mtsai: Effects of diabetes on myocardial glucose transport system in rats: implications for diabetic cardiomyopathy. Am J Physiol 264, H837-H844, (1993) Glatz JFC, van Breda E, Keizer HA, és mtsai: Rat heart fatty acid-binding protein content is increased in experimental diabetes. Biochem Biophys Res Commun 199, 639646, (1994) Hall JL, Hendreson J, Hernandez LA, és mtsai: Hyperglycemia causes an increase in myocardial interstitial glucose and glucose uptake during ischemia in swine. Metabolism 45, 542-549, (1996) Hall JL, Sexton W, Stanley WC: Differential regulation of myocardial glucose transporters with exercise training in streptozotcin-induced diabetic rats. J Appl Physiol 78, 7681, (1995) Hall JL, Stanley WC, Lopaschuk GD, és mtsai: Impaired pyruvate oxidation but not glucose uptake in diabetic pig heart during dobutamine stress. Am J Physiol 271, H2320H2329, (1996) Hansford RG, Cohen L: Relative importance of pyruvate dehydrogenase interconversion and feed-back inhibition in the effect of fatty acids on pyruvate oxidation by rat heart mitochondria. Arch Biochem Biophys 191, 6581, (1978) Higgins AJ, Morville M, Burges RA, és mtsai: Mechanism of action of oxfenicine on muscle metabolism. Biochem Biophys Res Commun 100, 291-296, (1981) Kreisberg RA: Effects of diabetes and starvation on myocardial triglyceride and free fatty acid utilization. Am J Physiol 210, 379384, (1966) Kudo N, Barr AJ, Barr RL, és mtsai: High rates of fatty acid oxidation during reperfusion of ischemic hearts are associated with a decrease in malonyl CoA levels due to an increase in 5’-AMP-activated protein kinase inhibition of acetyl CoA carboxylase. J Biol Chem 270, 17513-17520, (1995)
20 Kuo TH, Giacomelli F, Wiener J, és mtsai: Pyruvate dehydrogenase activity in cardiac mitochondria from genetically diabetic mice. Diabetes 34, 1075-1081, (1985) 21 Liu SBY, Thormton JD, Cohen MV, és mtsai: Streptozotocin-induced non-insulin dependent diabetes protects the geart from infarction. Circulation 88, 1273-1278, (1993) 22 Lopaschuk GD: Abnormal mechanical function in diabetes: relationship to altered myocardial carbohydrate/lipid metabolism. Coron Artery Dis 7, 116-123, (1996) 23 Lopaschuk GD, Tsang H: Metabolism of palmitate in isolated working hearts from spontaneously diabetic ’BB’ Wistar rats. Circ Res 61, 853-858, (1987) 24 Lopaschuk GD, Wambolt RB, Barr RL: An imbalance between glycolysis and glucose oxidation is a possible explanation for the detrimental effects of high levels of fatty acids during aerobic reperfusion of ischemic hearts. J Pharmacol Exp Ther 264, 135-144, (1993) 25 McCormack JG, Edgell NJ, Denton RM: Studies on the interactions of Ca2+ and pyruvate in the regulation of rat heart pyruvate dehydrogenase activity. Biochem J 202, 419427, (1982) 26 McCormack JG, Halestrap AP, Denton RM: Role of calcium ions in regulation of mammalian intramitochondrial metabolism. Physiol Rev 70, 391-425, (1990) 27 McGarry JD, Mills SE, Long CS, és mtsai: Observations on the affinity for carnitine, and malonyl-CoA sensitivity of carnitine palmitoyltransferase I in animal and human tissues. Biochem J 214, 21-28, (1983) 28 Mokhtar N, Lavoie J-P, Rousseau-Migneron S, és mtsai: Physical training reverses defect in mitochondrial energy production in heart of chronically diabetic rats. Diabetes 42, 686687, (1993) 29 Murthy VK, Shipp JC: Accumulation of myocardial triacyl-glycerols in ketotic diabetes. Diabetes 26, 222-229, (1977) 30 Nicholl TA, Lopaschuk GD, McNeill JH: Effects of free fatty acids and dichloroacetate on isolated working diabetic rat heart. Am J Physiol 261, H1053-H1059, (1991) 31 Nieszner E, Pósa I, Kocsis E, és mtsai: Is sulfonylurea treatment determinative on preconditioning in alloxan diabetic rabbits? (Meeting abstract) Diabetologia 42 (Suppl 1), A282, (1999) 32 Pierce GN, Dhalla NS: Heart mitochondrial function in chronic experimental diabetes in rats. Can J Cardiol 1, 48-54, (1984) 33 Randle PJ, Priesman DA: Short term and longer term regulation of pyruvate dehydrogenase kinase. In: Patel MS, Roche TE, Harris RA, (Eds.): Alpha-Keto Acid Dehydrogenase Complexes. Basel: Birkhäuser Verlag, (1996) pp 151-161. 34 Rodrigues B, Severson DL: Acute diabetes does not reduce heparin-releasable lipoprotein lipase activity in perfused hearts from Wistar-Kyoto rats. Can J Physiol Pharmacol 71, 657-661, (1993) 35 Russell RR, Taegtmeyer H: Changes in citric acid cycle flux and anaplerosis antedate the functional decline in isolated rat hearts. J Clin Invest 87, 384-390, (1991) 36 Saddik M, Lopaschuk GD: Triacylglycerol turnover in isolated working heart of acutely
79
diabetic rats. Can J Physiol Pharmacol 72, 1110-1119, (1994) 37 Stanley WC, Hall JL, Hacker TA, és mtsai: Decreased myocardial glucose uptake during ischemia in diabetic swine. Metabolism 46, 168-172, (1997) 38 Stanley WC, Lopaschuk GD, Hall JL, és mtsai: Regulation of myocardial carbohydrate metabolism ender normal and ischemic conditions: Potential for pharmacological interventions. Cardiovasc Res 33, 243-257, (1997) 39 Stanley WC, Lopaschuk GD, McCormack JG: Regulation of energy substrate metabo-
80
lism in the diabetic heart. Cardiovasc Res 34, 25-33, (1997) 40 Stone PH. Muller JE, Hartwell T. és mtsai: The effect of diabetes mellitus on prognosis and serial left ventricular function after acute myocardial infarction: contribution of both coronary disease and diastolic left ventricular dysfunction to the adverse prognosis. J Am Coll Cardiol 14, 49-57, (1989) 41 Taegtmeyer H: Energy metabolism of the heart: from basic concepts to clinical applications. Curr Prob Cardiol 19, 59-113, (1994) 42 Wall SR, Lopaschuk GD: Glucose oxidation rates in fatty acid-perfused isolated working
hearts from diabetic rat. Biochim Biophys Acta 1006, 97-103, (1989) 43 Wieland O, Funcke HV, Loffler, G: Interconversion of pyruvate dehydrogenase in rat heart muscle upon perfusion with fatty acids or ketone bodies. FEBS Letter 15, 295-298, (1971) 44 Wieland O, Siess E, Schulze-Wethmar FH, és mtsai: Active and inactive forms of pyruvate dehydrogenase interconversion. Arch Biochem Biophys 143, 593-601, (1971) 45 Yeaman SJ: The 2-oxo acid dehydrogenase complexes: recent advances. Biochem J 257, 625-632, (1989)
CARDIOLOGIA HUNGARICA 2000;2: 73–80.
81
