Über die Mineralstoffe des Säugetiermuskels

R. t t ~ : Uber die Miner~lstoffe des Saugetiermuskels. I 423

Uber die Mineralstoffe des S~iugetiermuskels I. Mitteilung

Magnesium, Calcium, Zink und Eisen und ihre Bedeutung fiir die Muskelhydratat ion*

Von

REINER HAMM

Mitteilung aus dem Chemisch-physilcalischen Institut der Bundesforschungsanstalt fi~r Fleisch- wirtscha/t, Kulmbach

Mit 4 Textabbildungen

(Eingegangen am 20. Dezember 1957)

Von den Faktoren, welche die Qualit~t des Fleisches bestimmen, ist das Wasser- bindungsvermSgen des Muskelgewebes einer der wichtigsten 1. Frfihere Untersuchun- gen fiber den Einflu~ yon Sa]zen schwacher Sauren auf die Hydratat ion des Rinder- muskels ~ ffihrten zu der Annahme, dal~ die yon Haus aus im Muskel enthaltenen Erdalkalimetalle dessen t tydratat ion herabsetzen. Die hydratisierende Wirkung dieser Salze entspricht nicht ihrer Ste]lung in den lyotropen l~eihen, sondern ihrem VermSgen, Erdalkalien zu binden oder zu fallen. Mit diesen Versuchen war jedoch noch nicht eindeutig erwiesen, dal~ gewisse Muskelmetalle tatsachlich die Hydratat ion des Gewebes herabsetzen, da wit die MSglichkeit eines unmittelbaren Einflusses der Anionen auf das Muskeleiweil~ ebensowenig ausschlieBen konnten wie den unspezi- fischen Effekt einer durch den Salzzusatz bedingten erhShten Ionensti~rke. Einen Weg, diese Einfliisse zu vermeiden, d. h. die mehrwertigen Kationen ohne wesentliche Steigerung der Ionensti~rke und ohne zusi~tzliche Anioneneffekte dem Muskel zu entziehen, bietet die Behand]ung des Gewebehomogenates mit Kationenaustauschern. Als ,,festes Anion" kann ein solches Austauscherharz dutch geeignete Methoden nach dem Austauschprozel~ wieder dem Gewebe entzogen werden.

Die Bedeutung mehrwertiger Metalle ffir die Eigenschaften biologischer Sub- stanzen konnte bereits an flfissigen Systemen wie Milch oder Blut mit Hilfe yon Kationenaustauschern erkannt werden. So z. B. gelang es, durch teilweisen Entzug des Calciums mittels Ionenaustauscher die Coagulation der Milch zu verhindern 3 und eine bessere Haltbarkeit zu erzielen ~. Auf feste oder halbfeste Systeme aber, vor allem auf Gewebshomogenate, wurde diese Methode unseres Wissens noch nicht angewendet. Dies dfirfte der Grund sein, dal~ bisher noeh kein unmittelbarer Beweis erbracht wurde fiir die viel zitierte 5 verfestigende und dehydratisierende Wirkung, die Calcium auf das Muskelgewebe ausfiben so]l und die aueh physiologiseh yon hohem Interesse ist. Der EinfluB yon Ca ++- und Mg++-Ionen auf gewisse Eigensehaf- ten (LSsliehkeit, ,,Superpr~cipitation", StrSmungsdoppelbrechung, Enzymwirkung

* Frau LIESELOTTE HAUSEa und Frl. HEDWlG B~EH~ danke ich fiir ihre geschickte und fleil~ige Mitarbeit.

1 HA~, R. : Dtsch. Lebensmittel-l~dsch. 49, 153 (1953). 2 HAM~, R., u. R. G~AV: Diese Z. (ira Druck). - - G~AV, R., R. HAMM u. A. BAUHAUS:

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Literatur zit. bei R. g ~ : I)iese Z. 106, 281 (1957).

424 R. H ~ :

usw.) isolierter Muskelproteine ist zwar eingehend untersucht wordenl; auch fiber die Wirkung zugesetzter Kationen auf die I-Iydratation des Muske]gewebes liegen einige Arbeiten vor 2. Dies darf jedoch nicht dariiber hinwegti~usehen, dal] fiber die Bedeutung der yon Natur aus im Muskel enthaltenen Metalle ffir die Eigenschaften des Gewebes, insbesondere ffir seine Hydratat ion, nut wenig bekannt ist.

Ein Teil der vorliegenden Arbeit befai]t sieh mit der Frage, in welcher Weise sich ein Kationenentzug auf die Hydra ta t ion des Muskels auswirkt. Analytiseh waren hierbei alle fiir eine Dehydratationswirkung in Betracht kommenden mehrwertigen Metalle des Muskels zu berficksiehtigen. Es sind dies neben den Erdalkalimetallen lediglieh noch Zink und Eisen. Die fibrigen mehrwertigen Metalle des l%indermuske]s Cu s, ~, 5, s, ~, AgT, A16, 7, Sn 7, pb 5, 7, s, Cr 7, Me 7, Mn 7, Co 7, Ni T, U 9 kommen nur in Spuren vor, die zusammengenommen nicht mehr als 0,06--0,08 rag/100 g der frischen Muskelsubstanz ausmachen, ffir die Muskelhydratation also kaum yon Bedeutung sein diirften.

Es war yon vornherein anzunehmen, daI3 die Behandlung mit Kationenaustauscher auch einen Aufschlul~ fiber die Festigkeit gibt, mi t welcher die Metalle Magnesium, Calcium, Zink und Eisen an das Muskeleiwei]] gebunden sind. Was den Zustand, in dem diese Elemente im Muskel vorliegen, anbetrifft, so ist es an sich nicht m5glich, einen scharfen Unterschied zwischen freiem Ion und gebundenem Metall zu machen. Betraehtet man z. B. die ffir die Kationenbindung in erster Linie in Betracht kommenden Carboxylgruppen des Eiweii~es, so gibt es mehrere MSglichkeiten ffir die Kom- pensation dieser Gruppen durch positive Ionen: 1. Feste Bindung des Kations; 2. Vorfibergehende Bindung eines Ions (Ionenpaarbildung naeh BJERR~-~); 3. Bil- dung einer Ionenatmosph~re (naeh DE~r]~ und Hffcxsr.). Da diese Bindungs- zust~nde ineinander fibergehen, kann man nicht yon einer best immten Anzahl ,,freier" Kat ionen sprechen. Zutreffender ist bier der Begrfff der thermodynamischen Aktivi- ti~t des Ions. Diese GrS{3e best immt die Massenwirkung und damit aueh weitgehend die Gesehwindigkeit der Reaktion mit Kationenaustauschern.

Es ist anzunehmen, da{~ ,,freie" oder nut locker gebundene Kationen sich mit Wasser oder geeigneten LSsungen leichter aus dem Muskel extrahieren lassen als fester gebundene. Man hat daher versueht, die Konzentrat ion eines Kations im Ex t r ak t (bezogen auf Volumeneinheit) als Kri ter ium ffir die Bindungsfestigkeit des Ions an EiweiB zu benfitzen 1°. Dies ist jedoch nicht ohne weiteres zulgssig, da ein Tell der extrahierten Ionen nicht frei, sondern an wasserlSsliche Muskelproteine gebunden vorliegt. Auch die Relation Kation/Protein-N im Ex t rak t 1/il3t keine Sehlfisse fiber den Bindungszustand des Kations zu, so lange nicht bekannt ist, welchen Anteil an Kat ionen das gelSste Protein ,,fest gebunden" enth~lt und durch welche Faktoren

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Uber die Mineralstoffe des Saugetiermuskels. I 425

diese GrSBe beeinflugt wird. Soweit man also durch Extraktionsversuche die Frage der Ionenbindung klgren will, mug man im Extrakt die Aktivitgten durch Versuche mit Ionenaustausehern, U]trafiltration oder einer der anderen, friiher yon uns diskutierten Methoden bestimmen i. Aus solchen Untersuchungen yon Muskelsaft oder Muskelextrakten lassen sieh indessen nur in recht begrenztem lViaB Riiek- schliisse auf den Bindungszustand der Kationen im ]~{uskeleiweig ziehen, da das Extraktionsverfahren Kationenverschiebungen und St5rungen des Proteinkomplexes (Auftrennen in ]6sliche und strukturelle Proteine) mit sich bringt. Wir hielten es daher fiir richtiger, dutch Behande]n des Gewebehomogenates mit Austauscherharz und Bestimmung der Geschwindigkeit des Ionenaustauschs die Bindungsfestigkeit der Ionen nieht nur in den wasser]Sslichen Myogenen und im Muskelalbumin, sondern auch in den fiir die mechanisehen Eigenschaften des Fleisches vor allem maggebenden strukturel]en Proteinen zu bestimmen.

