dc.contributor.author
Fröhlich, Martina
dc.date.accessioned
2018-06-08T00:57:18Z
dc.date.available
2013-10-15T10:03:39.962Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/12731
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-16929
dc.description.abstract
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.
de
dc.description.abstract
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.
de
dc.format.extent
XV, 159 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
systems biology
dc.subject
parameter estimation
dc.subject
linear nonequilibrium-thermodynamics
dc.subject
cation homeostasis
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie::570 Biowissenschaften; Biologie
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::510 Mathematik::518 Numerische Analysis
dc.title
Computational and experimental investigation of the mechanisms involved in
cellular water transport and (cat)ion homeostasis
dc.contributor.contact
martina.froehlich@babraham.ac.uk
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Martin Vingron
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Dr. h.c. Edda Klipp
dc.date.accepted
2012-10-17
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000095294-2
dc.title.translated
Computergestützte sowie experimentelle Untersuchungen von Mechanismen
involviert in zellulärem Wassertransport und (Kat)ionenhomöostase
en
refubium.affiliation
Mathematik und Informatik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000095294
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000014173
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access