Aquaporine als Kanäle für CO2, O2 und H2O2
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Berichtszeitraum wurden die O2-Permeabilität (PO2) von Lipidmembranen und die Bedeutung von Aquaporin 1 (AQP1) und Aquaporin 5 (AQP5) für den O2-Transport durch Zellmembranen untersucht. PO2 der Lipidmembranen wurde für drei verschiedene Temperaturen (7°C, 25°C, 35°C) und für Membranen mit unterschiedlichem Cholesteringehalt (0 - 60%) mittels Stopped-Flow-Technik bestimmt. Es zeigte sich eine starke Abhängigkeit von PO2 vom Cholesteringehalt. Für alle drei Temperaturen konnten die Membranen in zwei Gruppen eingeteilt werden. Membranen mit niedrigem Cholesteringehalt (0 - 20%) hatten einen niedrigen PO2 (z.B. 0,03 cm/s bei 35°C), Membranen mit hohem Cholesteringehalt (40 - 60%) eine um eine Größenordnung höheren PO2 (z.B. 0.2 cm/s bei 35°C). Die Bedeutung von AQP1 für PO2 von Zellmembranen wurde in Stopped-Flow-Messungen an humanen Erythrozyten und Maus-Erythrozyten untersucht. Die Permeabilität von humanen Kontrollerythrozyten bzw. Wildtyp-Mauserythrozyten wurde mit der Permeabilität von AQP1-defizienten humanen Erythrozyten bzw. AQP1-KO-Mauserythrozyten bei verschiedenen Temperaturen verglichen. Es zeigte sich, dass AQP1 bei hohen Temperaturen (25°C, 37°C) keinen signifikanten Beitrag zum PO2 der Erythrozytenmembran leistet. Bei niedrigen Temperaturen von 7°C bzw. 10°C ist die Permeabilität von AQP1-defizienten Erythrozyten signifikant reduziert. Diese Ergebnisse zeigen, dass AQP1 ein O2-Kanal in der Erythrozytenmembran ist, aber nur bei niedrigen Temperaturen eine funktionelle Rolle spielt. In einem weiteren Teil des Projektes wurde die maximale Sauerstoffaufnahme (V̇ O2,max) von Wildtyp-Mäusen und AQP5-KO-Mäusen mit der Helox-Methode bestimmt. Dabei war die V̇O2,max in AQP5-KO-Mäusen im Vergleich zu Wildtyp- Mäusen sowohl unter normoxischen als auch unter hypoxischen Bedingungen signifikant erniedrigt. Obwohl AQP5 in der Alveolarmembran der Mäuse exprimiert wird und einen potentiellen Gaskanal darstellt, konnten bei weiteren Untersuchungen von Lungenparametern wie z.B. der Diffusionskapazität und der arteriellen Sauerstoffsättigung keine Unterschiede zwischen Wildtyp und AQP1-KO-Mäusen gefunden werden. AQP5 spielt also keine funktionelle Rolle für den O2-Transport durch die Alveolarbarriere. In weiteren Untersuchungen konnte eine verminderte Bildung von braunem Fettgewebe unter Kälteadaptation in AQP5-KO-Mäusen als Ursache für die verminderte V̇O2,max gefunden werden. Die Bildung von braunem Fettgewebe bzw. die Umwandlung von weißem in braunes Fettgewebe wird durch AQP5 gefördert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Cholesterin ist der wichtigste Regulator der CO2- Permeabilität biologischer Membranen. Atmungsphysiologische Arbeitstagung, Lübeck, 2019
Al-Samir S., Gros G. & Endeward V.
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Cholesterol – the major regulator of the CO2 permeability of biological membranes. Acta Physiologica, October 2019, Volume 227, Issue S719
Al-Samir S., Arias-Hidalgo M., Gros G. & Endeward V.
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CO2 permeability of the rat erythrocyte membrane and its inhibition. Journal of Enzyme Inhibition and Medicinal Chemistry, 36(1), 1601–1605.
Al-Samir, Samer; Prill, Maximilian; Supuran, Claudiu T.; Gros, Gerolf & Endeward, Volker
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O2 permeability of lipid bilayers is low, but increases with membrane cholesterol. Cellular and Molecular Life Sciences, 78(23), 7649-7662.
Al-Samir, Samer; Itel, Fabian; Hegermann, Jan; Gros, Gerolf; Tsiavaliaris, Georgios & Endeward, Volker
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Aqp5−/− mice exhibit reduced maximal body O2 consumption under cold exposure, normal pulmonary gas exchange, and impaired formation of brown adipose tissue. American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology, 324(1), R109-R119.
Al-Samir, Samer; Yildirim, Ali Önder; Sidhaye, Venkataramana K.; King, Landon S.; Breves, Gerhard; Conlon, Thomas M.; Stoeger, Claudia; Gailus-Durner, Valerie; Fuchs, Helmut; Hrabé de Angelis, Martin; Gros, Gerolf & Endeward, Volker
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O2 permeability of membranes. Symposium on gas transport, Aarhus, DK, 2024
Endeward V., Al-Samir S. & Gros G.