Was die Methodik des Austausehes anbetrifft, so kommt fiir Gewebehomogenate natiirlich nicht das fiir eine Gleiehgewichtseinstellung giinstige S£ulenverfahren, sondern nur das giihren mit dam Austauscher in Betracht, wobei gegebenenfalls eine mehrfache Erneuerung des Austauschers im Sinne des ,,Batch-Verfahrens"angewendet werden kann. Da as sich beim Ionenaustausch urn eine Gleichgewichtsreaktion handelt, sollte man fiir einen m6glichst weitgehenden Austausch einen m6glichst groBen UberschuB an Austauscher anwenden 2. Es ist jedoeh in vorliegendem Fall nicht ratsam, dem Muskel wesentlich mehr als 10~o Austauseher zuzusetzen, da sonst fiir die analytische Aufarbeitung keine ausreichenden Mengen an austauscherfreiem Gewebe zur Verfiigung stehen, ttinsiehtHch der Reaktion des Gewebes mit einem dutch Na+-Ionen besetzten Kationenaustauscher wird man unterscheiden miissen zwischen a) einem relativ raschen Austauseh yon freien oder nut locker gebundenen mehrwertigen Kationen und b) einem wesentlich langsamer verlaufenden Austauseh der fester gebundenen mehrwertigen ,,Gegenionen" des MuskeleiweiBes. In letzterem Fall diirfte as sich um einen Kontaktaustausch handeln, wie ihn D~u~L ~ z. B. an pektinsaueren Salzen untersucht hat. Es handelt sich hier urn den speziellen Fall des Austausches zwischen zwei Festk6rpern. Schlieglieh kSnnen Ionen so fest gebunden sein (z. B. Chelat-Komp]exe), dug kein Austausch mit melibarer Geschwindig- keit erfo]gt.

Wit sind uns bewuBt, dab es dieses Verfahren nieht gestattet, die Absolutwerte der Aktivitgten yon Mg ++, Ca ++, Zn ++ nnd Fe ++ (+) im Muskel zu bestimmen. Urn diese GrSBen exakt zu ermitteln, miiBte man eine Gleichgewichtsmethode anwenden, wie sie zur Bestimmung der Aktivitgten yon Ca ++ und Mg ÷+ in Milch herangezogen wurde 4. Hierzu wgre die Kenntnis a) der Ionenstgrke des Muskels und b) der Aktivi- t~t mindestens eines Kations notwendig. Diese Werte sind ]edoch nicht mit hin- reiehender Genauigkeit bekannt 5. Da zudem das S/iulenverfahren bier nicht anwend- bar ist, wird die Gleichgewiehtseinstellung, soweit sie iiberhaupt zu erreichen ist, zu lunge Zeit in Anspruch nehmen. Dennoch dfirfte unsere Methode fiber die relativen Untersehiede in der Bindungsfestigkeit yon Mg, Ca, Zn und Fe befriedigenden Auf-

HAM~, I~. : Diese Z. 104, 245 (1956). K~i)G~R, E. G. : Chemiker-Ztg. 22, 768 (1955). ])EUEL, I-I., L. LANYAs-WEIsS u. J . SOL~S: Exper ien t i~ (Basel) 7, 294 (1951). - - I)EIFEL, H.

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KaEVEL]), A., u. G. viN MINN~N: Neth. Milk. I)aflT J. 9, Nr. 1 (1955). Einer exakten Bestimmung der H+-Konzentration stehen ahnliche Schwiedgkeiten en~gegen

wie bei Milch (Pallmann-Effekt).

426 R. H A ~ :

schlul3 geben . I n ghl f l icher We i se w~r es K L ~ E ~ T 1 ge lungen , e inen E i n b l i c k in den B i n d u n g s z u s t a n d v o n C~lc ium in B l u r zu gewinnen .

Methodik

Untersuchungsmateria[ Der yon Fet t und Bindegewebe befreite Muskel (m. longissimus dorsi) 5--7jahriger Kfihe der

Handelsldassen B und C kam 5 Tage nach dem Sehlachten zur Untersuchung. In diesem Aus- gangsmaterial wurden der pR-Wert und die Gehalte an H20 , N, Mg, Ca, Zn und Fe ermittelt.

A ustauscher-Harz Der stark sauere Kationenaustauscher ,,Lewatit S 100" (Fa. Bayer, Leverkusen), ein Poly-

styro]harz mit kernsubstituierten -SOaH-Gruppen (Korngr51~e 0,4---0,6 ram), wurde zun~ehst durch Behandeln mit 5 n-HC1 (S~ule) yon Eisenionen befreit. Da Fe yon Kationenaustausehern bekanntlieh sehr z~h festgehalten wird, mul~ man mit grol~en Mengen S~ure und sehr langsamer Durchlaufgesehwindigkeit einieren 2. Naeh Neutralwasehen wurde der Austauseher dureh Be- handein mit ~aC1-LSsung (10°/o) in die Na+-Form fibergefiihrt. In entsprechender Weise wurde ein K+-Lewatit hergestellt.

Quellung des Austausehers: 5 g Na+-Lewatit nahmen bei p~ 7,5 maximal 2 ml Wasser auf.

A ustauschversuch mit Muskelgewebe 100 g des im Fleisehwolf zerkleinerten Muskels wurden in einem Zerkleinerer (z. B. Starmix)

mit der zur l%-Einstellung notwendigen Menge n-NaOH 3 unter Zusatz yon Eiswasser 60 see zerldeinert. Der gesamte Wasserzusatz (einschl. NaOH) betrug 100°/o . Das zerkleinerte Material wurde dann naeh Zusatz yon 10 g Lewatit im Kfihlraum bei etwa 0 ° C eine bestimmte Zeit gerfihrt und anschliel~end in gewogenen Beehern bei 0 ° C zentrifugiert. Dabei setzte sieh der Austauseher im unteren Tell des Zentrffugenrfickstandes ab. ~XTaeh Abgiel~en des Zentrifugates und Wiegen des Rfiekst~ndes (Gewebe + Austauscher) liel~ sieh der austauseherfreie Teil des Riickstandes mtihelos abtrennen. Der austauseherdurchsetzte Tell wurde verworfen. Die Zentrifugate wurden fiber reine Glaswolle ffltriert.

In allen FMlen wurde ferner ein Parallelversueh in der gleiehen Weise, aber ohne Zusatz yon Lewatit durchgeffihrt. Urn auf den g]eichen End-p~-Wert wie bei den Austauseheransi~tzen zu kommen, muBte bier der Zusatz an n-NaOH um etwa 0,5 ml erhSht werden. Diese Verg]eichs- versuche ohne Austauscher waren notwendig, um den Einflul~ des Ionenaustausches auf die t tydra- ration des Gewebes beurteilen zu kSnnen. Der Rfihrprozel~ fiihrt n/~m]ieh an sieh sehon zu einer erhebliehen Steigerung der Wasserbindung. Durch Bestimmung yon Mg, Ca, Zn und Fe in den Zentrifugaten dieser Ansi~tze konnten wir aul~erdem ein Bild yon der Extrahierbarkeit der K~t- ionen dureh Wasser gewinnen. {}ber diese Ergebnisse soll in einer sp~teren M_itteilung beriehtet werden.

Mineralbestimmung und Ermitt[ung des Ionenaustauschs Bei dem grSl~ten Tell der Versuche wurden ftir die Mineralbestimmnng Rtiekstand (5 g) und

Zentrifugat (10 oder 20 m]) getrennt veraseht. Einfacher ist es, aliquote Teile yon Rtickstand und Zentrifugat zu vereinigen und gemeinsam zu verasehen. Veraschung und Bestimmung yon Mg, Ca, Zn und Fe wurden nach einer frfiher besehriebenen Methode 4 durchgeffihrt. Das Verfahren wurde in folgender Weise geringfiigig abgei~ndert: Nach Abtrennung der Phosphorsi~ure wurde das Eluat in einer Platinschale auf etwa l0 ml eingeengt und auf 25 ml aufgeffillt. Fiir die kom- plexometrisehe Titration wurden je 2 ml, ffir die Eisenbestimmung 5 ml entnommen. Die Ge- nauigkeit der Bestimmung des im austauseherbehandelten Muskel nur in geringer Menge anwesenden Zinks konnte dureh Zusatz yon Mg-Komplexonat zum Erioehromsehwarz-Titrations- ansatz bedeutend erhSht werden.

Zieht man vom Mineralgehalt des Ausgangsmaterials 5 die nach Ionenaustauseh in Rfiek- stand + Zentrifugat verbliebene Kationenmenge ab, so erh/~lt man den Betrag an ausgetauschtem

1 KLEMENT, ~. , M. STRERLE n. H. GROSS: Naturwiss. 40, 246 (1953). 2 SEEL, F. : Chem. Labor u. Betrieb 6, 63 (1955). 8 Puffersysteme kommen ffir die pu-Einstellnng nieht in Betraeht, da dureh deren Ionenstarke

und spezifisehe Ionenwirkungen die Bindung der Kationen an Protein ver~ndert werden kann. 4 HAM~, R.: Biochem. Z. 327, 149 (1955).

Bei dieser Bereehnung mul~ der dureh die Aufarbeitung des Ansa~zes bedingte Gewiehts- verlust (etwa 50/0) berficksichtigt werden.

Uber die Mineralstoffe des Si~ugetiermuskels. I 427

Kation, der, bezogen auf die eingesetzte Kationenmenge, den Austausch des be- treffenden Ions in % ergibt.

Im Falle der austauseherfreien An.- s/~tze muB die wiedergefundene Ka~i0nen- mange gleich der eingesetzten sein. Wie Tab. 1 am ]3eispiel dreier Ansatze zeig% ist dies aueh der FM1.

H ydratation Die dureh Kationenaustauseh her-

vorgerufene Anderung der Muskelhydra- ration wurde a) anf Grund der im Zen-

Tabelle 1. In Zentri]ugat + Ri2clcstand wiederge/un- dene Kationen bezogen au] die eingesetzte Menge.

Kein Lewatit-Zusatz

Wieder efundene Kationen bei

Kation Ansatz L 73 %

Mg Ca Zn Fe

99,3 101,0 99,6 99,0

Ansatz L 75 Ansatz L 77 % %

99,3 100,9 101,5 100,8 100,6 99,0 102,5 101,7

trifugat enthMtenen Wassermenge und b) dureh Messung der Wasserbindung im Zentrifugen- riiekstand (5 g) nach Zusatz yon 100°/o Fremdwasser mittels der Pregmethode 1 bestimmt.

a) Zentri/ugenmethode. Die aus der Differenz zwisehen dem im Ansatz en~haltenen Gesamt- wasser (WassergehMt des Muskels + zugesetztes Wasser) und dem bei Zentrifugieren ansgetrete- hen Wasser ermittelte Menge gebundenen Wassers ergibt, bezogen auf das Gewieht des zusatzfreien Nuskels (100 g), die Wasserbindung in Prozent.

b) Pre/3methode. Bei der Berechnung der Wasserbindung (gebundenes Wasser in % des zusatzfreien Muskels) ist zu beriicksichtigen, dal3 ein Teil des vor dem Austausehversneh zugesetzten Wassers (100%) nach dem Zentrifugieren im Gewebebrei verbleibt.

Berechnung der im Zentrifugenriickstand enthaltenen Menge an Muskelsubstanz :

~'~= w~-- w~, F = ( t '~ ÷ W z ) " 100

lOO + w~ '

F - 300 M = 300

lO0

_F~ = Fremdwassergehalt des Riiekstandes in %. F -= Fremdwassergehalt des Riiekstandes naeh Zusatz yon Wz in %. W~ = Wassergehalt des eingesetzten lKuskelmaterials in %. Wa = Wassergehalt des Zentrifugenriiekstandes in %. Wz = Vor dem PreBversnch zugesetztes Wasser in % (bezogen auf zusatzfreien l:~i;mkstand). M ~- Menge an Muskelsubstanz in 300 mg der zum Pregversuch gelangenden Misehung.

Die weitere Berechnung der Wasserbindung erfolgt in der friiher angegebenen Weise ~. Die durch Ionenaustansch bedingte ErhShung der naeh diesen beiden Methoden ermittel~en

Wasserbindung wird im folgenden mit A W bezeichnet. Zwischen den mittels der Prel~methode und den auf Grund der Zentrifugenme~hode erhMtenen

tIydratationswerten besteht eine sehr enge Korrelation (Korrelationskoeffizient r = 0,962 bei 30 Freiheitsgraden). Wir sehen darin einen weiteren Beweis fOr die Zuverl~ssigkeit der Preg- methode bei der Ermitt lung des Hydr~tationszustandes.

]~ei einigen Versuehen wurde die ttydr~tations~nderung nach ttitzedenaturierung (80 ° C) ~uf einem friiher angegebenen Weg ~ bestimmt.

Sonstige Bestimmungen

In Riickst~nden und Zentrifugaten wurden der p~-Wert und die Gehalte an H~O, Asehe und Stickstoff in der iiblichen Weise bestimmt. In den Zentrifugaten wurde ferner der Rest-N nach EiweiBf~llung mit Trichloressigs~ure (15 ml 15°/oige CC13COOH auf 5 ml Zentrifugat) ermittelt.

Ergebnisse

1. Gehalt des Rindermuslcels an Magnesium, Calcium, Zink und Eisen Die y o n uns e r m i t t e l t e n Geha l t e des R i n d e r m u s k e l s an 2¢Ig, Ca, Zn u n d F e s ind

aus T~b. 2 zu ersehen.

1 GRA~-, I~., u. I~. HAM~I: Diese Z. 105, 446 (1957). 2 I-IAMM, l~., u. R. GRAU: Dtsch. Lebensmittel-Rdsch. 51, 106 (1955).

428 1%. H x ~ :

Tabelle 2. Der Gehalt des/rischen Rindermuskels an Magnesium, Calcium, Zink und Eisen

Element

~g Ca Zn Fe

Anzahl der Analysen

32 32 26 30

Maximalwer~

mg/lO0 g

26,84 5,58 4,21 4,17

3Iinimalwert

rag/100 g

22,61 3,90 2,59 1,98

~ittelwerg

rag/100 g

24,59 4,65 3,17 3,30

Grammafom in i kg ~uskel

1 • 10 -~ 1 • 10 -8 5" 10 -~ 6" 10 -~

Was Magnesium ~, ~, ~, ~, ~, s, Zink ~, ~, v, s, ~, ~0 und Eisen ~, ~, n, ~, xz, ~ anbetrifft, so st immen die yon uns gefundenen Werte mit denen anderer Autoren etwa fiberein. Ffir CMcium ~ hingegen lieg~ selbst unser Maximalwert unter dem yon den meisten anderen Autoren ~, ~, ~, ~z, ~t, ~ gefundenen CalciumgehMt des l~indermuskels. Der yon McCa~cE und Wn)Dowso~ ~ angegebene Wert entspricht dem unseren, wi~hrend M ~ ¢ ~ m ) o ~ u n d L ~ D o ~ ~ einen wesentlieh niedrigeren Gehal~ (2,6mg/100g) fanden. Die jahreszeitlichen Schw~nkungen im MinerMgehalt des Rindermuskels und die M6glichkeit eines Zusammenhanges mit der Ffitterung haben wit ~. a. O. ~ er6rtert.

Nach unseren Befunden ist im Muskel die molare Konzentrat ion an M~gnesium etwa zehnmal so hoeh wie die an CMcium.

2. Kationenaustausch bei p , 7 und seine Wir]cung au/ die Muskelhydratation Wie mehrere kinetische Untersuehungen ergaben, And nach 1 Std Ausfauscher-

behandlung bei p . 7 nur 1 - -15% CMcium und 10--17% Zink, dagegen 68- -72% Magnesium ausgefauscht. Eisen wird nicht ausgetauseht. Mit zunehraender t~eaktionsdauer steigt der Austausch yon Calcium und Zink an, und zwar sind nach 7 Std 21- -33% Ca und 19--25% Zn, nach 20 Std 34- -47% Ca und 32--37% Zn ausgetauscht, w/~hrend sich die Gr6Benordnung des Mag~aesiumaustausches gegenfiber dem nach 1 Std erhMtenen Wert nicht mehr ~ndert (68--75% nach 20 Std). Eisen wird auch nach 20 Std Lewatitbehandlung nich~ ausgetauscht. In Abb. 1 And die Ergebnisse einer solchen Versuchsreihe aufgezeichnet.

