Pflügers Archiv 281,282--299 (1964)

Aus dem Physiologischen Institut der Universität Heidelberg

Zum Problem der gegenseitigen Beeinflussung der Ionenfluxe am Myokard Von

H. G. HAAS, H. G. GLITSCH und R. KERN Mit 5 Textabbildungen

(Eingegangen am 11. JuIi 1964) 1. In non-beating frog atria the potassium exchange as a function of temperature and the sodium exchange as effeeted by replacing Li or suerose for Na in the extraeellular fiuid were measured, using the isotopes K 42 and Na 2~. 2. In addition to these measurements, the membrane potential (by intraeellular eleetrodes), the intraeellular eoncentrations of K and Na (by flame photometry), and the energy expenditure (from oxygen eonsumption) were determined. 3. For K influx a mean Q10 of 2,1 and for K efflux a mean Q10 of 1,5 was found. Assuming a passive movement of K ions in the efflux but a passive and an aetive eomponent in the K infiux, and further assuming a Q10 of 1,5 for the passive ion movement in efflux and influx and a Q10 of 4 for the aetive K inward transport, a ratio of 0,6:0,4 between the passive and the aetive component in the infiux ean be ealculated. Sinee influx and efflux are equal under steady state conditions, the ratio of the passive influx to the effiux is p ~ 0,6. 4. This result is eompared to the equation of USSlNG (1949a) where the ratio of the passive influx to the efflux is expressecl as a funetion of membrane potential and the extrace]lular and intraeeHular K coneentrations. A numerieal value g ~ 0,89 of this ratio results. 5. The diserepaney between p and q may suggest that the theoretical assumptions of the Ussing relation are not vMid. The main assumption is the independence of ion movements in passive influx and efflux. I t is proposed that an interaetion between efflux and influx exists, in the sense of a mutual obstruetion of the two fluxes, possibly by way of a single-file-mechanism as proposed by ~OD¢I~XN and KEX~ES (1955b) in giant axons. 6. The Na 24 efflux from the cells in freshly disseeted preparations is reversibly redueed to about 2/s when the Na in the bathing sohtion is replaced by Li or sucrose for short periods. Simultaneously the membrane potential is slightly deereased. 7. The reduction of Na efflux under Li or sucrose can be explained, if 1/s of the Na exehange of resting frog atria is a ~ a exehange diffusion. This agrees qualitatively with the suggestion of USSING (1949b) and the findings of KEYNES and SwA~ (1959) on frog mnse]e. 8. The energy available from met~bolism in resting preparations under normal conditions amounts to 18 eal/kg myoeardium (wer weight), min. On the other hand, the energy required for the Na effiux would be 11,3 eal/kg • min, if all Na efflux is aetive transport. The energy needed for the Na efflux is markedly reduced, if part of the efflux uses exchange diffusion. This seems to support the hypo~hesis of an exchange diffusion.

Gegenseitige Beeinftussung der Ionenfluxe am Myokard

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Wie in einer vorangehenden Arbeit (I{AAS1964) gezeigt wurde, f ü h r t eine Berechnung der K- und Na-Leitfähigkeit aus Fluxmessungen am Froschvorhof zu der Vermutung, daß im K- wie im Na-Austausch eine gewisse Abhängigkeit zwischen Ein- und Ausstrom an der Zellmembran bestehen könnte: für den K-Austausch im Sinne einer gegenseitigen Behinderung, für den Na-Austausch in Form einer Koppelung (Austauschdiffusion). I n der vorliegenden Arbeit werden Experimente am stehenden Froschvorhof beschrieben, die auf eine direkte Prüfung dieser beiden Ph/~nomene hinzielen. I m wesentlichen handelt es sich um Fluxmessungen mit Hilfe der Radioisotopen K 42 und Na 24, die durch elektrophysiologische und chemische Messungen erg/£nzt werden. Das Problem einer Wechselwirkung zwischen K-Influx und -Efflux betrifft nur die passiven Fluxkomponenten. Das Kriterium für Abhängigkeit oder Unabhängigkeit ist die Relation von UssI~G (1949a) und TEOI~ELI~(1949), die im Fall einer Unabhängigkeit ein bestimmtes Verhältnis zwischen Influx und Efflux fordert, das allein von der Differenz des Membranpotentials zum K-Gleiehgewichtspotential abhängt. Daß die tatsächliche Fluxrelation deutlich von der Ussing-Tcorellschen Relation abweichen kann, ist erstmals von IgODGI
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H.G. H~AS, H. G. GLITSe~ und i%. K]~RN:

erstmals v o n K•¥z¢Es u. SwA~ (1959) i n F l u x m e s s u n g e n a m F r o s e h m u s k e l experimentell n ä h e r u n t e r s u c h t worden. Der wesentliche B e f u n d v o n K~YN~s u. SwA~ b e s t a n d darin, daß ein Ersatz des extraeellulären N a z.B. durch Li oder Cholin eine deutliche V e r m i n d e r u n g des Na-Efflux zur Folge h a t t e ; dies wurde als eine Blockierung des g e n a n n t e n Austauschm e c h a n i s m u s gedeutet. W i r h a b e n analoge Versuche a m s t e h e n d e n F r o s c h v o r h o f ausgeführt, die q u a l i t a t i v ähnliche R e s u l t a t e lieferten u n d auch hier die Existenz einer Na-Austauschdiffusion wahrscheinlich machen.

Methodik Lösungen. Als Bade- und Spülflüssigkeit wurde im allgemeinen eine ,NsRinger-Lösung" mit folgenden Ionenkonzentrationenbenutzt: Na + 112,8; K + 5,4; Ca++ 1,8; C1- 120; HCOs- 1,8 mMol/1. Daneben wurde in den Na2~-Austauschexperimenten eine ,Li- bzw Saccharose-Ringer-Lösung" verwandt, in der das gesamte NaCI der Na-l~inger-Lösung durch äquimolare Mengen LiC1 bzw. S•echarose ersetzt war, also von der Zusammensetzung Li+ 111; Nu+ 1,8; K + 5,4; Ca++ 1,8; C1- 120; ttCO~- 1,8 mMol/1 bzw. Saccharose 222; Na + 1,8; K ÷ 5,4; Ca++ 1,8; C1- 9; HCOs- 1,8 mMol/1. Diese Lösungen wurden mit einem Gasgemisch aus 95 °/o ()l und 5 °/0 COI durehperlt, wobei sich ein mittleres pH von 7,1 einstellte. Temperatur. So weit nicht anders angegeben, wurden die Experimente bei Raumtemperatur (etwa 20oC) ausgeführt. Präparate. Es wurden Vorhöfe des Froschherzen verwandt, die so weit wie möglich vom epikardia].en Bindegewebe befreit und durch Abtrennung des Sinus- und Atrioventriculargewebes zum Stillstand gebracht waren. Für die Tracermessungen wurden die Vorhöfe aufgeschnitten, um eine möglichst geringe Schichtdicke zu erreichen (Grögenordnung 0,1 mm). Für elektrische Messungen wurden kleine, para]leffaserige Streifenpräparate benutzt. Diese Messungen wurden durchweg in der 2. --5. Std nach der Präparation durchgeführt, da nach früheren Untersuchungen (HAAs u. GLI~sc~ 1962; ttAAs, GLITSC~u. TRAVTWEI~1963) für diese Zeit unter normalen Bedingungen ein angenähertes stationäres Gleichgewicht der Konzentration und der Fluxe angenommen werden darf. Austauschmessungen mit K ai und Na 2~. Radioaktives K bzw. Na wurde in Form von aktiviertem KC1 bzw. NaC1 verwandt. Nach Abstrahlung der kurzlebigen Cl-Isotopen waren in der aktivierten Substanz praktisch nur die Radioisotopen K ai bzw. Na 2~ enthalten. Als aktives Bad wurde eine Na-l%inger-Lösung angesetzt, deren gesamtes KC1 bzw. NaC1 aus aktivierter Substanz bestand. Meßanordnung und -verfahren sind im wesentlichen in einer früheren Arbeit (Hx~s u. GLITSC~ 1962) beschrieben. Der Ka2-Austausch wurde in fortlaufenden Aufnahme- und Abgabeexperimenten beobachtet, und zwar nach der direkten Methode, d.h. gemessen wurde jeweils die im Präparat vorhandene Aktivität-nach einer bestimmten Verweildauer des Präparates im aktiven Bad bzw. während einer kontinuierlichen Umspülung mit inaktiver I~inger-Lösung in einer Meßkammer. Der Nala~Austausch wurde nur in Abgabeexperimenten verfolgt, wobei als Spülflüssigkeit abwechsehld Na-, Li- oder Saecharose-t~inger-Lösung benutzt wurde. Der größere Teil dieser Abgabeexperimente wurde nach der indirekten Methode ausgeführt. Hierbei wurde nicht die im Präparat enthaltene, sondern die vom Präparat abgegebene Aktivitgt gemessen. Zu diesem Zweck wurde das auf einem Träger aufgespannte Präparat in kurzen Zeitabständen durch eine l%eihe von Reagensgläsern mit inaktiver Lösung transferiert und jeweils die in die Gläser abgegebene Aktivität gemessen. Das Flüssigkeitsqnantum in den Gläsern war im

