Gastransport durch Kanalproteine in Zellmembranen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das beantragte Projekt hatte zum Ziel, die Mechanismen des Transports von Gasen durch Zellmembranen aufzuklären. Wir konnten am Beispiel von CO2 nachweisen, dass das alte biologische Paradigma, welches besagt dass Gase problemlos durch die Lipidphase der Zellmembran diffundieren und Zellmembranen für Gase daher sehr hohe Permeabilitäten besitzen, in dieser Form nicht mehr haltbar ist. Wir konnten zeigen, dass die CO2-Permeabilität (PCO2) von Lipiddoppelschichten extrem stark von ihrem Cholesteringehalt abhängig ist. An Lipidvesikeln, deren Membran aus Phosphatidylcholin und Phosphatidylserin mit unterschiedlichen Anteilen von Cholesterin bestand, konnte gezeigt werden, dass Cholesterin die CO2-Permeabilität dieser Membranen um drei Größenordnungen reduzieren kann. Ohne Cholesterin besitzt die Membran die sehr hohe CO2-Permeabilität von ~1 cm/s, durch einen Cholesterin-Anteil von ~70mol% wird PCO2 auf ca. 0,001 cm/s vermindert. In Experimenten mit verschieden Zellen, deren Membranen keine CO2-Kanäle besitzen, fanden wir sehr geringe CO2-Permeabilitäten von ~0,015 cm/s bis hinunter zu 0,0016 cm/s. Diese geringen PCO2-Werte korrelieren ausgezeichnet mit dem jeweiligen Cholesteringehalt der Membran. Viele Zellen besitzen ein Membran-Cholesterin von 40-50mol% und dementsprechend einen PCO2 von 0,01-0,02 cm/s. Wir konnten weiterhin zeigen, dass in Membranen mit 50mol% Cholesterin der Einbau eines CO2-Kanalproteins, Aquaporin-1, die Permeabilität dieser Membran auf bis das ca. 10-fache erhöht. Aus unseren Ergebnissen leiten wir daher als allgemeines Prinzip ab, dass Zellen die CO2-Permeabilität ihrer Membran durch zwei Faktoren über Größenordnungen hinweg beeinflussen können: 1) durch Variation des Cholesteringehalts und/oder 2) durch den Einbau von CO2-Kanalproteinen. In einem anderen Projektteil fanden wir Hinweise darauf, dass diese Gaskanäle auch eine physiologische Bedeutung für den Gesamtorganismus haben. Wir bestimmten den maximalen Sauerstoffverbrauch VO2max von Wildtyp- und AQP1-RhAG-Doppel-KO-Mäusen und fanden eine physiologisch bedeutsame 25%ige Reduktion. Die genauen Gründe für diese Reduktion und die Frage, welche Kanäle damit in Zusammenhang stehen, werden in einem Anschluss-Projekt untersucht. In einem weiteren Projektteil untersuchten wir das in der Literatur kontrovers diskutierte Konzept eines Bikarbonat-Transport-Metabolons, welches aus dem Anion exchanger 1 (AE1) und Carboanhydrase II (CAII) bestehen soll und für das postuliert wurde, dass durch eine Bindung von CAII an AE1 die Bikarbonattransportrate von AE1 gesteigert wird. Wir konnten diese Hypothese nicht bestätigen. Es zeigte sich in Expressionsexperimenten an tsA201-Zellen eindeutig, dass CAII nicht an AE1 bindet, und es konnte auch keine durch eine solche Interaktion bedingte Erhöhung der Bikarbonatpermeabilität gemessen werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2009) Extra- and intracellular unstirred layer effects in measurements of CO2 diffusion across membranes - a novel approach applied to the mass spectrometric 18O technique for red blood cells. J Physiol 587: 1153-1167
Endeward V, Gros G
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(2011) Intrinsic CO2 permeability of cell membranes and potential biological relevance of CO2 channels. CHEMPHYSCHEM 12 (5): 1017-1019
Boron WF, Endeward V, Gros G, Musa-Aziz R, Pohl P
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(2012) CO2 permeability of cell membranes is regulated by membrane cholesterol and protein gas channels. FASEB J 26: 5182–5191
Itel F, Al-Samir S, Öberg F, Chami M, Kumar M, Supuran CT, Deen PMT, Meier W, Hedfalk K, Gros G, Endeward V
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(2013) Activity and distribution of intracellular carbonic anhydrase II and their effects on the transport activity of anion exchanger AE1/SLC4A1. J Physiol 591: 4963-82
Al-Samir S, Papadopoulos S, Cartron JP, Sly WS, Alper SL, Gros G, Endeward V
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(2014) How does carbon dioxide permeate cell membranes? A discussion of concepts, results and methods. Front Physiol. Jan 8;4:382. doi: 10.3389/fphys.2013.00382
Endeward V, Al-Samir S, Itel F, Gros G
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(2015) Low CO2 permeability of cholesterol-containing liposomes detected by stopped-flow fluorescence spectroscopy. FASEB J. 2015 May;29(5):1780-93
Tsiavaliaris G, Itel F, Hedfalk K, Al-Samir S, Meier W, Gros G, Endeward V