Das Molverhgltnis Mg/Ca im Muskel lag bei den eingesetzten Proben zwischen 7,7 und 10,7. Nach 1 Std Aust~useherbehandlung sank es auf 2,0--2,9 ab, um d~nn im Laufe der weiteren Behandtung infotge des zunehmenden CMeiumentzuges fiber 3,1--3,6 (n~ch 7 Std) auf 4,2--5,0 (nach 15--20 Std) zuzunehmen.

10ELSC]~LXGEt¢, W., u. R. KI~IEc: Zit. 8. 424, Anm. 6. MITTELDOKF, A. J., 11. D. O. LA~DON: Zit. S. 424, Anm. 7. KATZ, 1~. : Pfliig. Arch. ges. Physiol. 68, 1 (1896). McCA~c~, 1~. A., u. E. M. WmDowso~: Chem. Composition of Foods, Spee. :Rept. Series

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(~ber die Mineralstoffe des S~ugetiermuskels. I 429

Neben den anorganischen Kationen scheinen in geringem Umfang auch organi- sche stickstoffhaltige Basen ausgetauscht zu werden. Der Gehalt der Zentrffugate an Rest-N lag bei den Lewatitansi~tzen ni~mlich um etwa 10~o u n t e r demjenigen der lewatitfreien Ansi~tze. Dieser Austausch (etwa 16--20 mgN/100 ml Zentrifugat) hatte bereits nach 1 Std Lewatitbehandlung seinen Grenzwert erreicht.

l~ach einigen Std Rfihren zeigte der austauscherbehandelte Mnskelbrei gegenfiber der entsprechend behandelten, aber austauscherfreien Mischung einen auffallenden Unterschied: Der Austauscher-Ansatz wurde so gelatinSs-fest, daft die Masse beim Umstfirzen des Glases nicht ausfloft, w~hrend die austauscherfreie Mischung ihre breiig-flfissige Konsistenz behielt. Dieser kr~ftige Hydratationseffekt lieft sich

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A b b . 2

A b b . t . Kationenaustausch in Muskelhomogenat ( p . 7) und seine Wirkung auJ die Mus}elhydratation. 1 0 0 % H 2 0 - , 10% Na+-Lewatit-Zusatz. ttydratations~nderung: A W (Zentrifugatvolumen) ÷ . . . . ÷; A W (PreBversuch am

Rfickstand) x--- x Abb. 2. Beziehung zwischen der Hydratation des Muskelhomogenates mit normalem Kationengehalt und der durch Ionen- austausch (PH 7) bedingten Hydratationssteigerung. Dauer der Behandlung: 15 Std. 100% H20-, 10% Na+-Lewatit - Zusatz. Hydratationswerte: a)Auf Grund des Zentrifugatvolumens (o--o), b)auf Grund des PreBversuchs am

l~iickstand (© - -- O)

anhand des Zentrifugatvolumens und der Wasserbindungsbestimmung im Riickstand messend verfolgen. Aus Abb. 1 geht hervor, daft ffir die Hydratationszunahme in erster Linie die Eliminierung des Calciums und Zinks maftgebend ist. Der Magnesium- austausch hat schon nach 1 Std seinen Grenzwert erreicht, ohne daft sich die tIydra- ration wesentlich ge/indert h/itte.

Die Hydratationssteigerung dutch Kationenaustausch kaim bei verschiedenen Muskeln sehr untersehiedlich sein. Wie Abb. 2 zeigt, ist dieser Effekt yon dem Hy- dratationszustand abh/ingig, den das Gewebehomogenat vor Entzug der mehrwertigen Kationen besitzt. Je st/irker das Muskeleiweift schon yon Haus aus hydratisiert ist, um so weniger vermag ein Ionenaustausch die Wasserbindung noch zu erh6hen.

Die ttydratationssteigerung durch Kationenaustausch bleibt auch in gewissem Urn fang naeh H i t z e d e n a t u r i e r u n g erhalten. So fanden wir z. B. fiir einen bei PH 7 durehgeffihrten Austauseher-Ansatz (15 Std) auf Grund des Zentrffugatvolumens eine ttydratationserhShung yon A W = 68%. Der Wasseraustritt bei ttitzedenaturierung (80 ° C) des Zentrifugenriiekstandes ergab eine Steigerung der Wasser- bindung (z] Wd-Wert 1) yon 30%. Zu/~hnlichen Resultaten kamen wir dutch Messen des Flfissigkeitsaustrittes bei tIitzedenaturierung des gesamten, also nieht vorher zentrifugierten Homogenats. Auffallend sind die Untersehiede in der Konsistenz der denaturierten Massen. Das ohne Austauscher behandelte Material ist im Anschnitt

1 H~a~, R., u. R. G~iv: Diese Z. (im Druck).

430 I~. ttAM~:

rauh, zerfgllt leieht und ist yon kr/imelig-fasriger Konsistenz; die austauscherbehandelte Masse hingegen ist im Anschnitt glatter, ziemlieh kompakt und yon pastiger Konsistenz.

Es ist naheliegend, die Eliminierung yon Ca und Zn als den ftir die t tydratat ions- steigerung maggebenden Effekt zu betraehten. Man muB jedoch aueh beriicksichtigen, dab durch den Austausch yon Mg, Ca und Zn und vie]leicht auch eines Teiles des im Muske] zu etwa 300 mg/100 g anwesenden Kaliums gegen die Na÷-Ionen des Aus- tauschers eine Erh6hung der Natriumionen-Aktivitgt im Muskelhomogenat bedingt ist. Nun ist es bekarmt, dab Na+-Ionen die I-Iydratation des Muskeleiweiftes steigern und dub dieser Effekt bei p~ ~ 6 st/irker ist als derjenige yon K+-IonenL Es w/ire daher denkbar, dab die Zunahme der Na+-Aktivit/it und m6glicherweise ein K +- Entzug ftir die Hydratationssteigerung maftgebender ist als der Entzug der mehrwertigen Muskelmefalle. Wenn dies zutrgfe, dann m/iBte sehon nach 1 Std Aus- tauseherbehandlung, naeh welcher infolge des weitgehenden Mg÷+-Austausehes bereits der grSBte Tefl der insgesamt (naeh 20 Std) austauschbaren Na+.Ionen in das Muskelhomogenat iibergetreten ist, nahezu der volle I-Iydratationseffekt erreieht sein. Dies ist jedoeh nieht der 1%11. Entseheidend fiir die Hydratat ionszunahme ist demnaeh nieht das Anwaehsen der Na+-Aktivit/it allein, sondern der Austctusch yon Ca und Zn gegen Natriumionen.

Daft ein m6glieher Austauseh des Muskel-K + gegen Na + bei der t tydratat ions- beeinflussung keine l~olle spielt, zeigten uns ferner Versuche mit K+-Lewatit, bei denen ein soleher Austauseh nieht eintreten kann. Wit fanden z. B. naeh 15 Std Austauseherbehandlung (p~ 7) einen Wert yon A W (Zentrffugatvolumen) = 15% (Wasserbindung ohne Lewatitbehandlung 126%) bzw. A W = 50% (Wasserbindung ohne Lewatitbehandlung 90%). Die Behandlung mit K+-Austauseher fiihrt also zu /ihnliehen Effekten wie die mit Na+-Lewatit (Abb. 2). Aueh hier entspriehg die t Iy- dratat ionszunahme dem Entzug yon Ca und Zn. DuB der Austauseh dieser Kationen etwas langsamer vonsta t ten geht als bei Verwendung yon Na+-Lewatit, mag damit zusammenh/ingen, daft K + eine grSftere Affinit/it zum Austauseherharz hat als Na +2.

Um den EinfluB der Menge an zugesetztem Wasser auf den Ionenaustauseh fest- zustellen, wurden zwei Vergleiehsans/itze mit 100% und 200% Wasserzusatz dureh-

gefiihrt. Dabei zeigte sich, daft die Tabelle 3. Ein/lufi des vorherigen Ri&rens au/ den Kationenaustausch in Muslcelhomogenat (p~ 7).

100% H20-, 10% Na+-Lewatit-Zusatz. Behandlung des l~uskelhomogenats

nicht zuvor nicht Kation vorbehandelt, 15 Std ger/ihrt, vorbehandelt,

1 Sfd 1 Std 15 Std Austausch Austausch Austausch

% % %

C~ Zn Fe

69,5 12,0 17,0 0

69,9 19,8 17,3 O

70,9 42,2 36,1 O

H6he des Wasserzusatzes in diesen Grenzen ohne wesentlichen EinfluB auf die Geschwindigkeit des Kat - ionenaustausehes ist.

