3 Transportproteine mit Verbindung zum Membranzytoskelett

AE1 ist verantwortlich für den elektroneutralen Austausch von Bikar­bonationen (HCO3-)gegen Chloridionen (Cl-) in Erythrozyten. Erythrozyten sind hoch speziali­siert für den O2 -Transport und den Gasaus­tausch in der Lunge und peripheren Gewe­ben. In der Lunge führt die Bindung von O2 an Hämoglobin zur Abdissoziation von H+-Ionen. Der H+-Anstieg treibt die Carboanhydrasereaktion in Richtung CO2 (H+ + HCO3-∏ CO2 + H2O). Für jedes abgegebene CO2 wird ein HCO3- -Ion im Aus­tausch gegen ein Cl--Ion in den Erythrozyten aufgenommen. In der Peripherie wird in den Erythro­zyten die Umsetzung von CO2 und H2O in H+-Ionen und HCO3--Ionen katalysiert. HCO3- wird im Austausch gegen Cl- in das Blutplasma abgegeben und wird so aus dem Reakti­onsgleichgewicht entfernt. Das in der Zelle verbleibende H+-Ion bindet an [Seite 26↓]Hämoglobin und beschleunigt dadurch die O2-Abgabe (Rechtsver­schiebung der O2-Dissoziati­onskurve, Bohr´scher Effekt).

Mitglieder der AE-Genfamilie, von denen mittlerweile neben AE1 auch AE2 und AE3 identifiziert worden sind, konnten in den letzten Jahren in fast allen Geweben beschrieben werden (siehe Tabelle 3 S. 26). Der Prototyp der AE-Familie kommt allerdings nur in Erythrozyten und im Gehirn vor (Havenga et al., 1994). In den Typ-A-Schaltzellen der Niere wird das AE1-Gen alternativ gespleißt, so daß eine N-termi­nal trunkierte AE1isoform (RenAE1) entsteht (Wagner et al., 1987; Drenckhahn et al., 1989; Kudrycki und Shull, 1989; Kollert-Jöns et al., 1993). RenAE1 ist funktionell an die Aktivität der apikalen Protonenpumpe gekoppelt. Für jedes apikal in den Urin abgegebene H+-Ion verbleibt ein HCO3--Ion als Alkaliäquivalent in der Zelle, das basolateral (Blutseite der Zellen) im Austausch gegen Cl- abgegeben wird (die A-Schaltzellen sind wie die Erythrozyten reich an Carboanhy­drase). Defekte dieser Sammelrohrfunktion (unter anderem durch Mutationen von RenAE1 bedingt) führen zum Krankheitsbild der distalen renalen Azidose (Bruce et al., 1997; Rysava et al., 1997; Tanner, 1997).

Zwei der bisher klonierten AE2-Familienmitglieder (AE2a und AE2b) zeigen zu­mindest in der Northernblot-Analyse ein ubiquitäreres Expressionsmuster (Wang et al., 1996). Das Genprodukt von AE2c wird hingegen nur im Magengewebe ge­fun­den (Alper et al., 1994; Wang et al., 1996; Alper et al., 1997). Im Magen kommt AE2c ausschließlich in Parietalzellen vor und ist hier basolateral lokalisiert (Publikation 1; Stuart Tilley et al., 1994).

AE1 erfüllt zwei Funktionen:

1. 1.den Bikarbonattransport im Dienste des O2/CO2 Gasaustausches und
2. 2.die Bildung eines plasmalemmalen Verankerungspunktes für das Membrazyto-skelett.

Die Verankerung erfolgt über die Adaptormoleküle Ankyrin und Protein 4.1 (siehe Abb. 2 S. 10).

Interessanterweise scheint AE1 für den strukturellen Aufbau des submembranären zytoskelettalen Netzwerkes der Erythrozyten nur von untergeordneter Bedeutung zu [Seite 27↓]sein. Das erythrozytäre Membranzytoskeletts von Mäusen mit einer Nullmutation für das AE1-Gen weist so gut wie keine Unterschiede zu normalen Erythrozyten auf. Spectrin, Actin und Protein4.1 waren in normaler Konzentration vorhanden; Ankyrin war um 50% reduziert; Protein4.2. konnte nicht nachgewiesen werden. Die Tiere hatten zwar eine schwere hämolytische Anämie (Sphärozytose), waren aber zum Teil sogar fortpflanzungsfähig (Peters et al., 1996). Ob möglicherweise die Bindung über Adducin an Stomatin oder von Protein4.1 über Glycophorin C das Fehlen von AE1 ersetzen kann oder ob die Fixierung des Membranzytoskeletts an integrale Membranproteine überhaupt für die regelgerechte Anordnung und Zusammenset­zung des Membranzytoskeletts notwendig ist, kann noch nicht abschließend be­antwortet werden.

Tabelle 3 Anionenaustauscher

Die Na+,K+-ATPase ist unter anderem für die Ausbildung des Membranpotentials und damit als Motor für Natrium-Kotransportsysteme notwendig. Sie kommt prak­tisch in sämtlichen Zellen vor und ist in Epithelzellen bis auf wenige Ausnahmen (Epithel des Plexus choroideus und Pigmentepithel der Retina) in der basolatera­len Zell­membran lokalisiert.

