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Zeitschrift ]fir Ern#ihrungswissenscha]t, Band 14, Heft 4

Z. Ernfhrungswiss.14, 268-271 (1975) Physiologisch-Chemisches Institut der Universiti2t Erlangen-Ni2rnberg

Xylitstoffwechsel im menschlichen Erythrozyten*) K.-H. Q u a d f l i e g

und K. B r a n d

Mit 2 Abbildungen

Xylit h a t sich bei richtiger A n w e n d u n g als b r a u c h b a r e r Energietr~ger bei der p a r e n t e r a l e n Ern~ihrung bew~hrt. Dennoch bestehen bis h e u t e B e d e n k e n gegen die V e r w e n d u n g y o n Xylit, die i m wesentlichen auf zwei unerwiinschte N e b e n w i r k u n g e n zurfickzuffihren sind, die d e m Xylit angelastet werden: 1. V e r m e h r t e Bildung yon Oxals~ure (1, 2); 2. Abfall des ATP-Spiegels und d a m i t V e r a r m u n g des Gewebes an A T P nach X y l i t - V e r a b r e i c h u n g (3). U m diese F r a g e n zu kl~ren, w u r d e n U n t e r s u c h u n g e n tiber den i n t r a zelluHiren Stoffwechsel des Xylits durchgefLihrt, wobei es i m besonderen d a r a u f ankam, das Schicksal des Kohlenstoffes aus Xylit im I n t e r m e d i ~ r stoffwechsel zu verfolgen. Diese U n t e r s u c h u n g e n w u r d e n zun~chst in menschlichen E r y t h r o z y t e n durchgeftihrt, sollen a b e r kLinftig auch auf andere ZeHen u n d G e w e b e a u s g e d e h n t werden. U m das Schicksal des m i t d e m X y l i t den Zellen zugeffihrten K o h l e n stoffes zu verfolgen, w u r d e n menschliche E r y t h r o z y t e n m i t radioaktiv m a r k i e r t e m X y l i t u n d m i t Gemischen yon 14C-Xyllt u n d Glukose bzw. 14C-Xylit u n d F r u k t o s e inkubiert. U m den g e s a m t e n Stoffwechselweg des Xylits q u a n t i t a t i v zu erfassen, w u r d e n jeweils Kohlenstoffbilanzen erstellt. Dabei k o n n t e n folgende Ergebnisse erzielt werden: 1. Menschliche E r y t h r o z y t e n sind in der Lage, X y l i t m i t einer R a t e yon 1, 2 #Mol/ml Zellsediment/120 m i n a u f z u n e h m e n und zu verstoffwechseln. Wie aus d e m S c h e m a zu sehen ist, w i r d Xylit fiber D-Xylulose und X y l u lose-5-phosphat in den nichtoxidativen Weg des P e n t o s e - p h o s p h a t - Z y k l u s eingeschleust und anschlieBend fiber die Glykose praktisch vollst~ndig zu L a k t a t u m g e w a n d e l t . N u r ein sehr geringer Teil des X y l i t - K o h l e n s t o f f e s w i r d i m oxidativen Weg des P e n t o s e p h o s p h a t - Z y k l u s als COs freigesetzt. Eine b e s o n d e r e Rolle in den E r y t h r o z y t e n besitzt 2,3-Diphosphoglycerat, das ein wichtiger E f f e k t o r ist, der die S a u e r s t o f f a b g a b e aus H~moglobin f~rdert (4). Bei V e r w e n d u n g v o n Xylit als S u b s t r a t zeigte sich in allen Versuchen ein deutlicher Abfall des 2,3-Diphosphoglycerat-, in g e r i n g e m U m f a n g auch des ATP-Spiegels. I m E r y t h r o z y t e n kSnnen A T P und 2,3D i p h o s p h o g l y c e r a t als g e m e i n s a m e r Pool energiereicher V e r b i n d u n g e n angesehen werden. U m nachzuweisen, ob dieser Abfall des A T P und *) Vorgetragen auf dem Symposium ,,Kohlenhydrate und Elektrolyte in der parenteralen Ern~hrung" in Erlangen am 25.4. 1975.

Quadflieg und Brand, Xylitsto~wechsel i m menschlichen Erythrozyten

Fruatose =-F6"P"----2F6-P ~ NA0 I Sorbitol

ADP , 1,6-FDP

269

\

XU5-

S7"P~_~

R5P 5P

,/It DAP GAP ~

/

' E4-P'

~

'GAP' 'Xu5"P ,~ ~. ATP

~-DPG----~ "~--Jl 3"PG'*~

It

D-Xylulose

2,3-DPG ~

"

ll~::~ NAOP

t-xy,ulo~,-"-/ Xylitol

2-PG PEP

AT

Pyr --r~-" Lac Abb. 1, Der Weg des Xylits in mensehlichen Erythrozyten

2,3-Diphosphoglycerates allein auf Xylit zurfickzuftihren ist, w u r d e n V e r gleichsuntersuchungen m i t F r u k t o s e bzw. Glukose als S u b s t r a t sowie m i t Gemischen yon X y l i t u n d den jeweiligen Z u c k e r n durchgeffihrt. W i t k o n n t e n dabei feststellen, dal~ die Kohlenstof~aufnahme in weiten G r e n zen variierte. Insbesondere m i t den Gemischen von Xylit und F r u k tose bzw. Xylit u n d Glukose liel~ sich die K o h l e n s t o f f a u f n a h m e erheblich steigern. Zugleich e r g a b sich, da~ bei gesteigerter Kohlenstoffa u f n a h m e der Abfall des 2,3-Diphosphoglycerat- u n d ATP-Spiegels geringer wurde. Nach A u s w e r t u n g einer groBen Zahl yon Versuchen konnte eine sehr gute K o r r e l a t i o n zwischen K o h l e n s t o f f a u f n a h m e einerseits und der A n d e r u n g des 2,3-Diphosphoglycerates und A T P - S p i e g e l s andererseits g e f u n d e n werden. Ohne Zusatz von S u b s t r a t e n b e t r u g der Abfall yon A T P + 2,3-Diphosphoglycerat nach zwei Stunden pro Milliliter E r y t h r o zyt 1,14 #Mol. Bei g e r i n g e r Z u f u h r von Kohlenstoff, beispielsweise bei V e r w e n d u n g yon X y l i t als Substrat, k a m es zu e i n e m deutlichen Abfall dieser energiereichen Verbindungen, w ~ h r e n d be1 h o h e r Kohlenstoffzuf u h r - z. B. bei V e r w e n d u n g eines Gemisches aus X y l i t u n d Glukose - der Abfall dieser V e r b i n d u n g e n sehr gering war. Der Abfall y o n A T P u n d 2,3-Diphosphoglycerat in E r y t h r o z y t e n ist d e m n a c h nicht auf eine spezifische W i r k u n g des Xylits zuriickzuffihren, sondern h~ngt direkt y o n der Menge der a u f g e n o m m e n e n K o h l e n s t o f f a t o m e ab. I m Hinblick auf den Stoffwechsel des E r y t h r o z y t e n ist die V e r w e n d u n g yon Gemischen aus

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Zeitschr~ft ]fir Ernghrungswissenscha]t, Band 14, Heft 4

Z u c k e r n u n d X y l i t fiir die p a r e n t e r a l e E r n ~ h r u n g zu beffirworten, da die C - A u f n a h m e d a d u r c h erheblich gesteigert w e r d e n karm. 2. Eine weitere Fragestellung dieser U n t e r s u c h u n g e n w a r die mSgliche Bildung yon Oxals~iure aus Xylit, die auf zweierlei Weise abgekl~irt wurde: e i n m a l durch die Erstellung von Kohlenstoffbilanzen, die eine q u a n t i t a t i v e Aussage fiber das Schicksal des Kohlenstoffes zulassen; z u m a n d e r e n durch den d i r e k t e n Nachweis der mSglicherweise gebildeten Oxals~ure in E r y t h r o z y t e n nach I n k u b a t i o n m i t Xylit. Wie die A b b i l d u n g 2 zeigt, w a r die Kohlenstoffbilanz bei V e r w e n d u n g yon X y l i t als S u b s t r a t nach 120 min v o l l k o m m e n ausgeglichen, d.h., 99 ~ des u m g e s e t z t e n Kohlenstoffes k o n n t e n in den P r o d u k t e n Laktat, D - X y l u lose u n d in g e r i n g e m MaBe in CO2 gefunden werden. Die X y l i t a u f n a h m e und P r o d u k t b i l d u n g w a r fiber vier Stunden linear m i t der Zeit. Zus~tzlich w u r d e versueht, in den I n k u b a t i o n s a n s ~ t z e n Oxalat direkt.nachzuweisen, was bei allen Messungen n e g a t i v verlief. Da unsere Methode den Nachweis bis zu 5 nMol Oxalat erlaubt, k a n n a u f g r u n d der ausgeglichenen Kohlenstoffbilanz u n d des negativen Ausfalles des Oxalatnachweises die Bildung yon Oxalat aus Xylit in E r y t h r o z y t e n m i t Sicherheit ausgeschlossen werden. Unsere U n t e r s u c h u n g e n a m E r y t h r o z y t e n zeigten, dab Xylit yon diesen Zellen auf den b e k a n n t e n Stoffwechselwegen - P e n t o s e p h o s p h a t - W e g und

20

pg atoms Cjml Ery

I 15 84

I

Utilization

Recovery

14~5

10' 830 8~0

5.