3. Ein/lu[3 des Riihrens au/ den Kationenaustausch (p~ 7)

Wie die vorangehenden Versuche ergaben, n immt mit zunehmender Dauer des t~iihrens mit Lewatit der Austauseh yon Ca und Zn zu. Es wgre nun denkbar, dab es sich hier-

bei um eine fortschreitende, duroh den Riihrprozeft bedingte Denaturierung der Muskelproteine handelt und dab durch diese Denaturierung die Kationenbindung gelockert wird. Wir untersuohten daher den Kationenaustauseh in einem Gewebe-

IIA~_~, 1~. : Zit. S. 424, Anm. 2. WIO~OLD, 1~.: Z. analyt. Chem. 132, 401 (1951).

Ober die Mineralstoffe des S~ugetiermuske]s. I 431

homogenat, das vorher 15 Std ohne Austauscher geriihrt worden war und verglichen diesen Austauseh mit demjenigen in nicht vorbehande]tem Material. Wie die Werte yon Tab. 4 erkennen lassen, ist der EinfluI~ des vorherigen Rfihrens auf die Aus- tauschbarkeit der Kat ionen nur gering. Der Austauseh yon Ca ist etwas erhSht, der yon Mg und Zn hingegen unver£ndert. Der mit der Dauer der Lewatit-Behandlung zunehmende Austausch yon Ca und Zn ist somit nicht die Folge einer beginnenden Eiweif~denaturierung.

4. Kationenaustausch in Musl~elhomogenat bei wiederholter A ustauscherbehandlung (p.7)

Bekanntlich ]~uft die Reaktion einer SalzlSsung mit einem Ionenaustauscher nieht vollsti~ndig ab, sondern fiihrt stets zu einem Gleichgewichtszustand, der durch Selektivkoeffizienten festgelegt ist. Wenn ein vo]lsti~ndiger Umsatz erzielt werden soll, ist es notwendig, die Gleiehgewichtsl6sung immer wieder mit frischem Ionen- austauscher umzusetzenL Auch in unserem Fal]e, in dem es sich zum Tell nicht um einen Austausch gelSster Ionen, sondern um Kontaktaustausch handelt, war zu erwarten, dal~ ein Zusatz yon frisehem Lewatit zu einer weiteren Steigerung des Austausehes fiihrt. Von einem Ansatz, der 15 Std mit Lewatit behandelt worden war, wurden aliquote Teile ~:~tion des vom Austauscher befreiten l~iiekstands und Zentrifugats vereinigt und nach Zusatz yon 10% frischem Lewati t weitere 15 Std Mg

C~ geriihrt ~. Es ergab sich (Tab. 4), daI~ hier- Zn durch der Austausch yon Mg, Ca und Zn Fe erheblich gesteigert wurde. Das Molverh~ltnis A W Mg]Ca, das nach der ersten Behandlung (Riickst.) 4,5 betrug, war nach der zweiten Stufe auf

Tabelle 4. Kationenaustausch bei wiederholter Austauscherbehandlung des Muskel- homogenats (PH 7). 1O0% H~O-, 10% N~+. Lewatit-Zusatz. Dauer des Austuusches

eweils 15 Std Kationenaustauscher

einmaliger Lewai~itzusatz

%

68,3 34,0 36,0 0

38,0

zweimaliger Lewatitzusatz

%

90,4 57,5 49,4 0

43,0

2,1 abgesunken. Ein Austausch des Eisens war auch hier nicht zu beobachten. M_it dem erh6hten Kationenaustauseh ist eine gewisse Zunahme des hydratations- steigernden Effektes verbunden (Tab. 4).

5. pH-Abhiingigkeit des Kationenaustauschs : Beziehung zur Muslcelhydratation

Die bisher angegebenen Untersuchungen waren bei p~ 7 durchgefiihrt worden. In einigen weiteren Versuchsreihen studierten wir den Kationenaustauseh bei Pu 5,5, also dem natiirlichen l%-Wert des 5 Tage ge]agerten Muskels. Dabei zeigte es sieh, dal~ der Kationenaustauseh aueh nach 15 Std Lewatitbehandlung ohne jeden Einfluft auf die I-Iydratation ist (Tab. 5).

Dies bedeutet aber nioht, dal3 kein oder nut geringer Kationenaustausch erfolgt. Durch pa-Erniedrigung yon 7 auf 5,5 wird im Gegenteil die Austausehbarkeit yon Mg, Ca und Zn ganz bedeutend gesteiger~ (Tab. 5). Nach 1 Std Reaktionsdauer betrug der Austausch yon Mg 87,5--88,4%, yon Ca 24,8--30,0%, yon Zn 32,0--43,0% und yon Fe 0,4--1,7 %. Das Molverhgltnis Mg/Ca, das im Ausgangsmaterial zwischen 9,18 und 1O,00 lag, betrug naeh 1 Std 1,64--1,74 und lag nach 15 Std um 2,5. Auch der an sieh geringfiigige Austauseh niedermolekularer, stiekstoffhaltiger Kationen (15%) ist hier etwas hSher als bei 1% 7.

1 BtIsE~, W., P. GI~AF u. W. F. GI~ttTTER: Chimi~ 9, 73 (1955). Auf eine Anwendung yon drei und mehr Schritten mul~te hier verzichtet werden, da in diesem

FaRe mlt Denaturierungsersoheinungen zu rechnen ist.

432 1~. H ~ :

Tabelle 5. Einflufl des p~-Wertes au/ den Kationen- austausch in Muskelhomogenat. 100% H~O-, 10% Na +-

Lewatit-Zusatz

~g C~ Zn F e

W (Zentrifuga~bvol.) A W (Zen~rffugatvol.)

W (Riickstand) A W (Riickst~nd)

I Std beh~nde l t . 15 S td behandel t

Kationenaustausch in % 68,9 87 ,6 69 ,3 87,5 10,5 3 0 , 0 3 7 , 0 48,2

43,0 70,8 0,4 1,5

Hydratationswerte in % 96 75 149 76

40 0 140 25 38 0

Aus diesen Versuchen geht hervor, dab der Kationenaus- tausch mit sinkendem t%-Wert zunimmt, dal~ aber der Entzug der mehrwertigen Kationen nur bei h5heren p~-Werten zu einer t tydratationssteigerung ffihrt. Zu einem ganz entsprechenden Resul- ta t kommt man, werm man den EinfluB des Kationenaustauschs auf die p~-Abh~ngigkeit der Mus- kelhydratat ion nntersucht. Wie die Kurven yon Abb. 3 erkennen lassen, liegt nur bei p~-Wer- ten _ 6 die Hydra ta t ion des aus- tauscherbehandelten Muskels i~ber

derjenigen des Gewebes mit normalem Kationengehalt. Imisoelektrischen Bereich (Hydratat ionsminimum) und darunter wird die Wasserbindung dutch Kationenaus- tausch kaum beeinflul~t. Einen eindeutigen Einflul~ des Austausches auf den ps-Wert

7#0 I

% L /

I I

Abb. 3. J~influ/3 des Kationenaus. tauschs au] die pa-Abl~ngigkeit der Muskelhydratation. 1Kuskelhomoge- ha te m i t ( e - - , ) u n d ohne (O -- - O) Aus tausche r 15Std bei p~ 7 behandelt. 100% H~0-, 10% Na+-Lewati~ - Zusatz . t ' re / ]versuch a m l~i ickstand

des I-Iydratationsminimums, den man etwa dem iso- elektrischcn Punkt gleichsetzen kann, konnten wir mit dieser Methode nicht feststellen. Auch das Pufferungsver- mSgen des Gewebes war in beiden F£llen nahezu gleich.

