HABILITATIONSSCHRIFT

 


Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – University of Veterinary Medicine Hannover – Foundation / Library

 

Sabine Leonhard-Marek

 

Elektrogener Natriumtransport

des Pansenepithels

Charakterisierung, Regulation und Interaktion mit

anderen ruminalen Transportvorgängen

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-h2387

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Habilitationsschrift, 2007

text

/dissertations/h_leonhard-marek07.pdf

Zusammenfassung

Vor dem Hintergrund des hohen Natriumzuflusses mit dem Speichel und der langen Verweilzeit der Ingesta im Bereich der Vormägen, ist eine effektive Resorption des Natriums aus den Vormägen unabdingbar, um eine Hyponatriämie zu verhindern. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass Na+-Ionen prinzipiell über zwei Wege in das Pansenepithel aufgenommen werden können: elektrisch neutral im Austausch gegen Protonen (Na+/H+-Austausch) oder elektrogen über Kationenkanäle. Ziel der vorliegenden Arbeit war

es, die elektrogene Komponente der Na+-Resorption über das Pansenepithel zu charakterisieren und Mechanismen der Regulation sowie der Interaktion mit anderen ruminalen Transportvorgängen zu untersuchen.

In Abwesenheit von Ca2+- und Mg2+-Ionen auf der mucosalen Seite des Pansenepithels öffnet sich eine elektrogene Leitfähigkeit in der apikalen Membran. Dies wird verdeutlicht durch den parallelen Anstieg von Kurzschlussstrom (Isc) und transepithelialer Leitfähigkeit (Gt)

unter diesen Bedingungen und durch die bereits früher gezeigte Abnahme des fraktionellen Widerstandes der apikalen Membran bei gleichzeitiger Depolarisation des apikalen Membranpotentials ruminaler Epithelzellen. Ein Ca2+- und Mg2+-sensitiver Stromanstieg

konnte mit verschiedenen kleinen monovalenten Kationen (Na+, Rb+ und K+) als dominierende Kationen auf der mucosalen Seite gezeigt werden, während der Isc-Anstieg mit dem großen N-Methyl-D-Glucamin als dominierendem Kation mucosal fast verschwunden

war. Damit verfügt das Pansenepithel über eine nicht-selektive Kationenleitfähigkeit (NSCC), die in Abwesenheit divalenter Kationen eine Passage monovalenter Kationen erlaubt. Der NSCC-vermittelte Na+-Strom über das Epithel erforderte darüber hinaus eine aktive Na+/K+- ATPase und die Möglichkeit, die dabei aufgenommenen K+-Ionen über Ba2+-sensitive K+- Kanäle der basolateralen Seite zu rezyklieren.

Die Daten zeigen, dass die ruminale elektrogene Na+-Resorption über die NSCC in der apikalen Membran von Pansenepithelzellen extrazellulär durch Ca2+ und Mg2+ und intrazellulär durch Mg2+-Ionen reguliert wird. Wenn auch intrazellulären Ca2+-Ionen selbst keine große Bedeutung für die Ca2+- und Mg2+-sensitive Na+-Resorption am Pansenepithel nachgewiesen werden konnte, zeigen die beschriebenen Versuche, dass die vom intrazellulären Ca2+ abhängige Proteinkinase C im Pansenepithel aktiviert werden kann und in die Regulation der elektrogenen Na+-Resorption über die Pansenwand eingreift. Die

intrazelluläre Konzentration freier Mg2+-Ionen ([Mg2+]i) scheint am Pansen als einem Mg- resorbierenden Epithel von der luminalen Mg-Verfügbarkeit, der Mg-Aufnahmerate und der Höhe des basolateralen Effluxes über Mg2+/Na+-Austauscher abzuhängen. Das heißt, eine

fütterungsbedingte Änderung der ruminalen Mg-Resorption, die [Mg2+]i beeinflusst, ändert die elektrogene Na+-Resorption und könnte auch in die Regulation anderer Resorptionsvorgänge eingreifen, an denen [Mg2+]i als second messenger beteiligt ist.

Cyclisches AMP als ein weiterer second messenger induzierte am Pansenepithel eine biphasische Stromantwort. Ein initialer Stromabfall konnte unabhängig von der An- oder Abwesenheit divalenter Kationen auf der mucosalen Seite beobachtet werden, fiel jedoch in Anwesenheit von Amilorid oder bei niedriger mucosaler Na+-Konzentration tendenziell geringer aus. Dieser Stromabfall wurde auch schon in früheren Studien beobachtet und kann in Zusammenhang mit den hier präsentierten Daten als eine durch cAMP- (beziehungsweise Amilorid-) vermittelte Hemmung des apikalen Na+/H+-Austausches und eine daraus folgende verminderte elektrogene Abgabe von Na+-Ionen über die basolaterale Na+/K+-ATPase erklärt werden. Der sekundäre Stromanstieg nach Erhöhung des intrazellulären cAMP-Angebotes

erfolgte, als die nicht-selektive Kationenleitfähigkeit partiell geöffnet war (Ca-freie Lösung mucosal) und eine ruminale Mg-Resorption möglich war (Mg-haltige Lösung mucosal). Die Höhe dieses Stromanstiegs wurde reduziert, wenn der basolaterale Mg2+/Na+-Austausch in seiner Aktivität gehemmt war. Diese Versuche lassen den Schluss zu, dass cAMP den Na+- Strom am Pansen stimuliert, indem es den Mg2+-Efflux stimuliert. Das Bindeglied zwischen beiden Beobachtungen ist eine reduzierte [Mg2+]i und somit ein verminderter Mg2+-Block des Na+-Stromes.

