Membranes are more than simple barriers between cells and their environment. They must both protect the cells and enable the exchange of substances. This thesis analyzed two aspects of membrane transport: The transport of water and the transport of ions, in particular the transport of cations, across the cellular membrane. To analyze mechanisms involved in water transport, mammalian kidney cells were chosen as model system. A combined approach based on biological experiments and mathematical modeling was used to investigate the intracellular signaling pathway regulating the membrane abundance of the water channel Aquaporin-2 (AQP2) in the kidney. Data from biological experiments with rat and canine kidney cells were used to estimate the model parameters, thereby enabling the generation of species-specific models. Deletion of model reactions and subsequent parameter estimation resulted in the generation of model variants. Ranking of the model variants led to the conclusion that the importance of certain cellular reactions varies between different species. Moreover, reactions which are crucial for the temporal behavior of the system were identified. Time-dependent sensitivity analysis was performed demonstrating that membrane-located AQP2 reacts most sensitively when changing the parameters directly involved in the translocation mechanism. Regarding potential medical applications, the model based on canine kidney cells was used to investigate individual and combinatorial treatments for different pathological conditions. Due to the fact that many membrane transport systems are well conserved between yeast and higher organisms, the regulation of cation transport was addressed in the yeast Saccharomyces cerevisiae. The theory of linear nonequilibrium-thermodynamics was applied to build a model of cation homeostasis with its main focus on plasma membrane transporters. With this approach it is possible to model passive ion fluxes driven by the electrochemical potential differences but also primary or secondary active transport processes driven by the interplay of different ions (symport, antiport) or by ATP consumption (ATPases). Data for proton and potassium fluxes from MIFE and FLISE experiments (non-invasive techniques to measure transmembrane ion fluxes) were used to estimate the model parameters. The model was used to predict additional ion fluxes and identified chloride fluxes as potential candidates. The Trk1,2p and Pma1p dynamics were analyzed by in silico mutation and inhibition experiments. Furthermore, the behavior of cells undergoing multiple salt stresses was predicted showing a reduced activity for cells pretreated with higher KCl stimuli. The present study illustrates the applicability of mathematical and thermodynamical modeling to cellular membrane transport processes. The predictions derived from the models are a valuable tool to guide future biological experiments.
Membranen sind mehr als einfache Barrieren zwischen Zellen und ihrer Umgebung. Sie dienen sowohl zum Schutz der Zelle, ermöglichen aber auch den Austausch von Substanzen. Für diese Arbeit wurden zwei Aspekte des Membrantransports untersucht, zum einen der Transport von Wasser und zum anderen der Transport von Ionen, insbesondere von Kationen. Zur Untersuchung des Wassertransports wurden Säugernierenzellen als biologisches Modellsystem herangezogen. Es wurde ein Ansatz angewendet, der biologische Experimente mit der Generierung eines mathematischen Modells kombiniert. Dieser Ansatz wurde dazu verwendet, den intrazellulären Signalweg zu untersuchen, welcher die Menge des Wasserkanals Aquaporin-2 in der Membran der Nierenzellen reguliert. Aus Experimenten an Ratten- und Hundenierenzellen gewonnene Daten wurden zur Schätzung der Modellparameter herangezogen. Dies ermöglichte die Erstellung von spezies- spezifischen Modellen. Die Modelle wurden zur Untersuchung der zeitabhängigen Dynamik des Systems verwendet und wie folgt analysiert. Durch Eliminieren von Reaktionen und anschließender Parameterschätzung wurden verschiedene Modellvarianten generiert. Diese wurden, in Anhängigkeit davon, wie gut sie die biologischen Daten wiedergeben konnten, sortiert. Die Ergebnisse zeigten, dass in Nierenzellen unterschiedlicher Herkunft verschiedene Reaktionen wichtig sind und identifizierten jeweils diejenigen Reaktionen, die für das zeitabhängige Verhalten des Systems entscheidend sind. Eine Sensitivitätsanalyse wurde durchgeführt und zeigte, dass Veränderungen in den direkt am Translokationsmechanismus beteiligten Reaktionen den größten Einfluss auf die zelluläre Verteilung von Aquaporin-2 haben. Basierend auf den Kenntnissen über Funktionsstörungen der Wasserhomöostase wurden medizinische Fallbeispiele erzeugt. Mithilfe des auf Hundenierenzellen basierenden Modells wurde eine für den jeweiligen Fall geeignete Behandlung identifiziert. Da viele Membrantransportsysteme von Hefe sehr ähnlich zu denen höheren Organismen sind, wurde die Regulierung des Kationentransports in der Hefe Saccharomyces cerevisiae untersucht. Die Theorie der linearen Nichtgleichgewichtsthermodynamik wurde dazu verwendet, thermodynamische Modelle der Kationenhomöostase zu erstellen. Dieser Ansatz ermöglichte die Modellierung passiver Ionenflüsse angetrieben durch elektrochemische Potentialdifferenzen sowie primär und sekundär aktive Transportprozesse durch Symport, Antiport oder ATPasen. Biologische Daten für Kalium- und Protonenflüsse aus MIFE- und FLISE-Experimenten (nicht-invasive Techniken zur Messung von transmembranen Ionenflüssen wurden zur Schätzung der Modellparameter herangezogen. Das Modell wurde dazu verwendet, Vorhersagen über zusätzliche Ionenflüsse zu machen und identifizierte Chloridflüsse als mögliche Kandidaten. Die Trk1/2p- und Pma1p-Dynamik wurde in Mutations- und Inhibierungs Experimenten in silico untersucht. Des Weiteren wurde das Modell dazu genutzt, das Verhalten der Zellen bei aufeinanderfolgenden Salzstressen zu analysieren und sagte reduzierte Ionenflüsse bei Zellen mit einem höheren primären Stimulus voraus. Die durchgeführten Untersuchungen verdeutlichen die Anwendbarkeit von mathematischer und thermodynamischer Modellierung auf Membrantransportprozesse. Die Vorhersagen des Modells bieten wertvolle Anhaltspunkte zur Planung und Durchführung zukünftiger Experimente.