6. _Natur der Kationenbindung

Da bei Vorliegen verschiedener Arten freier Ionen die Geschwindigkeit ihres Austausches gegen die Alkaliionen des Kunstharzes sowohl durch ihre unterschiedliohe Konzentrat ion in der LSsung als auoh durch ihre ver- schiedene Affinitiit zu den Sulfos£uregruppen des Aus- tauschers beeinflul~t sein kann, bestand die MSglichkeit, daft die unterschiedliohe Geschwindigkeit des Kationen- austauschs auf derartigen Effekten und nicht auf einer verschieden festen Bindung an das Muskeleiwefl3 beruht. Aus diesem Grunde untersuchten wir den Kationenaus- tausch yon Salzl5sungen, welche die Metalle Mg, Ca und

Zn in dem im Muskelhomogenat gegebenen Mengenverhiiltnis enthielten. Abb. 4 gibt den zeit]ichen Verlauf des Austausches bei p~ 4,5--6,5--7,5 wieder. Schon nach 5 min l~iihren mit Na+-Lewatit sind in allen F~llen 90% der Kationen ausgetauscht. Mg++-Ionen werden etwas langsamer ausgetauscht als Ca ++ und Zn ++. I m Falle der letzteren beiden Ionenarten geht der Austausch bei p~ 4,5 etwas rascher vonstat ten als bei 6,5 und 7,5. Die in Abb. 4 angegebenen Werte gelten fiir Ansi~tze mit 3 g Austauscher/200 ml. Setzt man dem g]eichen Volumen LSsung 10 g Lewati t zu, also eine )/[enge, welohe den Austauschversuohen im Muskel entspricht, so sind bereits nach 3 rain l~fihren ~lle drei Ionenarten quanti tat iv ausgetauscht. Soweit demnach im Muskel Mg, Ca und Zn als freie Ionen vorliegen, ist zu erwarten, dab diese nach mindestens 1 Std Austauscherbehandlung quanti ta t iv aus dem Gewebehomogenat entfernt sind.

Es w£re weiterhin m6glich, dal~ der selbst nach 20 Std l~eaktionsdauer noch unvollstiindige Austausch yon Mg, Cu und Zn nicht auf einer Bindung an Eiweil~,

Uber die Miner~lstoffe des S~iugetiermuskels. I 433

sondern auf einer Herabsetzung der Dissoziation durch im Muskelsaft anwesende niedermolekulare, komplexbildende Substanzen beruht und da$ hierdurch der Aus- tausch gehemmt wird. Adenosintriphosphat und Adenosindiphosphat, die nach unseren Untersuehungen im Gegensatz zum Adenosinmonophospha~ gegenfiber Calcium ein starkes KomplexbildungsvermSgen besitzen z, sind 5 Tage nach dem Schlachten fast vSllig abgebaut. Anorganisches Phosphat hingegen ist im gelagerten Muskel in relativ hoher Konzentration enthalten. So fanden wir ira Zentrifugat eines austauseherfreien Ansatzes ein 1Violverh~ltnis Mg: Ca: Zn: anorg. P = 15 : 1 : 0,3 : 64. Ein Modellversuch (CaC12/Mg(CHaCOO)2/INa~HPOa) mit einem Molverhiiltnis Mg: Ca : P

18:1:210, also mi~ wesentlich h5herem Phosphat- 7x ~ / ~ . _ : ~ . . . . fibersehui~ als er im Muskel gegeben ist, ergab nach % ~ / / ~ einstfindiger Behandlung mit l~a+-Lewatit (0,18.10 -~ m- 80 ~ / CaCI~, 2,5 g Lewatit/50 m]) bei p~ 5,2, 7,6 und 7,9 einen

% Austausch yon >90% ffir Mgund yon 85% fiir Ca. Ein ~B0 noch Austausch auch durch 15 Std weitergehender w a r

~ ~ I~eaktionsdauer nieht zu erreichen 2. Trotz des er- .~ q0 ! hShten Phosphatfiberschusses werden demnach Mg und

Ca im Modellversuch wesentlich vo]lsti~ndiger ausge- z0 tauscht als im Muskelhomogenat. Die Anwesenheit yon

Orthophosphat erkli~rt also nicht die verminderte ionale Aktiviti~t der Muske]metalle.

0 ~ ~ l~m/~ ~ Dieses Ergebnis fanden wir in einem Austauscher- Dauer de~,4u~lauxGh8 versuch besti~tigt, bei welchem dem Muskelhomogenat

Abb. 4. Kationenaustausch yon Mag- Ca++ nesium, Calcium und Zink aus ei~v~r 4 m g (als CaC]2) v o r d e r Lewatitbehandlung ZU- L6sung ihrer Salze (Mg(C]~CO0)~, gesetz~ worden waren. Von diesen zugesetzten Calcium- CaCI~, ZnCI~) bei verschiedcnen ~.-wcrten. ~n ~00 m~: ~,gm~ ~ , ionen waren bereits nach 1 Std Reaktionsdauer (pg 7) 2,4 mg Ca, 1,2 ling Zn. - - 1,5% Na+-Lewafit-Zusatz. Ca: p, 7,5 fiber 90~o ausgetauscht (Tab. 6). Man kann daraus (°--.); ~. ~,5 (o--o); 9~ ~,5 folgern, da$ im Muskelhomogenat keine Substanzen ({D--~). l~g: p~ 7.5; 6,5; 4,5

(~--- , ) . zn: 9, 7,5; 6.5 anwesend sind, welche den Austausch zugesetzter Ka- (.--.);~).~,5(~--~) tionen (C~ ++) wesen~lich zu hemmen verm5gen. Dies

gilt vor al]em ffir das in grol~em TJberschufi anwesende Orthophosphat. Wei terh in li~$t sich fo]gern, dai~ zugesetztes Culcium yon den Mus- kelproteinen nieht in gleicher Weise eingebaut wird, wie das yon Natur aus enthal- tene Calcium.

T~belle 6. Austausch von zugesetzten Calciumionen in Muskelhomogenat (p. 7). 100% It~O-, 10% N~ +- Lewutit-Zusafz. Dauer des Aust~usches: 1 Std, Die angegebenenWerte beziehen sich auf 100 g Muskel

Katiozz

Mg Ca Zn

Ansatz ohne Ca++-Zusatz

Kation vor Austausch

mg

26,84 3,94 2,59

:Kation nach Austausch Austausch

mg %

6,54 75,6 3,90 1,0 2,32 10,4

Ansatz mit 4 mg Ca++-Zusutz

Kation vor Kation nach Austausch Austausch

lug mg

i 26,84 i 6,10

7,94 4,24 2,59 2,30

Aus~ausch

%

77,3 46,6 11,2

Austausch d. zuges.

Ca++

92,5

7. Ein/ luf i des Kationenaustauschs au/ die LSslichkeit der Muskelproteine

Wir prfiften schlie$1ich die Frage, ob der beobachteten Steigerung der Muskel- hydratat ion dutch Kationenaustausch auch eine erhShte L5slichkeit des Muskel-

1 HAMM, R. : Bioehem. Z. 828, 309 (1956). Wir betrachten diesen Befund als einen weiteren Beweis fiir die schon friiher yon uns (vgL

R. t t n ~ : Zit. S. 425, Anm. 1) festgestellte Existenz 15slicher C~lciumorthophosph~tkomplex.e. Z. Lebensmi~tel-Unters. u. -Forsch., ~Ban4 107 30

434 R. ~ I ~ :

eiweiBes entspricht. Wie die Stickstoffbestimmungen in den Zentrifugaten ergaben, bringt der Kationenaustauseh keine gesteigerte LSslichkeit der Muskelproteine in Wasser mit sieh. Auch die LSslichkeit der Proteine in Phosphatpuffern wird durch

den Kationenaustausch nicht beei~fflul]t Tabelle 7. Ein/lufi des Kationenaustauschs au/ die E xtrahierbarkeit der Muskelproteine durch Phosphatpuj]er. Muskel mi~ 10% Na+-Lewatit 15 Std bei p~ 7 behandelt (H~O-Zusatzl00%); Zentrifugenrtickstand 1 Std mit Phosphatpuffer im Verh~ltnis 1:2 extrahicrt (p~7,6). N-Gehalt der Riickst~nde: Ohne Austauscherbehand- lung 1,94%, mi~ Austauschcrbehandlung

1,78%

Ionenst~rke des :Puffers

0,15 0,35

Protein-N in 100 ml Ex t r ak t

mib / ohne

Austauscher vorbehandelt

mg mg

136,6 139,0 170,5 170,7

erhSht.

(Tab. 7). Wit bedienten uns hierbei der yon DUBU~SSO~ ~ empfohlenen Puffersysteme. Bei /t ~ 0,15 (p~ 7,6) werden in erster Linie Myogene und Myalbumin, bei # ~- 0,35 (p~ 7,6) auBerdem die strukturellen Proteine Actomy- osin bzw. Myosin extrahiert.

Ein Entzug der mehrwertigen Kationen in dem yon uns angewendeten Ausma6 stei- gert demnach wohl die Hydratation, nieht aber die LSsliohkeit der Muskelproteine.

