Ionic Conductances of the Ruminal Epithelium

Abstract

Introduction: Postprandial fermentational processes in the rumen set free large quantities of SCFA, protons, K+, and NH3, whereas Na+, HCO3- , HPO32-, and Cl- enter with saliva, and urea is secreted across the ruminal wall. Absorptive processes across the ruminal wall are necessary to restore osmolarity and ruminal pH. Methods: The rumen and the omasum were studied by using various methods at the level of both the tissue and the cell (patch- clamp double-barreled pH-sensitive microelectrodes, Ussing chamber, confocal laser scanning microscopy, Western blot, PCR). A method for the isolation and cultivation of omasal cells was established. Results and Conclusions: Based on the findings and a careful study of the literature, a model for the efflux of osmotically active particles from the rumen was developed. Sodium, magnesium, and potassium: we present data demonstrating that apical non-selective cation channels gated by Ca2+ and Mg2+ mediate the efflux of cations from the rumen (199). When K+ concentrations in the rumen rise, the cells are depolarized. The divalent cations blocking the pore of the channel are repelled by the potential, and the pore of the channel is open for the influx of Na+, so that the absorption of this cation from the rumen is enhanced, and osmolarity is restored. The resulting transepithelial potential limits the efflux of K+ from the rumen and into the blood, thus facillitating potassium homeostasis. Apical depolarization also limits channel-mediated uptake of Mg2+, explaining the concomittant reduction in Mg2+ digestibility. However, the negative impact of K+ on the uptake of Mg2+ is balanced by the positive effects on the absorption of Na+, thus reducing ruminal osmolarity while maintaining systemic potassium homeostasis (351, 358, 359). Urea and ammonium: SCFA acidify the epithelium and stimulate the secretion of urea into the rumen via a protein-mediated pathway (probably UT-B) that is regulated by cytosolic pH (2). The efflux of ammonium from the rumen can occur both as NH3 and as NH4+, with differing impact on the absorption of sodium (4). Efflux of NH4+ occurs through apical non-selective cation channels and basolateral potassium-selective channels. At high pH, apical uptake occurs primarily as NH3, inhibiting sodium absorption via NHE. At acidic pH, uptake occurs as NH4+ through non-selective cation channels. Since cytosolic pH is higher than ruminal pH, apical recirculation (in as NH4+ out as NH3) will follow and can lead to the stimulation of Na+ absorption via NHE, which may play a role in ruminal osmoregulation. At all values of ruminal pH, the bulk of ammonium will remain protonated and leave through potassium channels in the form of NH4+, removing a proton from the cytosol. The findings suggest that the postprandial stimulation of urea secretion into the rumen occurs in response to changes of cytosolic pH and serves to the meet the nitrogen requirements of ruminal microbial populations, to regulate the speed of ruminal fermentation, and to buffer ruminal content (1). Cl- and SCFA-: The uptake of SCFA may be influenced by an apical microclimate, and occurs in a manner that acidifies the tissue (2). An anion exchanger can serve as an apical uptake pathway for both Cl- and SCFA- in exchange for HCO3-(15). The basolateral efflux of anions (Cl-, SCFA-) is mediated by a maxi-anion channel, coupled to the charge of Na+ leaving via the Na+/K+-ATPase (360). The data confirm the classical notion that electrically silent absorption of NaCl across epithelia requires the expression of a basolateral chloride channel. The data also confirm that maxi-anion channels allow the passage of large anions. The demonstration of these channels in a transporting epithelium is new and explains why protons freed by fermentational processes have to be extensively buffered by saliva, whereas large quantities of SCFA cross the rumen coupled to the transport of Na+ in an electrically silent manner. The permeability sequence of the channel, with p(Cl¬-) > p(acetate-) > p(propionate-) > p(butyrate-) might explain the well- known observation that acetate and propionate enter the portal blood to meet the energy requirements of the animal, whereas butyrate is extensively metabolized within the epithelium. It is suggested that protons taken up with SCFA are apically returned in exchange for Na+ via NHE, where they are buffered by saliva so that epithelial function is not endangered by acidification. When ruminal pH drops, protons have to be basolaterally extruded via NHE1, or buffered by ruminal secretion of HCO3- entering apically in exchange for SCFA, and basolaterally via Na-HCO3 cotransport. In all cases, the efflux of Na+ taken up by pH regulatory proteins occurs via the Na+/K+-ATPase, thus efficiently energizing the efflux of SCFA- anions through a large-conductance anion channel. A cytosolic accumulation of protons or SCFA is not required.

Einleitung: Postprandiale Fermentationsprozesse im Pansen setzen große Mengen an kurzkettigen Fettsäuren (SCFA), Protonen, K+, und NH3 frei, während Na+, HCO3- , HPO32-, und Cl- mit dem Speichel eintreten und Harnstoff über die Pansenwand sezerniert wird. Absorptionsprozesse über die Pansenwand sind notwendig um die Osmolarität und den pH-Wert im Pansen wiederherzustellen. Methoden: Epithelien des Pansens und des Psalters wurden mit verschiedenen Methoden auf der Ebene des Gewebes und der Zelle untersucht (Patch-Clamp, double-barreled pH-sensitive Mikroelektroden, Ussing Kammer, konfokale Laser Scanning Mikroskopie, Western Blot, PCR). Eine Methode zur Isolierung und Kultivierung von Zellen des Psalters wurde etabliert. Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Auf der Grundlage der Versuchsergebnisse und eines sorgfältigen Literaturstudiums wurde ein Modell für den Efflux von osmotisch aktiven Teilchen aus dem Pansen entwickelt. Natrium, Magnesium, und Kalium: Die Versuchsergebnisse zeigen, dass apikale und durch Ca2+ and Mg2+ modulierte nicht-selektive Kationenkanäle den Efflux von Kationen aus dem Pansen vermitteln (199). Steigt die K+ Konzentration im Pansen an, werden die Zellen depolarisiert. Die divalenten Kationen, welche die Pore des Kanals blockieren, werden durch das Potential abgestoßen. Die Pore des Kanals wird frei für den Einstrom von Na+, welches eine Steigerung der Resorption dieses Kations aus dem Pansens bewirkt und somit die Wiederherstellung der Osmolarität. Das resultierende transepitheliale Potential begrenzt den Efflux von K+ aus dem Pansen und ins Blut, wodurch die Kaliumhomöostase des Wiederkäuers unterstützt wird. Gleichzeitig hemmt die apikale Depolarisation die durch Kanäle vermittelte Aufnahme von Mg2+, welches die begleitende Abnahme der Mg2+ Verdaulichkeit erklärt. Der negative Einfluss von K+ auf die Mg2+ Aufnahme wird allerdings durch die positiven Wirkungen auf die Na+ Resorption kompensiert, welche eine Reduktion der Osmolarität im Pansen bei Erhaltung der systemische Kaliumhomöostase ermöglicht (351, 358, 359). Harnstoff und Ammonium: SCFA säuern das Epithel an und stimulieren die Sekretion von Harnstoff in den Pansen mittels eines vom intrazellulären pH-Wert regulierten Proteins (2), bei welchem es sich um UT-B handeln könnte. Der Efflux von Ammonium aus dem Pansen kann sowohl in der Form von NH3 als auch in Form von NH4+ erfolgen, mit unterschiedlicher Auswirkung auf die Resorption von Natrium (4). Efflux von NH4+ erfolgt durch apikale nicht-selektive Kationenkanäle und durch basolaterale Kalium Kanäle. Bei einem hohen pH-Wert des Panseninhaltes erfolgt die apikale Aufnahme überwiegend als NH3, mit hemmender Wirkung auf die Natriumaufnahme durch den Natrium-Protonen-Austauscher (NHE). Bei saurem pH erfolgt die Aufnahme als NH4+ durch nicht-selektive Kationenkanäle. Da der zytosolische pH höher ist als der pH im Pansenlumen, dürften apikale Rezirkulationsprozesse (mit Influx von NH4+ und Efflux von NH3) zur Stimulation der Aufnahme von Na+ durch den NHE führen und somit die Osmoregulation des Pansens unterstützen. Bei allen pH-Werten im Pansen dürfte der Hauptanteil des Ammoniums protoniert bleiben und durch basolaterale Kaliumkanäle in der Form von NH4+ austreten, wodurch Protonen entsorgt werden. Die Ergebnisse legen nahe, dass die postprandiale Stimulation der Harnstoffsekretion in den Pansen durch Veränderungen im zytosolischen pH vermittelt wird und zur Deckung des Stickstoffbedarfs der mikrobiellen Pansenflora dient, zur Regulation der Geschwindigkeit der Fermentationsprozesse beiträgt, und die Pufferung des Panseninhalts unterstützt (1). Cl- und SCFA-: Die Aufnahme von SCFA wird durch ein apikales Mikroklima beeinflusst und erfolgt in einer Weise, welche das Gewebe ansäuert (2). Ein Anionenaustauscher kann als apikaler Aufnahmemechanismus sowohl für Cl- als auch für SCFA- im Austausch für HCO3- dienen (15). Der basolaterale Efflux von Anionen (Cl-, SCFA-) erfolgt durch einen Maxi-Anionen Kanal und ist an den Ladungstransfer von Na+ gekoppelt, welches über die Na+/K+-ATPase herausgepumpt wird (360). Die Daten bestätigen die klassische Modellvorstellung, wonach die elektroneutrale Resorption von NaCl die Expression eines basolateralen Chlorid Kanals erfordert. Die Daten bestätigen ebenfalls, dass Maxi-Anionen Kanäle die Passage großer Anionen erlauben. Der Nachweis dieser Kanäle in einem transportierenden Epithel ist neu und erklärt warum die Protonen, welche im Rahmen der Fermentationsprozesse im Pansen freigesetzt werden, in hohem Maße durch den Speichel abgepuffert werden müssen, während große Mengen von SCFA das Epithel zusammen mit Na+ in einem elektroneutralen Prozess verlassen. Die Permeabilitätssequenz des Kanals, mit p(Cl¬-) > p(Azetat-) > p(Propionat-) > p(Butyrat-) könnte die gut belegte Beobachtung erklären, dass Azetat und Propionat ins Portalblut eintreten um den Energiebedarf des Tieres zu decken, während Butyrat größtenteils vom Epithel verstoffwechselt wird. Es wird vorgeschlagen, dass die Protonen, die zusammen mit SCFA ins Epithel gelangen, apikal im Austausch für Na+ mittels NHE zurückgeführt und dort durch den Speichel gepuffert werden müssen um die Funktion des Epithels nicht durch Ansäuerung zu gefährden. Fällt der pH Wert im Pansen, müssen zusätzlich Protonen basolateral durch den NHE1 ausgeschleusst werden. Alternativ kann die Pufferung durch ruminale Sekretion von HCO3- erfolgen, welches apikal im Austausch gegen SCFA und basolateral durch Na-HCO3 Ko-transport erfolgt. In allen Fällen wird der Efflux des durch pH-regulierende Proteine aufgenommenen Na+ mittels der Na+/K+-ATPase stattfinden, wodurch in effizienter Weise der Efflux von SCFA--Anionen durch einen hochleitenden Anionenkanal energetisiert wird. Eine zytosolische Anreicherung von Protonen oder SCFA ist nicht nötig.