Gegenseitige Beeinflussung der Ionenituxe am Myokard

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Verhältnis zum Präparat so groß, daß bei ständigem Rühren die spezifische Aktivität der Badeflüssigkeit jedenfalls sehr gering blieb im Vergleich zu derjenigen des Präparates, also praktisch die gleichen Verhältnisse vorlagen wie bei einer kontinuierlichen Umspfi].ung mit inaktiver Lösung. Elektrische Messungen des I~uhepotentials unter normalen Bedingungen und bei Ver/~nderung äußerer Parameter (Temperaturänderung, Variation im NaGehab der Außenlösung, Acetyleholinzusatz) wurden nach der üblichen Methodik der intracellulgren Ableitung vorgenommen. Der Na- qzndK-Gehalt der Präparate wurde nach trockener Ver»schung flammenphotometrisch bestimmt. Aus dem gemessenen Gesamtgehalt wurden die intracellulären Konzentrationen durch Abzug des auf den Extracellulärraum entfallenden Anteils errechnet. Der Energieumsatz im stehenden Froschvorhof wurde durch Messung des 02-Verbrauchs und der C02-Abgabe nach der Methode von WAgSURGbestimmt. Hierzu wurde als Badeflüssigkeit eine modifizierte Na-l~inger-Lösung benutzt, die statt 1,8 mMol NaHCOs/1 einen Phosphatpuffer in der Zusammensetzung 1,14 mMol Na~ttP04 -k 0,23 mMol NaH2P0~/1 enthielt, entsprechend einem pH von etwa 7,1. Die Präparate wurden in einem kleinen, abgeschlossenen Glasgefäß mit einer Atmosph/~re aus reinem 02 unter ständigem Schütteln in Berührung gebracht. Die durch die Atmnng bedingte Änderung der Gasmenge im Verlauf einiger Stunden wurde manometrisch bestimmt, und zwar wurde einmal der Q-Verbrauch (bei Absorption der C02 durch KOH), zum anderen die Differenz: 02-Verbrauch -- CO2Abgabe gemessen (ohne KOtt). A. Austauschmessungen mit K 4s Die Experimente zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der K-Fluxe wurden nach folgendem Schema ausgeführt (vgl. Abb. 1): Zunächst wurde das Präparat bei der Raumtemperatur T 1 - - 2 0 ° C durch ein Inehrstündiges Bad in aktiver Lösung praktisch bis zur Sättigung mit K a2 aufgeladen. Die Messung beginnt mit einem Abgabeexperiment fiber 22 min (10 Aktivitätsmessungen von je 1 min Dauer bei stgndiger Umspülung des Präparates mit intaktiver Na-l~inger-Lösung) ; darauf folgt ein erneutes Bad in der aktiven Lösung für 6 min -- beides bei der Temperatur T~. Unmittelbar anschließend wird ein analoges Abgabe- und Aufnahmeexperiment bei der um 15 ° tieferen Temperatur T~ vorgenommen. Dann wird noch einmal die Aktivitätsabgabe bei T 1 gemessen. Zum Schluß wird das Präparat abgetupft und gewogen.

Infolge des niedrigen extracellulären K-Gehaltes kann die gemessene Aktivität ohne merklichen Fehler direkt auf die Zellen bezogen werden. Die Kurven der Aktivitätsabgabe verlanfen bei der relativ kurzen Meßdauer von 22 min praktisch einfach-exponentiell. Der Anfangswert A der ersten Abgabemessung entspricht infolge der Sättigung dem Gesamt-K des Präparates. Der K-Efflux errechnet sich als Quotient aus dem Anfangswert A und der jeweiligen Zeitkonstanten der Abgabe (vgl. •AAS u. GLITSCI{1962). Die Aktivitätsau/nahme wird durch Ex~rapolation der vorhergehenden und der nachfolgenden Abgabe bestimmt (in

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H . G . HAAs, H. G. GLITSCH u n d R. K E ~ N :

A b b . 1 d a r g e s t e l l t d u r c h die s e n k r e c h t e n L i n i e n a m E n d e d e r A u f n a h m e p e r i o d e n ) . D a die B a d e d a u e r v o n 6 m i n i n j e d e m F a l l k u r z i s t i m V e r gleich zu den Zeitkonstanten des K-Austauschs, kann man in guter 20 °

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Abb. 1. Temperaturabhängigkeit der K-:Fluxe am Froschvorhof. Direkte ~[essung der K42-Abgabe und -Aufnahme bei 20° und bei 5° C; halblogarithmisehe Darstellung. Der 1. Abgabemessung geht eine Sättigung des Präparates mi~ Aktivität voraus. Die absolute Bestimmung des K-Efflux aus der 1. Abgabe und des Influx aus der 1. Aufnahme ergibt praktisch ein Gleichgewicht der Fluxe bei l%aumtemperatur. Abkühlung von 20° auf 5°0 bewirkt eine Verlangsamung der Aktivitätsabgabe im Verhältnis 1:0,55, der -aufnahme im Verhältnis 1:0,35. Bei Wiedererwärmung auf 20°C geht das Tempo der Aktivitätsabgabe auf den früheren Wert zurück Tabelle. Temperaturabhängigkeit der K-Fluxe (Mittelwerte aus 23 Messungen) Anfangswert A Zeitkons~ante ~~ Efflux (Tl) Influx (Tl) Efflux (T1)/Efflux (T2) Qlo (Effiux) Influx (Tl)/Influx (Te) Qlo (Influx)

43 mMol K/kg Myokard* 30,6 min 1,4 mlVfol K/kg Myokard • min 1,4 mMol K/kg Myokard • min 1,8 t,5 (a = 0,1) 2,75 2,~ (« = o,1)

N a h e r u n g d e n K - I n f l u x e r r e c h n e n , i n d e m m a n die a u f g e n o m m e n e A k t i r i t z t d u r c h die B a d e d a u e r d i v i d i e r t . D u r c h A b k ü h l u n g v o n T 1 a u f T 2 w e r d e n E f f l u x u n d I n f l u x r e d u z i e r t : die A b g a b e k u r v e v e r l g u f t f l a c h e r (die Z e i t k o n s t a n t e i s t v o n 71 a u f 72 v e r g r ö ß e r t ) , die A k t i v i t ä t s a u f n a h m e i s t v e r r i n g e r t . D e r R e d u k t i o n s f a k t o r i s t f ü r d e n E f f l u x g l e i c h 71/72, f ü r den Influx gleich dem Verhältnis der Aktivit~tsaufnahme bei T 2 zu der* Alle Gewiehtsangaben in dieser Arbeit sind a u f das Feuoh~gewicht bezogen.