Abb. 2. Kohlenstofi'bilanz des Xylits-Metabolismus in menschlichen Erythrozyten

Quadflieg und Brand, Xylitstoffwechsel im menschlichen Erythrozyten

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G l y k o l y s e - q u a n t i t a t i v zu L a k t a t u n d CO2 a b g e b a u t w i r d . Bei V e r w e n d u n g v o n X y l i t i n G e m i s c h e n m i t G l u k o s e o d e r F r u k t o s e k o n n t e die K o h l e n s t o f f a u f n a h m e so g e s t e i g e r t w e r d e n , dal3 d e r A b f a U d e r e n e r g i e r e i c h e n V e r b i n d u n g e n A T P u n d 2,3-Diphosphoglycerat n u r noch m i n i m a l war. Diese q u a n t i t a t i v e n U n t e r s u c h u n g e n fiber d e n i n t r a z e l l u l ~ r e n X y l i t s t o f f w e c h s e l zeigten, d a b b e i g e e i g n e t e r A n w e n d u n g die d e m X y l i t a n g e l a s t e t e n N e b e n w i r k u n g e n n i c h t a u f t r e t e n , w e s h a l b X y l i t als g e e i g n e t e E n e r g i e q u e l l e ffir d e n E r y t h r o z y t e n a n g e s e h e n w e r d e n k a n n . Zusammen]assung 1. Gewaschene, menschliche Erythrozyten verstoffwechseln u n t e r e x p e r i m e n tellen Bedingungen (pit 7,4, 37~ C) 1,14 ~Mol Xylit in 120 min. 2. Der 2,3-DPG- u n d ATP-Spiegel f~llt w~hrend der I n k u b a t i o n mit Xylit ab. Dieser Abfall ist keine speziflsche W i r k u n g des Xylits, sondern h~ngt yon der Menge der a u f g e n o m m e n e n C-Atome ab. Dies zeigten Vergleichsuntersuchungen mit den S u b s t r a t e n Fruktose u n d Glukose allein u n d in Kombination mit Xylit. Die h6chste A u f n a h m e a n C-Atomen wurde mit Glukose -k Xylit als Substrat erreicht. 3. Der verstoffwechselte Xylit w u r d e zu 99 % in den Produkten Laktat, CO~ u n d D-Xylulose wiedergefunden. 4. Eine Oxalatbildung aus Xylit konnte nicht nachgewiesen werden. Summary 1. Washed h u m a n erythrocytes metabolize 1,14 /~Mol xylitol in 120 rain u n d e r the following experimental conditions: pH 7.4 and 37 ~ C. 2. The levels of 2,3-diphosphoglycerate and A T P decrease during the i n c u b a tion with xylitol. This decrease is not a specific effect of xylitol, b u t depends on the a m o u n t of C-atoms taken up. This could be shown in control experiments with fructose and glucose as substrates given separated or in combination with xylitol. The highest uptake of C-atoms has been observed with glucose plus xylitol as substrate. 3.99~ of the metabolized xylitol was recovered in the products lactate, Co2 and D-xylulose. 4. There was no measurable oxalate production from xylitol. Ltteratur 1. SchrSder, R., W. F. DeLacroix, U. Franzen, J. Klein, W. M/211er, Acta Neuropath. 27, 181-184 (1974). - 2. Thomas, D. W., J. B. Edwards, J. E. Gilligan, J. R. Lawrence, R. G. Edwards, Med. J. Aust. 1972/1, 1238-1246. - 3. Woods, H. F., H. A. Krebs, Biochem. J. 134, 437--443 (1973). - 4. Benesch, R., R. E. Benesch, Biochem. Biophys. Res. Com. 26, 162--167 (1967). Anschrift der Verfasser: K.-H. Quadflieg u n d K. Brand, Physiologisch-Chemisches Institut der Universit~t Erlangen-Ntirnberg, 8520 Erlangen