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Reaktionen metabolisierender Systeme auf experimentelle Beeinflussung, Reiz und Schädigung

Grundprobleme der Quantitativen Biologie des Stoffwechsels

Reactions of metabolizing systems following experimental influences, stimulation or injury

Basic problems of quantitative biology of metabolism

Abstract

Metabolizing systems which follow the kinetics of open systems reveal characteristic reactions due to experimental influences, stimulation or injury. In the time-course of such reactions single or multiple transition states are observed; with a constant time parameter, a behaviour becomes manifest which was described long ago by various laws (Weber-Fechner-law,Arndt-Schulz-law, law of initial value afterWilder). These laws are derivable from the theory of open systems. Enzyme kinetics provide us with simple models obeying these laws; they are, however, also verified by reactions of metabolizing systems of either level or organization. Specific examples of these reactions are presented from the areas of experimental liver-injury, resting and activity state, as well as metabolic differences between cold- and warmblooded animals. The limitations of quantitative methods in biology are emphazised.

Zusammenfassung

1. Die Grundlagen einer quantitativen Biologie werden an Hand der Reaktionen stoffwechselnder Systeme auf experimentelle Beeinflussung, Reiz und Schädigung erörtert. In die Darstellung geht mit Notwendigkeit die Berücksichtigung des Systems (vor den Einzelreaktionen) ein.

2. Zu den Begriffen Wirkungsmechanismus und spezifische Wirkung wird einleitend Stellung genommen.

3. Die Reaktionen metabolisierender Systeme äußern sich in Übergängen („transition-states“); sie können schon am Modellsystem der Enzymkinetik dargestellt werden, in welcher die Fließgleichgewichtsbetrachtung immer mehr an Raum gewinnt. Limitierende Glieder (das Master-Prinzip) stehen mit den Eigenschaften des Gesamtsystems in Wechselwirkung. Die Übergänge können zu multiplen Schwingungen werden; von diesen sind spontan-rhythmische Vorgänge abzugrenzen.

4. Allgemeine Reiz-Reaktionsgesetze, wie dasWeber-Fechnersche Gesetz, dasArndt-Schulzsche Gesetz und dasWildersche Ausgangslagengesetz, lassen sich aus der Theorie stoffwechselnder Systeme ableiten. Schon im Bereich der Enzymkinetik, besonders im sogenanntenOgston-Laidlerschen Modell, können diese Gesetze verifiziert werden.

5. Neben Hemmungserscheinungen werden ausführlich Aktivierungsvorgänge betrachtet, die die Gültigkeit des (von der Pharmakologie irrtümlich abgelehnten)Arndt-Schulzschen Gesetzes unter Beweis stellen.

6. Für das Problem der Ausgangslage erweist sich die Diskussion experimenteller Bedingungen als notwendig. Die Frage einer „physiologischen“ Ausgangslage wird erörtert.

7. Auch einige sogenannte Konstanz-Phänomene, die mit den Reiz-Reaktionsgesetzen im Zusammenhang stehen und sich oft als (summative oder multiplikative) Konstanten aus zwei oder mehr Vorgängen ergeben, werden behandelt: paradoxe Reaktion, Komplettierung, Regulation, Kompensation, Erholung, Adaptation, Empfindlichkeit, Interferenz und die Beziehung des Stoffwechsels zu Alter und Körpergröße.

8. Auf dem Gebiete der experimentellen Leberpathologie wird eine besondere Exemplifizierung gegeben, und zwar bei den Reaktionen des Stoffwechsels nach chemischer und physikalischer Beeinflussung und ihren Verbindungen zu morphologischen Veränderungen. Kriterien zur Unterscheidung von Reiz und Schädigung werden erwogen; zu den Problemen der experimentellen Karzinogenese und zu Entzündung und Krebs wird Stellung genommen.

9. Auch der Aktivitätsstoffwechsel stellt eine spezielle Exemplifizierung der Gesetzmäßigkeiten stoffwechselnder Systeme dar; bei ihm verschaffen sich limitierende Bedingungen (wie O2-Gehalt, Substratgehalt, Durchblutung etc.) besonders stark Geltung.

10. Stoffwechselunterschiede zwischen Kalt- und Warmblütern treten unter Beeinflussung der Gewebsatmung in vitro mit 4,6-Dinitro-o-kresol bei verschiedenen Temperaturen zutage, und zwar an Gehirn, Leber und Herz, den mitochondrienreichsten Geweben. Die Unterschiede werden auch auf der Basis der TheorieJohnsons kinetisch interpretiert. Hier wird zum Problem der biologischen Temperaturwirkung kritisch Stellung genommen.

11. Abschließend wird das Problem der Beziehung der deterministischen zur indeterministischen Betrachtung in der Biologie erörtert. Es wird auf die Anerkennung stochastischer Abhängigkeiten in der Enzymkinetik, theoretischen Pharmakologie und Treffertheorie hingewiesen; sie deuten die Möglichkeit einer Erweiterung der Betrachtung der Reaktionen metabolisierender Systeme an. Eine typologische Auffassung wird der Fülle der Erscheinungen und der dynamischen Übergänge zwischen ihnen nicht gerecht. Auch die quantitative Betrachtungsweise gelangt an eine Grenze, sobald die Notwendigkeit qualitativer Gesichtspunkte anerkannt wird.

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Locker, A. Reaktionen metabolisierender Systeme auf experimentelle Beeinflussung, Reiz und Schädigung. Helgolander Wiss. Meeresunters 9, 38–107 (1964). https://doi.org/10.1007/BF01610025

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