Gegenseitige Beeinflussung der Ionenfluxe am Myokard

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jenigen bei T~. Aus dem Kehrwer~ r des l%eduktionsfaktors errechnet sich der Q~0 für d e n Efflux bzw. für den I n f l u x n a c h der l%elation

Qm : rl°/(~'~--'2D : r°'6«. I n der Tabelle sind die Mittelwerte der n a c h diesem Schema ausgeführten F l u x m e s s u n g e n angegeben. E s w u r d e n n u r solche P r ä p a r a t e verwertet, bei d e n e n die erste Abgabe- u n d A u f n a h m e m e s s u n g (bei Tx) ein a n g e n ä h e r t e s Gleichgewicht zwischen Efttux u n d I n f l u x ergab u n d die letzte A b g a b c m c s s u n g (wieder bei Tl) die gleiche Z e i t k o n s t a n t e lieferte wie die erste Abgabe, also der T e m p e r a t u r e i n f l u ß a u f die F l u x e sich als reversibel erwies. Die a b s o l u t e n Beträge des Anfangswertes A, der Zeitk o n s t a n t e n T~ u n d der I~uhefluxe bei R a u m t e m p e r a t u r s t i m m e n m i t früheren Messungen (HAAs u. GLITSCI~ 1962) befriedigend überein. Der durchschnittliche Q10-Wert für den Efflux ist deutlich kleiner als derjenige für den I n f l u x ; der U n t e r s c h i e d ist statistisch i n h o h e m Grad signifikant.

Ergänzende elektrische und chemische Messungen a) Die elektrische Kontrolle des Ruhepotentials V ergab bei der Raumtemperatur T 1 im Durchschnitt den Wert --68 tuV; Abkühlung auf die Temperatur T e hatte eine rasche I)epolarisation um durchschnittlich 5,5 auf --62,5 mV zur Folge (Mittelwerte aus 140 Einstichen an vier Präparaten). Bei 1/~ngerer Dauer der Abküh]ung blieb die Depolarisation jedenfalls bis zur 30. min ohne wesentliche Änderung bestehen. b) Ferner war es wichtig, das K-Gleichgewichtspotential EK zu kennen. Aus flammenphotometrischen Messungen an Präparaten, die für 1--5 Std bei der l%aumtemperatur T 1 in Na-Ringer-Lösung gehalten waren, ergab sich der durchschnittliche intraeelluläre K-Gehalt zu rund 46 mMol/kg Myokard bzw. -- bei einem Extraeellul/~rraum von 32°/0 -- zu 46/0,68 = 68 m3Iol/kg Zellen. Der intracellu]äre Wassergehalt wurde zu rund 75°/0 bestimmt. Nimmt mai1 an, daß der grögte Teil des intraeellul~ren K in wi~ßriger Lösung vorliegt, so beträgt die K-Innenkonzentration [K]i = 68/0,75 = 90,5 mMol/1 Faserwasser. Mit diesem Wert berechnet sich nach NERVST das K-Gleichgewichtspotentia]bei der Temperatur T 1= 293°K zu

ÆTx

[K]~

t? T1

õ,4

Dieser Wert ist, nach der Art der Bestimmung, als ein oberer Grenzwert anzusehen*. Die Differenz (V -- EK) sollte demnach rund 3 mV oder weniger betragen. Um diesen Punkt, der fiir die spätere Rechnung wesentlich ist, direkt zu prüfen, haben wir eine zweite, unabhängige Methode benutzt, nämlich eine Zugabe von Acetylehnlin (in der Konzentration 10-e g/l) bei den Potentialmessungen: Bekanntlich erhöht Aeetyleholirt stark die K-Durehlässigkeit der Membran, so daß dann V sieh EK nähert. Im Mittel wurde hierbei eine Ityperpolarisation um 1,5 mV gemessen, nie mehr als 2 mV; demnach erscheint der in G1. (1) erreehnete EK-Wert vernünftig. * Streng genommen müßten in der Nernstsehen Formel statt der Konzentrationen die sogenalmten Aktivitäten eingesetzt werden; hierdurch würde der absolute ~¥ert von Ex: ein wenig niedriger ausfallen, wie man leicht erkennt. t'flügersArch.ges.]?hysiol.,Bd. 281 20

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H . G . HAAS, H. G. GLITSCKund R. KERN:

Es bleibt noch die Frage, wie sich das Gleiehgewichtspotengial EK bei einer Abkühlung von T 1 auf T 2 verhält. Nimmt man zunächst an, daß die K-Innenkonzentratten unverändert bleibt, ~o wird, entsprechend der Nernstschen Formel, allein durch die Temi0eragurgnderung EK von --71 auf --67,3 mV absinken. Berücksichtigt man weifer die Tatsache, daß die Präparate, die bei der Raumtemperatur T 1 in einem Gleichgewicht der Fluxe und der Konzentrationen sind, durch die Abkühlung auf T 2 einen gewissen K-Nettoverlust erfahren werden (da der K-Efflux weniger reduziert ist als der Influx), so vermindert sich EK noch weiter. An I-Iand der Fluxdaten läßt sich dieser K-Nettoverlust überschlagsweise zu 0,6 mMolfl Faserwasser • min berechnen. Bei einer Abkühlung über 28 min, wie sie in unseren Tracerexperimenten benutzt wurde, bedeutet dies für [K]i eine Verminderung um rund 17 auf 73,5 m~ol/1 Faserwasser. Berücksichtigt man diese Konzentrationsänderung in der Nernstsohen Formel, so wird

RT~ 5,4 EK(T2) = ~ in 73,5 --

62,5 tuV.

(2)

Dieser Wert gilt für das Ende der Kühlperiode, während für den Anfang der oben errechnete Wert von --67,3 mV zutrifft. ])er Einfachheit halber wollen wir für die ganze ])auer der Kühlperiode mit einem mittleren EK von --65,5 mV rechnen; der hierdurch bedingte Fehler kann nur geringfügig sein. Benutzt man diesen Mittelwert für EK, so bleibt die Differenz (V -- EK) bei einer Abkühlung von T 1 auf T2 praktisch unverändert, da V und EK um den gleichen Betrag (5,5 tuV) abnehmen.

