Mechanismen und physiologische Rolle des Transfers biologisch relevanter Gase an Zellmembranen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Volker Endeward
• Fachliche Zuordnung: Anatomie und Physiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253516712

Es wurde gezeigt, dass Aquaporine (AQP) und Rhesusproteine in Membranen eine Erhöhung der CO2-Permeabilität bewirken. Dies bestätigen molekulardynamische Simulationen, wonach diese Proteine als CO2-Kanäle fungieren. CO2-Kanäle sind biologisch sinnvoll auf dem Hintergrund unseres Befundes, dass Zellmembranen mit normalem Cholesteringehalt (~ 50 mol%) eine erstaunlich niedrige CO2-Permeabilität aufweisen, zwei Zehnerpotenzen niedriger als cholesterinfreie Membranen. Im ersten Teil des vorliegenden Projekts ist dem molekularen Mechanismus der CO2-Permeation gewidmet, insbesondere soll untersucht werden, welche Rolle jeweils die Wasserpore und der Zentralkanal des AQP-Tetramers für die CO2-Permeation spielen. Hierfür wird AQP5 als Modell verwendet, dessen Zentralkanal durch das Phospholipid PS verschlossen werden kann, in Abwesenheit von PS jedoch durchgängig ist. Der zweite Projektteil baut auf vorausgegangenen Untersuchungen auf, wonach Zellen mit niedrigem oxidativem Stoffwechsel keine Gaskanalproteine besitzen und bei normalem Membrancholesterin-Gehalt niedrige CO2-Permeabilitäten aufweisen. Hier sollen Zellen von Geweben mit hohem oxidativem Stoffwechsel und hohen CO2-O2-Austauschraten untersucht werden: Erythrocyten-, Herzmuskelzell- und mitochondriale Membranen. Sie benötigen hohe CO2-Membranpermeabilitäten, da sie auf eine schnelle Abgabe von CO2 (und Aufnahme von O2) angewiesen sind. Die CO2-Permeabilitäten der drei Membranen sollen in Beziehung zur Expression von Gaskanälen gesetzt werden. Die allgemeine Hypothese hinter diesen Untersuchungen lautet: Zellmembranen mit normalem Cholesteringehalt weisen eine niedrige CO2-Permeabilität auf; wenn eine hohe Permeabilität funktionell erforderlich ist, wird dies durch den Einbau von Gaskanälen erreicht. In einem dritten Teil des Vorhabens werden die Membranpermeabilitäten dreier weiterer Gase von hoher biologischer Relevanz untersucht: O2, NO, CO. Die zu beantwortenden Grundfragen sind a) welche Permeabilitäten weisen Gaskanal-freie Membranen auf? Und: setzt Cholesterin wie im Fall von CO2 diese Permeabilitäten um Größenordnungen herunter? b) sind auf dem Hintergrund der intrinsischen Gaspermeabilität normaler Zellmembranen für O2, NO bzw. CO Gaskanäle physiologisch bedeutsam? Diese Fragen werden mit Hilfe Hämoglobin-beladener künstlicher Lipidvesikel mit und ohne Einbau von Gaskanalproteinen sowie anhand intakterErythrocyten angegangen. Die Methodik ist die rapid reaction stopped-flow Technik. Im vierten Teil des Projekts soll die systemische Bedeutung von Gaskanälen für das O2-CO2-Transportsystem des Organismus untersucht werden. Dazu wird der maximale O2-Verbrauch an normalen und an Mäusen gemessen, denen AQP, Rhesusprotein bzw. beide Proteine fehlen. Eine Verminderung des maximalen O2-Verbrauchs der Gaskanal-defizienten Tiere könnte seine Ursache in einer verminderten Permeabilität für CO2 und/oder O2 der Membranen von Erythrocyten, Herz, Lunge, Skelettmuskel oder auch Mitochondrien haben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen