Peter Pohl, Dr. med.

Membrannahe Konzentrationspolarisation als Indikator für den osmotisch getriebenen Volumenfluss

Habilitationsschrift zur Erlangung des akademischen Grades habilitierter Doktor der Medizin (Dr. med. habil.) vorgelegt an der Medizinischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Beschlußdatum 06.02.2001

Abstract
Der osmotische Wasserfluss führt aufgrund des Elektrolytrückhalts zur Änderung der Elektrolytkonzentration in der unmittelbaren Membrannähe. Die experimentell registrierte Elektrolytanreicherung bzw. -verarmung an der hypotonischen bzw. hypertonischen Phasengrenze konnte mit einem neuen, hydrodynamischen Modell beschrieben werden. Letzteres berücksichtigt, dass die Konvektionsgeschwindigkeit mit zunehmender Entfernung von der Membranoberfläche allmählich und kontinuierlich ansteigt. Bisher wurde die Konzentrationspolarisation als Superposition des osmotisch initiierten Substratflusses und der Rückdiffusion in einer stationären Flüssigkeitsschicht beschrieben. Diese Nernstsche Filmtheorie zeigte erhebliche Diskrepanzen zur tatsächlichen Konzentrationsverteilung, die mit ionensensitiven Mikroelektroden in der Nähe einer Bilipidmembran erfasst wurde. Das vorgeschlagene hydrodynamische Modell erlaubt, den osmotischen Volumenfluss und auch die hydraulische Membranpermeabilität aus der membrannahen Ionenkonzentrationsverteilung zu berechnen. Die Auswirkungen der Konvektionslimitierung an der Phasengrenze bedürfen somit keiner Korrektur mehr, vielmehr wird die Konzentrationspolarisation selbst zur Messgröße. Neben einer quantitativ exakten Untersuchung des Wasserflusses durch die Bilipidmembran selbst ermöglichte dieser methodische Ansatz die Demonstration einer lectininduzierten Membrandehydratation, die Erfassung des Volumenflusses durch Wasserproteinkanäle (Aquaporin 1 und Aquaporin Z) und die Registrierung gekoppelter Ionen- und Wasserflüsse durch membranüberspannende Peptidkanäle (Gramicidin und Desformylgramicidin). Am Beispiel der Peptidkanäle gelang die Quantifizierung des Anteils an transportierten Ionen, die allein aufgrund ihrer Trägheit mit dem Wasserfluss mitgeführt wurden, d. h. der Nachweis des Solvent drag.

The osmotically induced transmembrane water flow is accompanied by solute concentration changes within the unstirred layer adjacent to membranes. A new hydrodynamical model is developed to describe the concentration distribution in the immediate membrane vicinity that is measured by ion sensitive microelectrodes. Taking into account the gradual change of the stirring velocity at the boundary, the model improves the Nernst theory in which the osmotic advection is countered by backdiffusion of the solute only. Based on the modified theoretical description of the interaction between water flux and diffusion, the hydraulic conductivity of the bilayer is calculated from the measured uniexponential concentration profiles. Instead of making corrections for unstirred layer effects, they are used for water flux measurements across bilayer lipid membranes. Additionally, the approach allows to monitor lectin induced membrane dehydration, volume flow measurements across water channel proteins (Aquaporin 1 and Aquaporin Z) and the visualization of ion and water flux coupling across peptide channels. Moreover, it allows to demonstrate that the permeable cation is pushed by water across the channel (true solvent drag).

Keywords:
Wassertransport, Aquaporin, Gramicidin, Konzentrationspolarisation, Ungerührte Schicht, Solvent drag, Flusskopplung, Nernstsche Filmtheorie, Mikroelektrode, Bilipidmembran

Water transport, aquaporin, gramicidin, convective flow, unstirred layer, solvent drag, flux coupling, Nernstian boundary layer theory, microelectrode, bilayer lipid membrane

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Inhaltsverzeichnis
Referat, Inhaltsverzeichnis, Abkürzungen und Symbole (II-VIII)
1 Einleitung und Zielstellung (1-3)
2 Überblick (4-22)
3 Theorie (23-36)
4 Materialien und Methoden (37-46)
5 Resultate (47-94)
6 Diskussion (95-116)
7 Schlußfolgerungen und Ausblick (117-118)
8 Zusammenfassung (119-121)
9 Literatur (122-144)
Thesen (145-147)