Resorption von kurzkettigen Fettsäuren im Pansen: Bedeutung von Transport- und Kanalproteinen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Resorption von kurzkettigen Fettsäuren (SCFA = Acetat, Propionat und Butyrat) aus dem Vormagen hat für die Energieversorgung des Wiederkäuers quantitativ ähnlich hohe Bedeutung wie die Glucoseresorption im Dünndarm von Monogastriern. Trotz dieser quantitativen Bedeutung sind aber die Mechanismen der ruminalen SCFA-Resorption wesentlich weniger klar charakterisiert als die der Glucoseresorpfion im Dünndarm. In dem Projekt sollten daher diese Mechanismen näher eingegrenzt werden, wobei das Projekt zunächst von einer rein teleologischen Sichtweise ausging. Und zwar wurde hypothetisiert, dass das Pansenepithel mehrere parallel arbeitenden Permeationswege besitzt, um die herrschenden elektrischen und chemischen Gradienten optimal auszunutzen. Hinsichtlich der SCFA-Aufnahme vom Lumen In das Cytosol des Epithels konnten wir mittels In-vivo-Untersuchungen am vorübergehend isolierten und gewaschenen Reticulorumen und mittels Uptake-Studien an isolierten Epithelien vom Schaf deutlich nachweisen, dass die Aufnahme zumindest von Acetat großenteils auf einem Austausch zwischen Fettsäureanionen (SCFA') und Bicarbonat beruht Die Untersuchungen machten auch deutlich, dass der stimulatorlsche Effekt einer pH-Wert-Erniedrigung indirekt ist und wesentlich darauf beruht dass mit der pH-Wert-Erniedrigung ein in das Lumen gerichteter Bicarbonatgradient erzeugt wird. Auf molekularer Basis wird die Kopplung zwischen SCFA-Resorption und HCO3'-Sekretion vermutlich durch Membranproteine des „down-regulated-in-adenoma" (DRA) und eventuell auch des Putativen Anionentransporters 1 (PAT1) vermittelt. Einen Monocarboxylatransporter 4 (MCT4) konnten wir zwar mittels Western-Blot im ovinen Pansenepithel nachweisen, nachfolgende funktionelle Untersuchungen schlossen einen SCFA'/HCO3'-Austausch über dieses Membranprotein weitgehend aus. Hinsichtlich der Ausschleusung auf serosaler Seite postulierten wir die parallele Existenz elektroneutraler und elektrogener Mechanismen. Bei der elektroneutralen Ausschleusung stand ein MCT1 im Focus. So hatte die eigene Arbeitsgruppe zuvor einen MCT1 als pH-regullerendes Protein mit hoher Expression im Str. basale des Pansenepithels eingegrenzt. Allerdings konnten wir in dem Projekt nicht eindeutig nachweisen, dass der ruminale MCT1 auch als SCFA-Transporter dient. Diese Untersuchungen sind aber noch fortzuführen und zu verfeinern, um endgültige Aussagen machen zu können. Neben dem elektroneutralen Transport postulieren wir einen Kanal auf der basolateralen Seite, der unter Ausnutzung des elektrischen Gradienten Fettsäureanionen aus dem Cytosol in Richtung Blut permeieren lässt. In Verfolgung dieser Hypothese konnten wir mit Hilfe von Patch-Clamp-Studien an isolierten ruminalen Zellen die Existenz eines für das Anion des Acetats permeablen lonenkanal nachweisen. Nachfolgende funktionelle und auch immunhistochemische Untersuchungen am intakten Pansenepithel konnten allerdings die Lokalisation und das strukturelle Korrelat dieser Leitfähigkeit nur unzureichend darstellen. Auch wenn der molekularen Identität der ruminalen SCFA-Transporter noch weiter nachzugehen ist, kann festgestellt werden, dass als SCFA'/HCO3'-Austauscher fungierende Transportproteine an dem SCFA-Transport signifikant beteiligt sind. Diese Feststellung eröffnet die Möglichkeit, auf transcriptionale bzw. posttranscriptionale Veränderungen dieser Proteine einzugehen, um damit regulative bzw. adaptive Veränderungen des SCFA- Transportes zu untersuchen. Zudem weisen die Untersuchungen darauf hin, dass im Pansenepithel mehrere Transportproteine die Effizienz der SCFA-Resorption sicher stellen. Bei der Charakterisierung des SCFA-Transports ist zudem zu beachten, dass SCFA - vor allem Butyrat - intraepithelial degradiert werden, so dass bei Butyrat sicher andere Mechanismen und regulative Einflüsse wirksam sind als bei Acetat. Noch offen ist, Inwieweit die intraepitheliale Degradation der SCFA mit den Transportproteinen interagiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2007): Acetate absorption in the ruminal epithelium of sheep. A bicarbonate-independent mechanism is involved. J Physiol Biochem 63(1), 15
Bilk, S., Aschenbach, J.R., Gäbel, G.
