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Joachim W. Deitmer, FB Biologie mit FB Mathematik und ITWM Räumlich-zeitliche Interaktionen zelluläre Signalmoleküle Die Rolle der Neuroglia bei der Bildung, Funktion und Plastizität

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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.