Im Unterschied zu dem ubiquitären Vorkommen der Na+,K+-ATPase sind H+,K+-ATPasen auf wenige Zelltypen des Organismus beschränkt. Im Magen kommt die H+,K+-ATPase nur in den Parietalzellen der Magendrüsen vor, die für die Ansäue­rung des Mageninhaltes verantwortlich sind. Die H+,K+-ATPase kommt in einer streng polarisierten Verteilung in den Parietalzellen vor. Dort ist sie im Gegensatz zur basolateral lokalisierten Na+,K+-ATPase ausschließlich auf die apikale Plas­mamembran beschränkt und fehlt basolateral (siehe S. 36).

Beide ATPasen gehören zur Familie der P-Typ-ATPasen und bestehen aus einer α- und einer β-Untereinheit, die sich in einer 1:1 Stöchiometrie zu stabilen Hetero­dimeren zusammen lagern (Koenderink et al., 1999). Die Bezeichnung P-Typ weist auf einen hochkonservierten Asparaginsäurerest im aktiven Zentrum der ATPasen hin, der während des Ionentransportes transient phosphoryliert wird. Die katalyti­schen α-Untereinheiten der Na+,K+-ATPase und der H+,K+-ATPase weisen mit 63% einen hohen Grad an Sequenzidentität auf (Koenderink et al., 1999). Die stark gly­kosylierten β-Untereinheiten beider ATPasen sind einander strukturell ebenfalls sehr ähnlich, besitzen jedoch nur eine Sequenzidentität von 30%. Die Bildung von Chimären zwischen den verschiedenen Untereinheiten der Na+,K+-ATPase und der H+,K+-ATPase ist experimentell möglich. Die ATPase-Aktivität dieser Chimären­moleküle liegt jedoch nur bei ca. 10% des jeweiligen Wildtyps, außerdem zeigen die entsprechenden β-Untereinheiten eine klare Präferenz zur eigenen α-Unterein­heit (Koenderink et al., 1999). Obwohl die katalytischen Funktionen der Enzyme ein­deutig auf der α-Untereinheit lokalisiert sind, ist für ihre Aktivität die Komplexbil­dung mit der β-Untereinheit zwingend notwendig. Der bereits im endo­plasmati­schen Retikulum erfolgte Zusammenbau des Heterodimers ist die Vor­aussetztung für den gerichteten Transport zur basolateralen (Na+,K+-ATPase) bzw. zur apikalen (H+,K+-ATPase) Zelldomäne (Caplan, 1997b). Die Signalsequenzen für den ge­richteten Transport nach apikal oder nach basolateral sind auf der α-Untereinheit der ATPasen lokalisiert (Dunbar et al., 1998; Muth et al., 1998).

Die Na+,K+-ATPase und die H+,K+-ATPase weisen, wie im vorangegangenen Ab­schnitt beschrieben, hinsichtlich ihrer kompartimentspezifischen Positionierung deutli[Seite 29↓]che Unterschiede auf. Die sehr unterschiedliche Dynamik und die komple­mentäre Lokalisation der beiden ATPasen deuten differenzielle, spezifische Veran­kerungsmechanismen mit zytoskelettalen Strukturen an.

Überexpression von Spectrinfragmenten in Epithelzellen führt zur Disorganisation des Membranzytoskelets, zu einer randomisierten Verteilung der Na+,K+-ATPase und damit zur Zerstörung der normalen epithelialen Polarität (Hu et al., 1995). Die Na+,K+-ATPase verfügt mit der Aminosäuresequenz „ALLK“ über ein Bindungsmotiv für Ankyrin und kann so über ihre zytoplasmatische Domäne an dieses Verknüp­fungmolekül binden (Koob et al., 1988; Jordan et al., 1995).

Im Unterschied zur statischen Verankerung der Na+,K+-ATPase sollte eine mögli­che Wechselwirkung der H+,K+-ATPase mit Komponenten des Zytoskeletts dyna­mischer sein. Die tubulären Vesikel und damit auch die H+,K+-ATPase haben kei­nen erkennbaren Kontakt mit zytoskelettalen Proteinen (Hanzel et al., 1989). Erst während der stimulationsabhängigen Fusion dieser Vesikel mit der apikalen Mem­bran kommt es zur zytoskelettalen Interaktion, die, im Sinne einer Oberflächenver­größerung, in der Ausbildung unregelmäßig geformter mikrovillusähnlicher Struktu­ren resultiert (siehe S. 38).

Die Interaktion von Membranproteinen mit dem Membranzytoskelett stabili­siert die entsprechenden Membrandomänen und gewährleistet so eine gleichbleibende Funktionstüchtigkeit der Zellen.

Dieser Funktionszustand kann durch Aktivie­rung oder durch Deaktivierung der Zel­len verändert werden. Die Verbindungen zu den zytoskelettalen Strukturen kön­nen gelöst oder neu geknüpft werden, und es kann zu umfassenden Umbauvor­gänge innerhalb der Zellen kommen. Beispielhaft sind derartige zelluläre Verände­run­gen an den Parietalzellen untersucht worden. In diesen Zellen kommt es nach Akti­vie­rung der Zellen durch Fusionsereignisse zu einer Oberflächenvergrößerung der apikalen Membrandomäne und daran gekoppelt zu einer Steigerung der HCl-Sekretion. Der dieser Fusion zugrundeliegende Mechanismus war bisher nicht be­kannt und konnte im Rahmen der vorliegenden Arbeiten in wesentlichen Teilen auf­geklärt werden. In [Seite 30↓]den nachfolgenden Kapitel der Einleitung werden kurz der intra­zelluläre Transport von Vesikeln und ausführlicher Mechanismen der Membranfu­sion beschrieben.