Diskussion Bei d e r A u s w e r t u n g d e r E x p e r i m e n t e gehen wir von d e r Vorstellung aus, d a ß d e r K - E f f l u x rein p a s s i v abläuft, w ä h r e n d d e r I n f l u x aus einer a k t i v e n u n d aus einer passiven K o m p o n e n t e besteht. ])as P r o b l e m ist d a n n , den p r o z e n t u a l e n A n t e i l der b e i d e n K o m p o n e n t e n i m I n f l u x zu b e s t i m m e n u n d die R e l a t i o n zwischen d e m passiven A n t e i l des I n f l u x u n d d e m Efflux zu prüfen. Eine Aufschlüsselung des K - I n f l u x in eine a k t i v e u n d eine passive K o m p o n e n t e ist aus unseren 5~[essungen der T e m p e r a t u r a b h ä n g i g k e i t der F l u x e möglich, wenn m a n die naheliegenden A n n a h m e n m a c h t , d a ß die passive I n f l u x k o m p o n e n t e den gleichen T e m p e r a t u r k o e f f i z i e n t e n h a t wie d e r passive E N u x , d a ß die a k t i v e I n f l u x k o m p o n e n t e d a g e g e n einen wesentlich h ö h e r e n T e m p e r a t u r k o e f f i z i e n t e n besitzt. F ü r beide A n n a h m e n lassen sieh eine Reihe von A r g u m e n t e n vorbringen. D a ß f ü r die passiven S t r ö m e in beiden R i c h t u n g e n e t w a die gleiche T e m p e r a t u r a b h ä n g i g k e i t a n z u n e h m e n ist, l ä ß t sich t h e r m o d y n a m i s e h b e g r ü n d e n , wie u n t e n n ä h e r a u s g e f ü h r t ist. F ü r den Q10 a k t i v e r T r a n s p o r t v o r g ä n g e w e r d e n i m allgemeinen W e r t e ü b e r 3 a n g e n o m m e n (vgl. N~TTn~ 1959; HEINz 1963); Messungen von I-IODGKIN u. K]~YNES (1955a) a m Riesena x o n e r g a b e n für den a k t i v e n K - u n d N a - T r a n s p o r t Q~s-Werte zwischen 3 u n d 5. W i r wollen in unserer R e c h n u n g für die passive K - I n f l u x k o m p o n e n t e (entsprechend d e m i m K - E f f l u x g e t h n d e n e n T e m p e r a t u r koeffizienten) einen Q10 = 1,5, f ü r die a k t i v e K o m p o n e n t e einen Q10 = 4

Gegenseitige Beeinflussung der Ionenfluxe am ~[yokard

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einsetzen. Für (len gesamten Influx ist nach unseren 1Vfessungen der Q10 -~ 2,1. Die tl,echnung sieht dann folgendermaßen aus: Wenn wir mit a und b den prozentualen Anteil der aktiven bzw. der passiven Komponente im K-Influx bei der Temperatur T 1 --~ 20°C bezeichnen, so gelten bei den Temperaturen T 1 bzw. T l - - 1 0 ° für den Influx offenbar die Relationen a-~b:

1;

a/4~-b/1,5:l/2,1~0,5.

(3)

Die Auflösung ergibt a=0,4;

b=0,6,

(4)

also 40O/ofür den aktiven, 60°/0 für den passiven Anteil des Influx bei der Raumtemperatur T 1. Da wir bei dieser Temperatur in guter Näherung ein stationäres Gleichgewicht zwischen K-Influx und -Efflux voraussetzen dürfen, so hat die ,Fluxre]ation" zwischen dem passiven Influx und dem Efflux, die wir mit p bezeichnen wollen, den W e ß : p = b = 0,6. Wir wollen dieses Resultat mit der Relation von UssI•G (1949a) und TEO~]~LL (1949) vergleichen, die ffir den passiven Influx und Efflux das Verhältnis

q __~ e-(V--EK) F/RT

(5)

fordert. Die Differenz (V--EK) beträgt nach unseren Messungen rund 3 tuV; der Faktor R T / F hat für die Temperatur T 1 ~ 293°K den Wert 25:2 tuV. Damit wird der Zahlenwert dieser Finxrelation q ~--0,89 -also deutlich größer a]s der experimentell gefundene Wert p ~- 0,6. Die Relation von USSI~G u. T~O~ELL basiert auf der Voraussetzung, daß passiver Efflux und Influx unabhängig voneinander verlaufen. Die Gültigkeit dieser Beziehung ist bisher nur in wenigen Fällen direkt geprüft worden (vgl. GLYNN 1956). Eine deut]iche Abweichung von der Ussing-Teorellschen Relation wurde von ~O»GKI~ U. KE¥~:ES (1955b) beschrieben: K-Fluxmessungen am vergifteten Riesenaxon ergaben -bei einer Variation des Membranpotentials und des K-Gleiehgewichtspotentials über einen weiten Bereich -- ein Fluxverhältnis, das einer höheren Potenz der rechten Seite in G1. (5) entspricht, etwa mit dem Exponeuten n = 2,5. Dies bedeutet formal, daß der kleinere der beiden Fluxe (das ist für (V--EE) > 0 der Influx) im Verhältnis zu dem größeren (Efflux) niedriger ausfällt als es die Re]ation von UssI~G und TEOI~ELL angibt. Unser Resultat: p < q, das auf einem ganz anderen Weg hergeleitet ist, entspricht qualitativ den Beobachtungen von I{ODGKII«u. KEYNES. Die aus unseren Q~0-Messungen abgeleitete Fluxrelation p = 0,6 ist etwa gleich der vierten Potenz der theoretischen Relation q = 0,89.

Mögliche ~ehlerquellen bei der Bestimmung von 19 und q 1. Es bleibt zu untersuchen, wie sich unser t~esultat verändert, wenn eine Abweichung von dem oben vorausgesetzten stationären Gleichgewicht K-Influx = Efflux besteht. In der l~egel zeigen die Präparate im Verlauf von Stunden einen 20*

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H.G. HAAs, H. G. GLITSeHund R. KE~~:

langsamen K-Nettoverlust (vgl. I-IAASu. GLITSC~ 1962); der Efflux ist dann ein wenig größer als der Influx anzunehmen. Man erkennt leicht, daß bei Berücksichtigung dieses Umstandes das aus den Fluxmessungen bestimmte Fluxverh~ltnis p einen noch niedrigeren Wert erhalten würde, als wir oben erreehnet haben. 2. Das Verh/~ltnis der Temperaturkoeffizienten des passiven Influx und des Efflux bedarf einer n/~heren Untersuchung. Beide Koeffizienten sind im allgemeinen nicht genau gleich. Theoretisch erh/~lt man das Verh/~ltnis dieser beiden Koeffizienten (bezogen etwa auf eine Temperaturänderung von 15°), indem man die Fluxrelation Einstrom :Ausstrom für die Temperatur T 1 und ebenso für die Temperatur T 2 bildet und dann die erste durch die zweite dividiert. Wie bereits dargestellt wurde, ist für T~ wie für T e ein Differenzwert (V -- EK) um 3 mV wahrschein]ich. Gleichgültig, ob man nun die Fluxrelationen in der von UssING und T~O~]~LL angegebenen Form (q) oder in einer höheren Potenz (q~) ausdrückt -in jedem Fall wird mit den obengenannten Zahlen das Verhältnis der beiden Fluxrelationen und damit auch der beiden Temperaturkoeffizienten sehr nahe bei 1 liegen, wie man sieh leicht überzeugt. Daher dürfen die Temperaturkoeffizienten für den passiven Influx und den Efflux praktisch als gleich betrachtet werden; ein merklicher Fehler kann dadurch kaum entstehen. 3. Der für den aktiven X-Influx angesetzte Q~0-Wert von 4 kann weder theoretisch noch experimente]l direkt belegt werden, sondern ist einfach der Mittelwert zwischen den nach unserer heutigen Kenntnis wahrseheinliehen Grenzwerten 3 und 5. Die gröl~ere Wahrseheiuliehkeit spricht für einen etwas niedrigeren Wert; die Fluxrelation p würde dann ebenfalls niedriger ausfallen. Ein höherer Q10-Wert würde ein gröl~eres p liefern; aber selbst für @s0 = 5 wgre erst ~ = 0,64. 4. Die Schwierigkeiten bei der Bestimmung von EX bzw. ( V - EK) sind bereits erörtert worden. Wenn auch für (V -- EX) ein Wert oberhalb 3 mV unwahrscheinlich ist, so scheint doch die Überlegung nützlich, wie sich ein größerer Differenzwert in unserer Rechnung auswirken würde. Je weiter V unterhalb von EK liegt, um so niedriger wird die Ussing-Teorellsche Fluxrclation q ausfallen. Aber selbst für ( V -- EK) = 6 mV ist noch q ~ 0,79; auch dieser Wert ist noch deutlich höher als die experimentell gefundene Relation p ~ 0,6. Man kommt so zu dem Resultat, daß auch bei weitgehender Berücksichtigung der genannten Fehlerquellen die Diskrepanz zwischen dem aus unseren Messungen hergeleiteten Fluxverh/~ltnis und der Ussing-Teorellschen Relation bestehen bleibt. Z u einer theoretischen D e u t u n g unseres Befundes greifen wir a u f die v o n I-IODG~:~~Tu. K]~Y~]Ss (1955b) e n t w i c k e l t e n Vorstellungen zurück. D a n a c h ist die geschilderte A b w e i c h u n g der tats/ichliehen Fluxverh/~lthisse v o n der theoretischen R e l a t i o n so zu verstehen, d~i~ die p~ssiven B e w e g u n g e n der K - I o n e n durch die M e m b r a n i n beiden R i c h t u n g e n n i c h t unabh/~ngig v o n e i n a n d e r verlaufen, s o n d e r n dal3 - - ganz allgemein ausgedrückt - - die Bewegung eines I o n s i n einer b e s t i m m t e n R i c h t u n g für die Bewegung eines b e n a c h b a r t e n I o n s i n der gleichen R i c h t u n g eine günstige, i n der entgegengesetzten R i c h t u n g eine u n g ü n s t i g e B e d i n g u n g schafft. Die T h e r m o d y n a m i k eines solchen Systems ergibt i n der T a t eine F l u x r e l a t i o n , die einer höheren Potenz der Ussing-TeorellschenRe]ation entspricht. Es sind verschiedene Model]e für einen derartigen Bewegungsm e c h a n i s m u s der I o n e n d e n k b a r . Das einfachste ist das s o g e n a n n t e single-file-lV[odell: eine P~ssage durch enge P o r e n der M e m b r a n , m i t einer

Gegenseitige Beeinitussung der Ionenfluxe am Myokard

291

unmittelbaren m echanischen oder elektrischen Wechselwirkung zwischen den auf engem g a u m zusammengedrängten Ionen. Im Prinzip gleichbedeutend wäre eine Bewegung der K-Ionen entlang einer Kette von fixierten negativen Ladungen, wobei ein- und ausströmende Ionen um die ùPlätze" konkurrieren. Aber auch andere Vorstellungen sind möglich, z.B. ein Transport der Ionen jeweils zu mehreren auf einem CarrierMolekül. Welche dieser tIypothesen der Wirklichkeit am nächsten kommt, kann zur Zeit nicht entschieden werden. B. Austauschmessungen mit Na e«

In diesen Versuchen sollte geprüft werden, ob der Na-Ausstrom aus den Zellen durch die Anwesenheit von Na-Ionen in der Außenlösung bzw. durch den damit verbundenen Na-Einstrom beeinflußt Mrd. Zu diesem Zweck wurden, nach vorheriger Sättigung der Präparate mit Aktivität, Abgabeexperimente ausgeführt, in deren Verlauf die (üblicherweise als Spülflüssigkeit benutzte) NaRinger-Lösung für kurze Perioden [o durch Li- bzw. Saccharose-l~ingers~ °o Lösung ersetzt wurde. "% Abb.2 zeigt ein direktes Abgabeexperiment dieser Art. Die Umspühing des Präparates mit ~ Li-Iginger-Lösung von der 26. bis ~zo « zur 36. min hat eine deutliche Abflachung der Abgabekurve im Ver5 gleich zu dem vorhergehenden und dem nachfolgenden Knrvënabschnitt zur Folge. Man darf daraus allgemein auf eine Verringerung I i I I I U 10 20 30 ~ min 50 des Na-Ausstroms während dieser 2. Na24-Efflux a m F r o s e h v o r h o f bei einer Periode schließen. Wir wollen diese Abb. V a r i a t i o n i m N a - G e h a l t der Außenlösung. Erscheinung kurz den ,Li-Effekt" D i r e k t e Messung; halblogarithmisehe Darstellung. E i n E r s a t z des extracellulären N a durch nennen. Li f ü r eine Periode v o n 10 m i n h a t eine (reverEine quantitativc Absehätzung sible) V e r l a n g s a m u n g des F~fflux i m Verhältnis 1:0,55 zm, Folge der Na-Fluxverminderung aus einem solchen Experiment ist schwierig. Der Grund liegt darin, daß die Nae4-Abgabe in hohem Grad inhomogen, d. h. aus mehreren exponentiellen Komponenten von sehr unterschiedlicher Stei]heit zusammengesetzt ist. Die Abgabekurve beginnt sehr steil, flacht darm mehr und mehr ab und läuft schließlich exponentiell aus (vgl. I-~AAS, GLITSCH U. ŒRAUTWEIN 1963). In den ersten 2--3 min steht der (sehr rasche) Austausch des cxtraeellulären Na =~im Vordergrund. Etwa von der 4. min ab darf man die Abgabe im wesentlichen auf das intracelluläre Na 24 beziehen; nach

\

\

los

I

292

H.G. HAAS,I-I. G. GLITSCttund R. KERN:

der 10. min ist bereits der größte Teil hiervon ausgetauscht. Auch der Austausch des intraeellulären Na für sich betrachtet ist ein inhomogener Vorgang. Es genügt daher nicht, den Li-Effekt nur a m , , E n d e " der Abgabe zu untersuchen, wie das in dem Experiment der Abb.2 geschehen ist; dieses Ende der Kurve ist nur für einen kleinen Teil des intraeellu]ären Na reprasentativ. Man muß vielmehr den Einfluß des Li auch am Anfang der Abgabe studieren, in dem der größte Teil des intracelluli~ren Na ~4 ausgetauscht wird. In den ersten 10 min verläuft aber die Abgabekurve bei direkter Messung derart steil, daß ein Li-Effckt mit einer unter Umständen nur geringen Veränderung der Kurvensteilheit meßtechnisch kaum beobachtet werden kann. Um zu genaueren Rcsultaten zu kommen, haben ~ r daher die Methode variiert: Das mit Aktivität gesättigte Präparat wird zunächst für 2 min in der Meßkammer mit inaktiver Na-l%inger-Lösung umspült; in dieser Zeit erfolgen mehrere direkte Messnngen. Dann wird das Präparat aus der Meßkammer herausgehoben und für die Dauer von je 1 min durch eine Reihe von 25 Reagensgläsern transferiert, die in Gruppen zu je 5 abwechselnd mit Na- und mit Li-Ringer-Lösung gefüllt sind. Gemessen wird dann die vom Präparat pro min in die Gläser abgegcbene Aktivität (indirekte Methode). Zum Schluß wird noch einmal die Aktivität im Präparat direkt gemessen. Indem man von dieser letzten direkten Messung ausgehend die indirekten Messungen der Reihe nach aufrechnet, erhält man die jeweilige Aktivität im Präparat während der indirekten Periode. Die indirekte Methode ist zwar umständlicher als die direkte, hat aber offenbar den Vorteil größerer Meßgenauigkeit, wenn es um die Beobachtung von Fluxänderungen geht -- insbesondere bei einem raschen Ablauf des Austauschvorgangs, wie es in den ersten Minuten der I~aTM Abgabe der Fall ist. Zur quantitativen Auswertung haben wir den sogenannten momentanen Austauschquotienten Ic bestimmt, d.h. das Verhältnis der pro Minute abgegebenen Aktivität (zJX/At) zu der jeweils im Der Präparat noch vorhandenen Aktivität (X) -- also / c - AX/At X Austausehquotient k ist ein relatives Fluxmaß, mit dessen Hilfe man momentane Fluxänderungen ziemäch genau erkennen kann. Formal ist der Austauschquotient gleich der reziproken Zeitkonstanten derjenigen Exponentialfunktion, welche die Abgabekurve X(t) im jeweiligen Zeitpunkt approximiert. Man muß allerdings beachten, daß infolge der Inhomogenität der Na24-Abgabe auch unter normalen Umständen, d.h. bei standiger Umspülung des Präparates mit Na-Ringer-Lösung und bei einem konstanten Na-Flux, der /c-Wert im allgemeinen nicht konstant ist, sondern im Verlauf des Experiments ständig abnimmt. Momentane Änderungen im Na-Flux drücken sich darin aus, daß die beobachteten /c-Werte von diesem normalen Verlauf nach oben oder unten abweichen.

Gegenseitige Beeinflussung der Ionenfluxe am Myokard

293

Abb.3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Austauschquotienten k in einem einzelnen Na-Li-Experiment der oben beschriebenen Art. Man erkennt, daß mit Beginn der ersten Li-Periode die /c-Werte stark absinken (genauer gesagt: unter die Norm absinken, die man durch eine Extrapolation der vorangehenden Meßpunkte erhält) und in der nachfolgenden Na-Periode wieder ansteigen. Der Li-Effekt besteht in diesem Fall in einer drastischen Verminderung des Na2«-Effiux, die mit einer nur

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2ß min 30

Abb. 3. Na2~-Efflux am Frosehvorhof bei ~lternierender Spülung mit Na- und mit Li-ttinger-Lösnng. Indirekte Messung, dargestellt durch den momentanen Austauschquotienten k. Einzetbeispiel. Die k-Werte sinken in den beiden Li-Perioden (besonders deutlich in der 1.) unter die Norm ab und steigen in den nachfolgenden Na-Perioden wieder an

geringen Latenz eintritt, für die Dauer der Li-Periode anhält und weitgehend reversibel erscheint. Qualitativ besteht also eine Übereinstimmung mit dem Experiment der Abb. 2. Nicht in allen Fällen trat der Li-Effekt derart deutlich in Erscheinung. In einer größeren Versuehsreihe ergab sieh zunächst eine gewisse Abhängigkeit vom Alter der Präparate: Die beschriebene Verminderung des Na2~-Efflux unter Li war nur an frischen, wenige Stunden alten Präparaten regelmäßig zu beobachten. ~ltere Präparate oder solche in einer weniger guten Verfassung zeigten häufig gar keinen oder sogar einen umgekehrten Li-Effekt. Die letztere Erscheinung soll in dieser Arbeit außer Betracht bleiben; wir wollen uns im folgenden auf Experimente an frischen Präparaten beschränken, die am ehesten den Verhältnissen in vivo entsprechen. Abb.4 zeigt die gemittelten /~-Werte aus 27 indirekten Na-Li-Anstausehexperimenten an frischen Präparaten und zum Vergleich die ùNormalknrve" der k-Werte aus 20 Kontrollmëssungen an Präparaten, die nur mit Na-I~inger-Lösung umspült wurden. In der Normalkurve

294

H.O. I{AAS, It. G. GLITSCKund R. K~~~:

fallen die A u s t a u s e h q u o t i e n t e n v o n einem hohen A n f a n g s w e r t stetig u n d m o n o t o n bis zu einem niedrigen E n d w e r t a b ; diese n a c h der i n d i r e k t e n Methode g e m e s s e n e n / c - W e r t e s t i m m e n durchaus m i t d e n W e r t e n überein, die m a n aus früheren direkten 3/[essungen des N a - A u s t a u s e h s (ttAAS, GLITSC~ u. TRAUTW~rN 1963) ZUerwarten hat. I n den N a - L i - E x p e r i m e n t e n 4~0 fallen die ersten 5 /c-Werte k ~ praktisch m i t den Kontrollwerten z u s a m m e n , wie es sein 4ss muß. Die n ä c h s t e n 5 3~eßp u n k t e , die der ersten Lio,3o Periode entsprechen, fallen m e h r u n d m e h r u n t e r die Normalwerte ab, u n d zwar bis zu etwa 350/0 . I n der nachfolgenden Na-Periode steigt o,xo der A u s t a u s e h q u o t i e n t wieder a n u n d erreicht Werte, die ein wenig über der N o r m o,z~ liegen. Die zweite Li- u n d die darauffolgende letzte Nao,10 Periode zeigen praktisch das gMehe Bild. Z u einem ähnlichen Ergebnis f ü h r t e n anao,os loge A b g a b e e x p e r i m e n t e , i n d e n e n der zeitliche E i n s a t z o N~ + L~ + N+ + L} + N+ u n d die D a u e r der Li-Perioden 2 £ Ig 15 20 25min Abb.4. Na2~-Effluxam Froschvorhof bei alternieren- variiert wurden. Das allgeder Spülungmiß :Na-und mit Li-ll,inger-Lösung;Mit- meine R e s u l t a t ist, daß eine telwerte des momentanenAustauschquotientenk aus 27 indirekten la:essungen(o-o). Zum Vergleich R e d u z i e r u n g des Na2«-Efflux sind die normalenWerte des Austauschquotientenbei u n t e r Li etwa v o n der 4. m i n ausschließlicher lJmspülung mit Na-l~inger-Lösung der A u s t a u s e h e x p e r i m e n t e ab eingetragen (o o). In den Na-Li.Austauschexperimenten sinkt der Anstausehquotientin beiden zu b e o b a c h t e n ist, also jedenLi-1)eriodenprompt mn etwa 1/~unter die Norm ab; in den nachfolgenden Na-1)erioden steigt der Aus- falls den g r ö ß t e n Teil des Natausehquotientebensoprompt wieder an und erreicht Austauschs der Zellen betrifft. sogar Werte, die über der Normliegen Dieser Effekt t r i t t p r o m p t ein, h ä l t über die D a u e r der Li-Periode a n u n d bildet sieh p r o m p t zurück. Vor der 4. m i n ist die B e o b a c h t u n g v o n F l n x ä n d e r u n g e n infolge der sehr h o h e n Anfangsgeschwindigkeit des Na24-Austausehs k a u m möglich, andererseits ein merkliehër Li-Effekt aber auch n i c h t zu erwarten, da i n dieser Zeit der A u s t a u s c h des extraeellulären N a 2« überwiegt. Die geringe Latenz v o n 1 - - 2 min, m i t welcher der Li-Effekt e i n t r i t t bzw. verschwindet, d a r f m a n a u f die extraeelluläre Diffnsion zurückführen, die bei einem Wechsel der AnBenlösung den I o n e n a u s t a u s e h im

t

Gegenseitige Beeirdtussung der Ionenfluxe am Niyokard

295

E x t r a c e l l n l g r r a u m (Li gegen N a oder u m g e k e h r t ) ein wenig verzögert. E s ist d a h e r a n z u n e h m e n , d a ß a n der einzelnen Zelle d e r E f f e k t p r a k t i s c h m o m e n t a n a u f t r i t t bzw. sich z u r ü c k b i l d e t . D a die V e r m i n d e r u n g des Na14-Effiux u n t e r L i d u r c h w e g e t w a ein D r i t t e l b e t r a g t , u n a b h g n g i g v o m zeitlichen E i n s a t z d e r Li-Perioden, d a r f m a n d a m i t rechnen, d a ß die verschiedenen K o m p o n e n t e n im A u s t a u s c h des i n t r a c e l l u l g r e n N a 2« ungefghr in gleichem U m f a n g betroffen sind. Dies b e d e u t e t d a n n f ü r d e n N a - A u s t a u s c h insgesamt, d a ß m i t Beginn einer L i - P e r i o d e der N a - E f f l u x d e r Zellen s p r u n g h a f t u m r u n d ein D r i t t e l a b n i m m t . Im weiteren Verlauf einer Li-Periode ist mit einer fortschreitenden Abnahme des Na-Efflux zu rechnen, einfach infolge einer Abnahme des intracelluliren Na; letztere ist dadurch bedingt, daß der Na-Einstrom unterbunden ist, w~hrend der Na-Ausstrom wei<~ergeht. Dieser Effekt soll hier nicht ngher untersucht seiden. Von Interesse ist aber das Verhalten des Na-Efflux k am Ende einer Li-Periode, gda d.h. beim Umschalten von Li- auf Na-t%inger-Lösung. Die Tatsache, daß die k-Werte hierbei über die 415Norm hinausgehen (zum Teil sogar recht deutlich), muß nicht unbedingt auch O,lO für den Na-Eff[ux einen Anstieg über die Norm bedeuten: Die spezifische Aktivität des intraceilu0,0or liren Na bleibt wghrend einer Li-Periode konstant und ist daher zu Beginn E /0 /$£0 25"min der nachfolgenden NaPeriode sicher höher als Abb.5. Na~
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H . G . HAAs, H. G. GLITSe~ und R. Kv.~N:

Q u a l i t a t i v ist das B i l d das gleiche wie in den E x p e r i m e n t e n m i t Li. Man d a r f d a r a u s schließen, d a ß die R e d u k t i o n des N a - E f f l u x i m wesentlichen d u r c h das F e h l e n des e x t r a c e l l u l ä r e n N a u n d n i c h t d u r c h eine spezifische W i r k u n g des , N a - E r s a t z e s " b e d i n g t ist.

Ergänzende elelctrische und chemische Messungen a) Vergleichende Messungen des Ruhepotentials in Na- und in Li-l~inger-Lösung bei l~aumtemperatur ergaben unter Li eine geringfügige Depol~risation um durchschnittlich 8--10 mV gegenüber einem mittleren Membranpotential von -- 68 mV in Na-l~inger-Lösung (100 Einstiche an vier Prgparaten). Die Depolarisation unter Li tritt prompt ein, bleibt jedenfalls für kürzere Li-Perioden ohne wesentliche Änderung bestehen und ist rasch reversibel. b) Das Na-GlelchgewichtspotentialENa wurde aus flammenphotometrischen Messungen des Na-Gehaltes bestimmt. Der mittlere Gesamt-Na-Geha]t an 50 frischen Präparaten in Na-l~inger-Lösung ergab sich zu 53,6 m~ol/kg Myokard; danach betrggt, bei einem Extracellularraum von 320/0, das intracelluläre Na 53,6--112,8 • 0,32 = 17,6 mMol/kg ~yokard bzw. 17,6/0,68 = 25,9 mMo]/kg Zellen oder schließlich, bei einem durchschnittlichen intraeellulären Wassergehalt von 75°/0, 25,9/0,75 = 34,5 m~ol/1 Faserwasser. Hieraus errechnet sich das Na-GleichgewichtspotentiM nach N~~~sT zu /RT [Na]« RT 112,8 E N a = - 7 - in [Na]l -- F In 34,5 -- ~ 3 0 m V "

(6)

c) ~essungen des Gassto]/wechsels an 1--6 Std a]ten stehenden Präp~raten ergaben einen mittleren 02-Verbrauch von 3,9 und eine C02-Produktion von 2,7 cm3/kg Myok~rd • min, also einen I~.Q. von rund 0,7. Letzteres stimmt mit der bekannten Tatsache überein, daI~ der Stoffwechsel am Myokard h~uptsächlieh in einer Verbrennung von Fetten bzw. Fetts~uren besteht. Setzt man dementsprechend das kulorisehe Äquivalent mit 4,7 tal/cm s O~ an, so betr~gt der durchschnittliche Energieumsatz 3,9 • 4,7 ~ 18 eal/kg ]V[yokard • min.

Diskussion Bei d e r A n a l y s e d e r N a - L i - A u s t a u s c h e x p e r i m e n t e gehen wir d a v o n aus, d a ß die P r ä p a r a t e in einem s t a t i o n ä r e n Gleichgewicht d e r K o n z e n t r a t i o n e n u n d der F l u x e sind, so lange sie sich in Na-l~inger-Lösung befinden, l~ach d e r üblichen Vorstellung ist d a n n d e r N a - I n f l u x rein passiv, d e r N a - E f f i u x aus einer a k t i v e n u n d einer p a s s i v e n K o m p o n e n t e z u s a m m g e n e s e t z t . W e n n m a n bei den gegebenen W e r t e n des ~ e m b r a n p o t e n t i a l s u n d des N a - G l e i c h g e w i c h t s p o t e n t i a l s den p a s s i v e n A n t e i l i m N a - E f f l u x n a c h d e r l~elation v o n Ussn~G u. TEO~ELL b e r e c h n e t (vgl. I~AAS 1964), SO i s t dieser A n t e i l v e r s c h w i n d e n d klein; er w ü r d e noch klein e r ausfallen, wenn m a n , ~hnlich wie oben für den K - A u s t a u s c h , auch f ü r das N a eine A r t single-file-Meehanismus a n n i m m t . D e m n a c h w~re p r a k t i s c h d e r g e s a m t e l~a-Efliux als ein a k t i v e r T r a n s p o r t zu b e t r a c h t e n . W i r wollen prüfen, ob diese Vorstellung i m s t a n d e ist, den b e o b a c h t e t e n L i - E f f e k t (d.h. die R e d u z i e r u n g des N a - E f f l u x bei E r s a t z des extracellul~ren ~qa durch Li) zu erklären.

