Effect of transmembrane potential on the diffusion of Na⁺/H⁺ exchanger of human red blood cell

Abstract

The RBC membrane differs from a simple bilayer membrane by its mechanical properties, shear viscoelasticity and by the long range mobility of integral membrane proteins. The influence of transmembrane potential of human RBCs on the lateral diffusion of Na⁺/H⁺ exchanger and membrane lipid analogue Bodipy-HPC has been studied using fluorescence correlation spectroscopy (FCS). Variable changes in the diffusion constants of Na+/H+ exchanger at different transmembrane potentials and corresponding cytoskeleton interactions have been explained. The role of volume changes of RBCs on the diffusion constant of Na⁺/H⁺ has been studied. The obtained data suggest that the transmembrane potential has no significant influence on the lateral diffusion of lipid analogue Bodipy-HPC. Additionally, the mechanism behind the Ca²⁺ loss of a single Caco-2 cell in physiological conditions has been studied in detail. The mechanism behind such loss and the suitable inhibitor to block this loss has been studied. Different inhibitors for Ca²⁺ channels and pumps have been used to understand the responsible mechanism has been found out. It has been demonstrated, that the detached single Caco-2 cell, from the epithelium, loses Ca²⁺ through L-type channels. Moreover, the influence of nano-structured surfaces and nano-particles on the physiological processes like Ca²⁺ transport and intracellular pH of RBCs and Caco-2 cells has been studied. Changes in the intracellular pH and Ca²⁺ transport on living cells have impact on the cell metabolism and physiology. It has been shown that most of the surfaces with various patterns and textures on the glass surface do not influence the Ca²⁺ transport and intracellular pH. Polymer surfaces with different precursor material other than glass (borosilicate) have shown to exert significant influence on both Ca²⁺ transport and pH of RBCs and Caco-2 cells.

Die Membran der roten Blutzelle (RBC) unterscheidet sich von einer einfachen Bilayer-Membran durch ihre mechanischen Eigenschaften, viskoelastische Scherkräfte und durch die große Beweglichkeit von integralen Membranproteinen. Der Einfluss des Membranpotentials von menschlichen RBCs auf die laterale Diffusion des Na⁺/H⁺-Austauschers und des Membranlipid-Analogons bodipy-HPC wurde mittels Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS) untersucht. Die Variation der Diffusionskonstante des Na⁺/H⁺-Austauschers bei verschiedenen Transmembranpotentialen und den korrespondierenden Cytoskelett-Interaktionen wurde erklärt. Die Rolle von Volumenänderungen bei RBCs auf die Diffusionskonstante von Na⁺/H⁺ wurde studiert. Die gewonnenen Daten deuten darauf hin, dass das Transmembranpotential keinen signifikanten Einfluss auf die laterale Diffusion des Lipid-Analogons bodipy-HPC hat. Zusätzlich wurde im Detail der Mechanismus hinter dem Ca²⁺-Verlust einer Caco-2-Zelle in physiologischen Bedingungen und einem geeigneten Inhibitor, um diesen Verlust zu blocken, untersucht. Verschiedene Inhibitoren für Ca²⁺-Kanäle und Pumpen wurden benutzt, um den verantwortlichen Mechanismus zu verstehen. Es wurde gezeigt, dass eine einzelne, aus Epithel isolierte, Caco-2-Zelle durch L-Typ-Kanäle Ca²⁺ verliert.Darüber hinaus wurde der Einfluss von nanostrukturierten Oberflächen und Nanopartikeln auf physiologische Prozesse wie den Ca²⁺-Transport und den intrazellulären pH von RBCs und Caco-2-Zellen betrachtet. Veränderungen im intrazellulären pH und dem Ca²⁺-Transport in lebenden Zellen haben einen Einfluss auf den Stoffwechsel und die Physiologie von Zellen. Es wurde gezeigt, dass die meisten nanostrukturierten Oberflächen mit verschiedenen Mustern und Texturen in der Glasoberflösche keinen Einfluss auf den Ca²⁺-Transport und den intrazellulären pH haben. Polymeroberflächen mit verschiedenen Rohstoffen als Glas (Borosilikat) zeigen einen signifikanten Einfluss sowohl auf den Ca²⁺-Transport als auch auf den pH von RBCs und Caco-2-Zellen.