Diskussion Die vorliegenden Versuche haben gezeigt,

dal] ein Austausch des Muskel-Calciums und Muskel-Zinks gegen Natrium oder Kalium die Hydratat ion des Gewebes bedeutend

Dagegen ist eine Eliminierung des Magnesiums bis zu 80% der urspriing- lich vorhandenen Menge ohne Einflul3 auf die Wasserbindung. Mit dem Entzug yon Calcium und Zink verliert das Muskelhomogenat seine griei~ig-fasrige Be- schaffenheit und nimmt eine pastige Konsistenz an. Mit diesen Versuchen ist ein unmittelbarer Beweis fiir die dehydratisierende, verfestigende Wirkung des Gewebe- Calciums (und -Zinks) erbracht. Auch unsere Vorstellungen yon der Ursache der hydratisierenden Wirkung bestimmter Salze schwacher Sauren, vor allem des Citrats und der kondensierten Phosphate, erfahren damit eine wesentliche Stfitze. Wenn diese Salze tatsiichlich auf Grund einer komplexen Bindung des Gewebe-Calciums (und -Zinks) die Hydratat ion steigern, dann mfii3ten sic die Wasserbindung des austauseherbehandelten calciumarmen Muskels weniger stark erh6hen als diejenige yon Gewebe mit normalem Kationengehalt. Wie wir sehon frfiher mitteilten 9', ist dies in der Tat der Fall.

Unsere Untersuchungen haben weiterhin ergeben, dab bei p~ 7 etwa 70 % des gesamten Gewebe-Magnesiums als freies Ion oder in sehr leieht ionisierbarer Form vorliegen, w~hrend Calcium und Zink zu mindestens 85--99% nicht als freie Ionen, sondern an Protein gebunden erscheinen und erst bei lgngerem Kontaktaustausch yon diesem abgegeben werden. Ein vSlliger Austausch yon Mg, Ca und Zn gegen das Natrium des Austauschers wurde unter den gegebenen Versuehsbedingungen nicht erreicht. Eisen liegt zu 100% in fest gebundener Form vor.

Unsere Ergebnisse stehen in gewisser Ubereinstimmung mit den Befundcn, die E ~ 6 s und SINELLMAN 3 aft reinem Myosin erhielten; danach nimm~ die yon Myosin adsorbierte Kationen- menge in dcr Reihe Ca ~ Mg ~ K ab. Die feste Bindung yon Calcium an Myosin wurde auch yon anderen Autoren beobachtet 4. BOZLEI¢ 5 land eine relativ feste Bindung yon Calcium an Muskel-

1 DuBcIsso~, M. : Biol. l~ev. Cambridge, philos. Soc. 25, 46 (1950). HAMM, R. : Naturwissenschaf~en 42, 394 (1955).

a EaDSs, It., u. 0..S~EL~AN: Biochim. biophys. Acta 5, 56 (1950). 4 GosH, B., u. E. MYtIALYI: Arch. Biochem. 41, 107 (1952). - - S~E~LMA~, O., U. B. GELOTTE:

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5 BozLE~, E.: J. gen. Physiol. 88, 735 (1955).

Uber die Mineralstoffe des S~ugetiermuskels. I 435

eiweilL Er stellte lest, dal~ Muskeifasern nach teilweiser Extraktion des Calciums mit Athylen- diamintetraacetat in verdiinnten Salz16sungcn relativ stark quellen. Auch dieser Befund steht im Einklang damit, dab die El~minierung yon Calcium durch Ionenaustauscher die tIydratation des Gewebes erhSht.

~ a c h einstiindiger Austauscherbehandiung, nach der in erster Linie die ionisierten oder leicht ionisierbaren Metalle des Gewebes ausgetauscht sind, f indenwir imMuskel- homogenat ein Mg/Ca-Verh~ltnis yon etwa 2:1. Dieser W e f t entspricht dem yon H ~ L und KVt'ALOW i und DUBVlSSO~ 2 gefundenen Mg/Ca-Verhi~ltnis.

Nach der fib]ichen Vorstellung wird Calcium yon den freien Carboxylgruppen des Eiwei~es gebunden a. Es ist aber wohl kaum zu erwarten, daB eine einfache elektro- statische Bindung zu einer so festen Calciumbindung ffihrt, wie sic sich aus unseren Austauscherversuchen ergibt. Wir fanden zwar in frfiheren Versuchen 4, dab zu- gesetztc Calciumionen yore Muskeleiwei~ fester gebunden werden als e twa Alkali- oder Magnesinm-Ionen. Die Bindung solcher zugesetzten Calcinmionen ist abet offenbar einfacher elektrostatiseher Natur , da diese Ionen ungleich rascher ausgetauscht werden als das Gewebe-Calcium. Dami t s teht auch ira Einklang, dal~ Calcinmchlorid zwar weniger s tark hydratisierend wirkt Ms die Alkalichloride 4, dab es aber weder mit Calciumchlorid noch mit Calciumacetat 5 gelingt, die normale Hydra t a t i on des gelagerten Muskeis zu erniedrigen, wie man es auf Grund der dehy- dratisierenden Wirkung des Gewebe-Caleiums eigentlich erwarten mfiBte.

Man muB daher annehmen, daB das Mnskel-Calcium in besonderer W'eise in das Eiwei~ eingebaut ist, etwa in der Art einer Chelat-Bindung. Oa Aminos~uren und niedere Pept ide mit Calcium keine Chelate bilden, ist zu vermuten, dal~ ein solcher Bindungs typ im Protein dureh konfigurat ive Besonderheiten der Polypept idstruk- turen begfinstigt ist. Sehr stabil dfirfte allerdings ein solches Ca-Protein-Chelat nicht sein, da das so gebundene Calcium im Gegensatz zu dem sehr lest in das Myoglobin- molekfil eingebaute Eisen im Kontak taus tausch allm~hlich abgegeben werden kann. Man k o m m t also auf Grund unserer Versuche zu ganz ~hnlichen Folgerungen wie sic GuxD und WILCOX 6 aus den Untersuchungsergebnissen zahlreicher Autoren fiber die Calciumbindung durch Casein und Serumalbumin ziehen. Fiir die feste Bindung yon Magnesium und Calcium soil vor allem das Actin und erst in zweiter Linie das L- Myosin in Bet racht kommen 7. Iqeuere Untersuchungen sprechen daffir, daB das an L-Myosin gebundene Magnesium zum mindesten teilweise an die SI-I-Gruppen des Proteins geknfipft ist s.

Es ist anzunehmen, dal~ die zweiwertigen Metalle, vor allem Calcium und Zink, benachbarte Pept idket ten miteinander verknfipfen 9. Man kann sich vorstellen, dab durch eine solche , ,Vernetzung" der Peptide die Wasserdipole weniger leicht an die ffir die Wasserbindung verantwort l ichen polaren Gruppen des Proteins herantre ten kSnnen als bei Vor]iegen ,,freier", beweglieher Molekfilketten. Werden diese ver- netzend wirkenden Metalle durch einwertige ersetzt, so wird das EiweiBgeffige

1 ttlLL, A. V., u. A. KVPALow: Proc. roy. Soc. (London.) B106, 445 (1930). DuBvIsso~, M. : Arch. int. Physiol. 52, 439 (1942). G~E~BE~C~, D. M. : Advanc. Protein Chem. 1, 121 (1944). - - HSBE~, R. : Physikalische

Chemic der Zellen und Gewebe Bern: Stimpfli & Cie 1947. 4 H i ~ , 1%. : Lit. S. 424, Anm. 2. 5 Ca-Acctat ist fiir solche Versuche besser gceignet als CaCl~, da das Acetation im Gcgensatz

zum Chlor-Ion die ]=Iydratation des 1Vfuskels k~um beeinflul~t. 6 Gulp, 1%. 17., u. P. E. WILCOX: Advanc. Protein Chem. 11, 311 (1956). 7 HASSELBiC~, W.: UnverSffentlieht. Zit. bei H. H. WEBER: Ann. 1%ev. Biochem. 26, 667

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30*

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aufgelockert. Die polaren Gruppen des Proteins sind nunmehr leicht zugKnglieh und dies hat eine ErhShung der Hydra ta t ion zur Folge. Dabei ist es offenbar gleichgfiltig, ob die mehrwertigen Metalle durcld Ionenaustauscherbehandlung oder dureh komplexbildende Anionen eliminiert werden. Wir haben schon frfiher x darauf hingewiesen, dab sich der Entzug strukturell eingebauten Calciums aueh bei anderen Naturstoffen (Casein, Koilagen, Pektin) im Sinne einer Hydratationssteigerung auswirkt.