- (2007): Acetate absorption in the ruminal epithelium of sheep. Acta Physiologica 189, Suppl. 653, 10
Bilk, S., Aschenbach, J.R., Gäbel, G.
- (2007): Effects of acetate on membrane currents of isolated cells of the ruminal epithelium. J Physiol Biochem 63 (1), 16
Stumpff, F., Martens, H., Gäbel, G.
- (2007): New aspects of acetate absorption in the ovine rumen. Proc Soc Nutr Physiol 16,54
Bilk, S., Aschenbach, J.R., Gäbel, G.
- (2008): Characterisation of an anion channel in the rumen epithelium. LBH: Proceedings 18 Tagung der DVG-Fachgruppe Physiologie und Biochemie. 41
Stumpff, F., Martens, H. Gäbel, G.
- (2008): Electronic transport mechanisms for short-chain fatty acids in sheep rumen epithelium. Proc Soc Nutr Physiol 17, 125
Rackwitz, R., Aschenbach, J.R., Philipp, P., Gäbel, G.
- (2008): Elektrogener Transport kurzkettiger Fettsäuren im Pansenepithet des Schafes. LBH: Proceedings 18.Tagung der DVG-Fachgruppe Physiologie und Biochemie, 42
Rackwitz, R., Aschenbach, J.R., Philipp, P., Gäbel, G.
- (2008): Mechanismen der anionischen SCFA-Resorption im Pansen des Schafes. Dissertation, Universität Leipzig
Bilk, S.
- (2008): Ruminal epithelial cells express anion channel. Acta Physiologica 192 (663), PW06-04
Stumpff, F., Martens, H., Gäbel, G.
- (2008): Ruminal epithelial cells express high conductance chloride channels. FASEB J. 22. Ib136
Stumpff, F., Martens, H. Gäbel, G.
- (2008): Supra-apikale pH-Messungen am Blättermagenepithel des Schafes mit Hilfe der pH-sensitiven Mikroelektrode. LBH: Proceedings 18 Tagung der DVG-Fachgruppe Physiologie und Biochemie. 78
Kosmis, K., Stumpff, F., Martens, H.
- (2008): Transport of short-chain fatty acids across sheep rumen epithelium by electrogenic mechanisms. J Physiol Biochem 64, 320
Rackwitz, R., Philipp, P., Aschenbach, J.R., Gäbel, G.
- (2008): Transport of short-chain fatty acids in sheep rumen epithelium: in part an electrogenic mechanism. Acta Physiologica 192 (663), PW06-04
Rackwitz, R., Aschenbach, J.R., Philipp, P., Gäbel, G.
- (2009): Bicarbonate-dependent and bicarbonate-independent mechanisms contribute to nondiffusive uptake of acetate in the ruminal epithelium of sheep. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol 296, G1098-107
Aschenbach, J.R., Bilk, S., Tadesse, G., Stumpff, F., Gäbel, G.
- (2009): Cultured ruminal epithelial cells express a large-conductance channel permeable to chloride, bicarbonate, and acetate. Pflugers Arch - Eur J Physiol 457, 1003-22
Stumpff, F., Martens, H., Bilk, S., Aschenbach, J.R., Gäbel, G.
- (2009): Ruminal epithelial cells express a conductance for propionate. Acta Physiologica 195. P175
Stumpff, F., Georgi, M., Martens, H., Aschenbach, J.R., Gäbel, G.
- (2009): Transepithelial potential differences affect transport of short-chain fatty acids (SCFA) across rumen epithelium Proc Soc Nutr Physiol 18, 134
Rackwitz, R., Aschenbach, J.R., Philipp, P., Gäbel, G.
