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Joachim W. Deitmer, FB Biologiemit FB Mathematik und ITWM
Räumlich-zeitliche Interaktionenzelluläre Signalmoleküle
Die Rolle der Neuroglia bei derBildung, Funktion und
Plastizitätvon Synapsen
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A model reduction approach to the kineticsof the monocarboxylate transporter
MCT1 and carbonic anhydrase II
Neuron-glia interactions
Joachim Almquist1, Henning Schmidt1, Patrick Lang2, Dieter Prätzel-Wolters2, Joachim W. Deitmer3, Mats Jirstrand1, and Holger Becker3
1Fraunhofer-Chalmers Centre, Gothenburg, Sweden 2Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM) Fraunhofer Gesellschaft, Kaiserslautern, Germany 3Technische Universität Kaiserslautern, Kaiserslautern, Germany
1 H+ 1 Lac-
MCT
MCT
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Protein expression in Xenopus oocytesInjection of rat MCT1-cRNA Injection of CAII (isolated from bovine erythrocytes)Microelectrodes for intrcellular pH measurementsODE modellingModel reduction
To determine the mechanism of the monocarboxylate transporter (MCT1) and to present a mechanistic hypothesis of how MCT1 interacts with the enzyme carbonic anhydrase II (CAII). The modelling process might provide ideas for this.To derive a rate expression for the MCT1 that also includes the effect of CAII. This could be used in other models.
Aim of this Project
Methods - Electrophysiological
Techniques and Mathematical
Modeling
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Functionally expressed proteins in Xenopus oocytes: Interactions with carboanhydrases?
Carboanhydrase II
Funktionelle heterologe Expressionvon Membrantransportproteinen inFrosch-Oozyten (Xenopus laevis)
- Messung von Membranströmen in ‚Voltage-Clamp‘- Messung von cytosolischem pH und Na+ mit ionen- selektiven Mikroelektroden- Struktur-Funktion-Analyse durch gezielte Mutationen
NBCe1 und Carboanhydrase ko-exprimiertModell der Wechselwirkung zwischen Carboanhydrase und
Membrantransporter (NBCe1=Natrium-Bikarbonat-Kotransporter
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The Model
Ordinary differential equation model of the transporter states shown in the cartoon
Monocarboxylatetransporter
1 H+ 1 Lac-
MCT
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CAII Included in Model
The effect of CAII is included in the model as an increased rate of proton uptake and release on the intracellular side of the transporter.
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Comparing Measurements with Simulations
Efflux experiments with and without CAII (A,B) are compared with the model (C).
Influx experiments with and without CAII (A,C) are compared with the model (B,D).
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Kooperationen
• Prof. D. Prätzel-Wolters, FB Mathematik und ITWM• ITWM: Dr. P. Lang• Fraunhofer-Chalmers-Centre, Göteborg,
Schweden: Prof. M. Jirstrand, J. Almquist
Erfolge/Fortschritte: Erstes Paper über das Modell in Revision
Bisher dem Projekt zugewiesene Mittel: 30 T€ für 2008
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Weiterer Fahrplan
• Erweiterung des Modells mit Voraussagen (Einbeziehung von verschiedenen Isoformen und Mutanten der Carboanhydrase sowie mit NBCe1
• Experimentelle Überprüfung dieser Voraussagen und Simulierung weiterer Parameter
• Neues Projekt (DFG-Antrag wird gerade geschrieben): Mechanismen und Modellierung der Protonen-Pufferung in Zellen
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Future Projects• Measuring, analyzing and modelling of the
capacity and dynamics of cellular H+ buffering
- Spatial dynamics of buffering within a cell and role of carbonic anhydrases
- The role of acid/base-coupled membrane transporters, such as the NBC, for buffering
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Thank you!
Gilt das nur für den Betze?
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dpHi
Measurement of buffer capacity
Henderson- Hasselbalch equation:pH = pK‘ log [HCO3
-]/[CO2]
[HCO3-]i = 10(pHi-pK‘) x [CO2] (pK‘=6.1)
Addition/injection of acid
Buffer capacity = acid/base injection / dpHi
CO2 +H2O H+ + HCO3-
CA
βt = intrinsic + CO2/HCO3—
dependent
ßCO2 ≈ 2.3 [HCO3-]
By measuring pHi, ß can be determined!
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Model Reduction
One possible set of constraints that can be used to reduce the ODE-system. Solving this set of equations yields a explicit rate expression for the cross-membrane transport of MCT1 substrates,T.
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Substrate Inhibition Predictions
Model reduction with different assumptions on transporter properties leads to predictions of inhibition by single substrate presence.
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A Hypothesis for the MCT1-CAII-mechanism
A hypothesis for the MCT1-CAII-mechanism. One or several CAII molecules close to the inner mouth of MCT1 might be working as a proton antenna. If proton uptake and release are the rate-limiting steps of transport, MCT1 turnover could be increase by this antenna.
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Voltage dependence of the total buffer capacity (ßT) of oocytes expressing NBC
-1 0 0 -8 0 -6 0 -4 0 -2 0 2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
1 2 0
1 4 0
N B C (n = 11 )
H O (n = 6 )2
E (m V )m
ß T (m
M)
N B C - H O2
A
0 .7 m M /m V
ß (% ) n = 11T
N a (% ) n = 1 0+
I (% ) n = 11m
E (m V )m
%
Rel
ati v
e ch
ange
s (%
)
B
-1 0 0 -8 0 -6 0 -4 0 -2 0 4 0
5 0
6 0
7 0
8 0
9 0
1 0 0
Becker & Deitmer (2004) J. Biol. Chem. 279, 28057-28062
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Aim of these studies
• Measuring and modelling (simulating) H+ buffer capacity
• Predicting parameters of cellular buffering
• Testing predicted parameters in experiment
• What consequences do our findings might have for pH-dependent processes in systems (cells, tissue, organs)?
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Data from Substrate Inhibition
The inhibition predictions are tested in experiments.