Um zu testen, welche Bedingungen den cAMP-Spiegel in vivo beeinflussen könnten, wurde die Wirkung verschiedener Neurotransmitter und Hormone untersucht. Die Stimulation subepithelialer Neurone mit elektrischen Feldern zeigte, dass eine neuronale Modulation der elektrogenen epithelialen Transportprozesse am Pansen zwar möglich, die Bedeutung des submukösen Plexus jedoch eher gering einzuschätzen ist. Darüber hinaus scheint der

elektrogene Na+-Transport am Pansenepithel weder cholinerg noch durch das Vasoaktive Intestinale Peptid (VIP) beeinflusst zu werden. Auch die Zugabe des Antidiuretischen Hormons (ADH) bewirkte keine signifikanten Stromänderungen. Dagegen führte die Zugabe von Isoproterenol (einem ß-Agonisten) dosisabhängig zu einer zweistufigen Reduktion des Ca2+- und Mg2+-sensitiven Isc. Damit könnten niedrigere Adrenalin-Dosen aufgrund ihrer relativ hohen Affinität zu ß-Rezeptoren die Na-Resorption hemmen und so trotz erhöhtem Sympathikotonus (d. h. generell negativem Effekt auf die Verdauungstätigkeit) die für die Pansenmikroben wichtigen osmotischen Bedingungen im Pansenlumen aufrechterhalten.

Bereits früher wurde gezeigt, dass eine leichte Absenkung des pH-Wertes und die luminale Präsenz kurzkettiger Fettsäuren zu einer erhöhten ruminalen Na-Resorption über den Na+/H+- Austausch führt. Proteinreiche Diäten können dagegen den Panseninhalt alkalisieren, wenn die ruminale Ammoniak-Produktion zu stark ansteigt. Unter diesen Bedingungen gewinnt die elektrogene Na+-Aufnahme an Bedeutung. Bei einem höheren pH-Wert ist die Konzentration freier Ca2+- und Mg2+-Ionen in der Pansenflüssigkeit vermindert und damit die extrazelluläre Blockade der Na+-Leitfähigkeit reduziert. Darüber hinaus zeigen die vorliegenden Daten, dass eine Alkalisierung des Pansenmilieus auch eine direkte Erhöhung der Ca2+- und Mg2+- sensitiven Na+-Leitfähigkeit bewirkt. Damit kann bei einem ruminalen pH-Anstieg eine höhere elektrogene Na+-Aufnahme erwartet werden, so dass die unter diesen Bedingungen geringere Aktivität des Na+/H+-Austausches zumindest teilweise kompensiert wird.

Die elektrogene Aufnahme von Na+-Ionen in das Pansenepithel wird bestimmt von dem chemischen Na-Gradienten, der Größe der apikalen Na+-Leitfähigkeit und der elektrischen Triebkraft über der apikalen Membran, das heißt von der Potentialdifferenz über der apikalen

Membran. Diese Potentialdifferenz ändert sich mit der luminalen K-Konzentration. Nach den hier gezeigten Ergebnissen sind drei verschiedene potentielle K+-Kanalblocker (Verapamil, TEA und Quinidin) sowie eine apikale Membrandepolarisation in der Lage den Na+-Strom zu reduzieren. Eine gegenseitige Hemmung in der Wirkung zwischen Verapamil, TEA und Forskolin deutet daraufhin, dass cAMP eine Population apikaler K+-Kanäle am Pansen blockieren könnte. Damit könnte Adrenalin beim Wiederkäuer auch daran beteiligt sein, den Blut-Kaliumspiegel über eine verminderte ruminale K-Resorptionsrate zu regulieren.

Frühere Studien hatten gezeigt, dass Cl- und Na-Resorption am Pansenepithel aneinander gekoppelt sind. In den aktuellen Versuchen wurde getestet, inwieweit die elektrogene Na+- Resorption durch Cl beeinflusst wird. Dabei zeigte sich, dass eine Erhöhung der luminalen

Cl-Konzentration den Na+-Strom stimulierte. Mikroelektrodenstudien wiesen auf die basolaterale Existenz von Cl--Kanälen, die jedoch keine direkte Cl-Wirkung auf den Na+- Strom erklären konnten. Dagegen zeigten fluoreszenzoptische Messungen des OberflächenpH, dass luminale Cl-Ionen über eine gesteigerte Aktivität luminaler Cl-/HCO3

- oder Cl-/OH-- Austauscher den pH-Wert im Mikroklima der Epitheloberfläche erhöhten. Ein alkalischer pHWert erhöht wiederum die Ca2+- und Mg2+-sensitive Na+-Leitfähigkeit.

 

keywords

Elektrolyttransport, Pansen, Kationenleitfähigkeit, electrolyte transport, rumen, cation conductance

kb

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