Gegenseitige Beeinflussung der Ionenfluxe am Myokard

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Die nächstliegende Erklärung wäre, eine Art Giftwirkung des extraeellulären Li auf diejenigen intracellulären Stoffwechselvorgänge anzunehmen, die den Energiebedarf der N a - P u m p e decken, ttiergegen sprechen aber folgende Argumente: 1. die Tatsache, dal3 der Li-Effekt p r o m p t eintritt und ebenso prompt reversibel ist - - von einer Giftwirkung müßte m a n dagegen erwarten, daß sie allmählich eintritt und langsam ausklingt; 2. die fehlende Spezifität der Li-Wirkung - - Saccharose als Na-Ersatz führtinl Prinzip zum gleichen Effekt wie Lt. -- Auch eine mehr indirekte Wirkung des Li auf die Na-Pumpe auf dem Weg die gleichzeitig zu beobachtende geringfügige Depolarisation von einigen Millivolt erscheint schwer vorstellbar. Demnach ist eine einfache Erklärung des Li-Effekts unter der Annahme eines aktiven Transports für den gesamten lqa-Efflux k a u m möglich. Es gibt aber noch einen weiteren Punkt, in dem diese Vorstellung zu Schwierigkeiten fUhrt. Ans den bekannten Werten des 1Xa-Ruheflux ~b~a, des Na-Gleiehgewiehtspotentials El~a und des Membranpotentials V kann man leicht den Energieverbrauch der Na-Pumpe berechnen, wenn m a n annimmt, daß die P u m p e den gesamten Na-Efflux bewerkstelligt. Nach früheren Messungen (ttAAS, GLITSCI~U. Tt~AUSWEI~¢ 1963) ist der Na-Flux ¢~a in der Größenordimng 5 mMol/kg Myokard • lnin anzusetzen; dem entspricht ein elektrischer Strom J~a = 5 • 96,5 483 Coul/kg • min. Mit E~a = + 3 0 mV, V -------68 tuV, ] V - E s a l ~98 m V wird dann die Leistung der P u m p e A ~ 4 8 3 . 9 8 Coul • mV/kg • min ~ 11,3 eal/kg Myokard • min,

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da 1 Coul • i m V ~ 239 • 10 -« eal ist. Demgegenüber beträgt nach unseren Stoffwechselmessungen der Gesamtumsatz der Zellen nur rund 18 eal/kg min. Es ist nun wenig wahrscheinlich, daß vom Gesamtumsatz ein Anteil von über 60o/0 allein auf die Arbeitsleistung der NaP u m p e entfällt - - wobei noch zu bedenken ist, dag ohnedies vom Gesamtumsatz nur ein bestimmter Bruchteil (die sogenannte freie Energie) in Arbeit umgewand+lt werden kann. Eine einfache Möglichkeit, den Li-Effekt zu erklären und auch den Energiebedarf der Na-Pumpe auf plausible Werte zu reduzieren, ist die Annahme einer sogenannten Austausehdiffusion für Na-Ionen. Die Existenz eines solchen Austausehmeehanismus ist zuerst von USSlNG (1949b) aus thermodynamischen Überlegungen gefolgert worden. Nach der Vorstellung von Ussr~c wird die Anstauschdiffusion durch einen Carrier vermittelt, der dl+ Membran nicht verlassen kann, nur im beladenen Zustand frei beweglich ist und seine Ladung an den Grenzen der Membran leicht auswechselt; ein solcher Carrier wäre infolge seiner ständigen thermischen I-Iin- und I-Ierbewegung in der Membran imstande, extraund intrace]luläre Na-Ionen , Z u g um Zug" miteinander auszutauschen,

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It. G. I-IAAS,H. G. GLITSCl~und R. KERg:

und zwar im Fall eines ,1 : 1-Austauschs" ohne jeden Energieverbrauch. Der erste experimentelle Hinweis auf eine Na-Anstauschdiffusion stammt von K~Yx~s u. Sw~~ (1959). Diese Autoren beobachteten am Froschmuskel -- in qualitativer Übereinstimmung mit unserem jetzigen Befund am Frosehvorhof -- bei Ersatz des extracellulären Na durch Li oder Cholin ein Absinken des Na-Efflux etwa auf die Hälfte und erklärten diesen Effekt so, daß unter normalen Umständen rund die I~älfte des Na-Austauschs der Zellen über den Mechanismus einer Austauschdiffusion ablaufe, daß aber bei Ersatz des extracellulären Na durch Li, Cholin oder dergleichen dieser Mechanismus blockiert werde, da der Carrier nicht imstande sei, diese Ionen an der Außenseite der Membran aufzunehmen. Wir möchten diese Erklärung für unsere Austauschexperimente am Froschvorhof übernehmen und -- entsprechend der unter Li beobachteten l~eduzierung des Na-Efftux um rund 35°/0 -- den Schluß ziehen, daß unter normalen Umständen der Na-Austausch am Froschvorhof etwa zum gleichen Bruchteil in Form einer Austauschdiffusion abläuft. Ein weiteres Argument für die Austauschdiffusion liegt in der Energiebilanz: Nimmt man an, daß die restlichen 65°/0 des YXTa-Effiux durch einen aktiven Transport getragen werden, so wäre der Energieverbrauch der Pumpe mit den oben genannten Daten rund 7,5 cal/kg • min, also etwa 400/o des Gesamtumsatzes. Dieser Anteil erscheint immer noch relativ hoch, aber doch eher annehmbar als der oben erreehnete Anteil von über 60O/o. Die Resultate der vorliegenden Arbeit kann man in dem Sinn zusammenfassen, daß am stehenden Frosehvorhof für den K- wie für den Na-Austausch eine gewisse Wechselwirkung zwischen Influx und Efflux wahrscheinlich ist, und zwar für den K-Austausch im Sinn einer gegenseitigen Behinderung, für den Na-Austausch im Sinn einer (partiellen) Koppelung. Die Bedeutung dieser Phänomene in einem speziellen Punkt, nämlich bei der Bestimmung der spezifischen Leitfähigkeiten bzw. Permeabilitaten aus den Fluxen, ist in einer vorangehenden Arbeit (I-IAAS 1964) ausführlich erörtert worden. Der Mechanismus der Na-Austauschdiffusion sowie das weitere Problem einer Koppelung zwischen K- und Na-Austausch sollen in späteren Arbeiten untersucht werden.

Literatur D~L~zE, J. : Possible reasons for the drop of the resting potential of mammalian heart preparations during hypothermia. Circulat. l~es. 8, 553 (1960). GL¥~¢¢,I. M. : Sodium and potassium movements in human red cells. J. Physiol. (Lond.) 184, 278 (1956). ttAAS, H. G. : Ein Vergleich zwischen Fluxmessungen und elektrischen Messungen am 1V[yokard.Pitügers Areh. ges. Physiol. 281, 271 (1964). --, u. I-I. G. GLITSCE:Kalium-Fluxe am Vorhof des Froschherzens. Pftügers Arch. ges. Physiol. 275, 358 (1962).

Gegenseitige Beeinflussung der Ionenfluxe am Myokard

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Priv.-Dozent Dr. H. G. HAAS, Dr. H. G. GLITSC~und Dipl.-Phys. R. KERN, Physiologisches Institut der Universität, 69 Heidelberg, Akademiestr. 3