Zink verh~lt sich 'hinsichtlich seiner Bindungsfestigkeit an Muskeleiwei$ ganz ~hnlich wie Calcium, Dies ist nicht selbstverst~ndlich, da Zink als Schwermetall wesentlieh stgrker zur Komplexbildung neigt, als die Erdalkalimetalle. So vermag Zn ~hnlich wie Cu und Fe mit Glykokoll und anderen ~-Aminos~m'en Ionenkomplex- salze zu bflden 2. Seine Bindung an Proteine soll fiber bestimmte Seitenketten, vor allem fiber die Imidazolgruppe des Histidins erfolgen s. Der I-Iistidingehalt des Rinder- muskels ist mi t etwa 3 g pro 100 g Protein 4 relativ niedrig. Da aber diesen 1,9 • 10 -2 g Mol Histidin/1 000 g Protein nur 2,2 • 10 -4 g Mol Zn/1 000 g Protein gegenfiberstehen, dfirfte ffir die Bindung yon Zn genfigend Histidin vorhanden sein. Die geringe Zn- Bindung im Muskel bei Pn 5,5 spricht nieht gegen die Existenz eines Zn-Imidazol- Komplexes, da die um p~ 7 sehr stabilen Zn-Histidyl-Komplexe bekanntlieh schon bei geringer ps-Senkung stark dissoziieren. ~3ber den Bindungszustand yon Zink ira Muskelgewebe liegen unseres Wissens leider noeh keine Untersuchungen vor. Apch fiber die physiologische Bedeutung des Muskel-Zinks scheint so gut wie nichts ~ k a n n t zu sein, denn in der zusammenfassenden Darstellung yon WSITZSL 5 linden sieh unter dem Stichwort ,,Zink im TierkSrper" wohl eingehende Angaben fiber die Bindung yon Zink an Insulin, Serumalbumin und Serumglobulin, nieht aber fiber Bedeutung und Bindung yon Zink im Muskel. Unsere Versuche zeigen lediglieh, dai~ bei Entzug yon Calcium und Zink die Wasserbindung des Gewebes zunimmt. In welchem MaB aber das Zink an dieser Beeinflussung der Muskelhydratation beteiligt ist, l~Bt sich vorerst nicht entseheiden. Es erseheint uns abet notwendig, in Zukunft bei Studien fiber den Ein~luB der Muskelmetaile auf die Eigenschaften des Gewebes, vor allem aber bei der Erforschung der ffir Kontrakt ion und Kont rak tur ma~gebenden VorgKnge nicht nur dem Ca und Mg, sondern aueh dem Zn Beachtung zu sehenken.

Wie wir frfiher gezeigt haben s, n immt die Bindung zugesetzter Kationen durch das Muske]eiwefl~ mit sinkendem p~-Wer~ ab. Dieser auch an anderen Proteinen beob- achtete Effekt beruht auf der mit fallendem p~-Wert zunehmenden Entladung der ffir die Kationenbindung ma~gebenden nega~iven Gruppen (Carboxyl- und Phenol- Gruppen) des Proteins ~. Es ist daher verst~ndlich, da~ auch die Bindung der yon 1Xatur aus im Gewebe vorhandenen Kationen mit sinkendem pz-Wert abnimmt. Dies wurde dutch unsere Austauscherversuehe ffir Mg, Ca und Zn (pg 5,5 und PH 7) naehgewiesen. Die Bindung des Eisens is~ aueh bei p , 5,5 noch sehr lest. Ob der geringe Prozentsatz des bei diesem pE-Wer~ ausgetauschten Eisens (etwa 1,5%) dem Myoglobin oder aber dem Myosin, das einen kleinen Tell des Gewebeeisens gebunden enthalten soil s, ents tammt, konnte nieht entschieden werden.

1 HARM, R. : Fleischwirtsch. 7, 196 (1955). 2 H E I N , t~.: Chem. Xoordina~ionslehre. Leipzig: S. I{irzel 1950.

KnoTz, J.M.: Proteinsl, 728(1953); GuRD, F.N., u .R.S. GOODMAn: J. Amer. Chem. Soc. 74, 670 (1952).

4 SCnWEI~E~, B. S., u. B. J. PAYEE: Bull. Amer. Meat Inst. Found. 80 (1956). WEzrzE~, G.: Angew. Chem. 68, 566 (1956). H A ~ , R. : Zit. S. 424, Anm. 2. CA~, C~. W.: Arch. Bioehem. 43, 147 (1953); 46, 424 (1953). - - XA~z, S., u. M. KLO~Z:

Arch. Biochem. 44, 351 (1953). s SC~A~I~A, G., u. J. DR~YFVs: Bull. Soe. Chim. biol. 82, 265 (1951).

~ber die Miner~lstoffe des S~ugetiermuskels. I 437

Im Gegensatz zu den Versuchen bei p~ 7 ffihrt ein Kationenaustausch bei p~ 5,5 trotz der weitgehenderen Eliminierung an Mg, Ca und Zn zu keiner Steigerung der Muskelhydratation. Auch dies ist zu erwarten. Da die Kationen weniger lest vom Protein gebunden werden, muB ihr Entzug yon geringerer Wirkung sein. (~berdies ist das MuskeleiweiB in seinem isoelektrischen Bereich (p, 5--5,5) auch ohne die vernetzende Wirkung zweiwertiger Metalle, lediglieh dureh Salzbindungen und andere Verknfipfungen zwischen benachbarten Peptidketten stark dehydratisiert!. Es ist nun bemerkenswert, dab die Austauscherbehandlung aueh hinsichtlich der p~- Abhi~ngigkeit des Hydr~tationseffektes ganz der Wirkung yon Phosphaten, Citrat und anderen calciumbindenden Anionen entspricht. Auch diese Sa]ze entfalten nur bei pE-Werten ~ 6 ihre hydratisierende Wirkung ~. Es ist dies eine weitere Best~tigung daffir, dab unsere Vorstellung fiber die Ursaehe der hydratisierenden Wirkung solcher Salze (Komplexbindung oder Fgllung des Muskelcalciums) zutrifft.

Es ist interessant, dal] der partielle Austausch der zweiwertigen Metalle des Gewebes gegen Natrium zu einer bedeutenden ErhShung der Proteinhydratation ffihrt, ohne dab die LSslichkeit der Muskelproteine hierdureh eine merkliehe Steige- rung erf~hrt] ~_hn]iche Beobachtungen haben wir bei dem Studinm der Wirkung vo, n Kochs~lz auf den Muskel unmitte]bar nach dem Schlaehten gemacht i. Auch dort konnten wir eine gesteigerte Hydratat ion ohne wesentliehe ~nderung der ProteinlSsliehkeit feststellen.

Zusammen]assung

Untersuchungen fiber den EinfluB yon Kationenaustauschern auf Homogenate 5 Tage gelagerten l~indermuskels ffihrten zu folgenden Ergebnissen:

1. Die Bindungsfestigkeit der mehrwertigen Muske]metalle nimmt in der Reihe Mg <Ca, Zn <Fe zu. Eisen wird nieht ausgetauscht.

2. Die Bindung yon Mg, Ca und Zn ist bei p~ 7 wesentlich fester als bei p~ 5,5. 3. Ein partieller Austauseh des Muskel-Calciums und Muskel-Zinks gegen Na +-

oder K+-Ionen bedingt bei p~ ~ 6 eine kr~ftige Steigerung der Muskelhydratation, die in gewissem Umfang auch nach ttitzedenaturierung erha]ten bleibt. Der Aus- tausch des Magnesiums ist ffir die Hydratat ion ohne wesentlichen EinfluB.

4. Bei pH-Werten <6 bleibt der Kationenaustauseh ohne EinfluB auf die Wasser- bindung des Gewebes.

5. Dem Muskelbrei zugesetzte Ca++-Ionen werden im Gegensatz zu dem yon Natur aus vorliegenden Calcium rasch ausgetauseht.

6. Der relativ ]angsame Austauseh yon Muskel-Caleium und Muskel-Zink ist nieht durch das im Ubersehul~ anwesende Orthophosphat bedingt.

7. Die LSslichkeit der Muskelproteine in reinem Wasser und PufferlSsungen wird durch den partie]len Austausch der zweiwertigen Metalle des Gewebes nieht erhSht.

Auf Grund dieser Befunde werden der Bindungszustand yon Magnesium, Calcium, Zink und Eisen und seine Bedeutung ffir die Muskelhydratation diskutiert.

1 ~ , R. : Zit. S. 423, Anm. 1. 2 HA~, 1~. u. 1~. GRAy: Zit. S. 423, Anm. 2.

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Über die Mineralstoffe des Säugetiermuskels