Demonstratie van membraantransport van histidine met behulp van omgekeerde darmzakken van geiten: een ervaringsgericht pedagogisch hulpmiddel voor studenten

Biologische cellen zijn omgeven door een membraanlipidedubbellaag die het intracellulaire cytosol scheidt van de extracellulaire inhoud. Het membraan dient als een semipermeabele barrière die de beweging van opgeloste stoffen reguleert¹. Het transport over biologische membranen wordt beïnvloed door de permeabiliteitscoëfficiënt van een opgeloste stof, die afhankelijk is van verschillende factoren, waaronder de concentratie en lading van de opgeloste stof. Over het algemeen bewegen opgeloste stoffen door het membraan met behulp van drie mechanismen (Figuur 1): Passieve diffusie, gefaciliteerde diffusie en actief transport². Eenvoudige diffusie is het proces waarbij oplosbare, ongeladen en niet-polaire opgeloste stoffen hun concentratiegradiënt doorgeven door een semipermeabel membraan (Figuur 1A). Membraaneiwitten helpen niet bij dit proces, omdat het gaat om de verplaatsing van opgeloste stoffen van een gebied met een hogere concentratie naar een gebied met een lagere concentratie. De diffusiesnelheid is gebaseerd op de wet van Fick³. Aan de andere kant is gefaciliteerde diffusie een eiwitafhankelijk transport waarbij het membraan alleen selectieve opgeloste stoffen langs een concentratiegradiënt laat passeren zonder het verbruik van energie (Figuur 1B). Dit soort transport is specifiek en verschilt van eenvoudige diffusie door het vertonen van verzadigingskinetiek.

Actief transport is een eiwitafhankelijk transport van moleculen tegen hun concentratiegradiënt in, d.w.z. van het gebied met een lagere concentratie naar een gebied met een hogere concentratie met behulp van ATP- of ionengradiënten (Figuur 1C). Wanneer de transporter ATP hydrolyseert, wordt het transport primair actief transport genoemd (Figuur 1C; linkerpaneel). Een andere vorm van actief transport is secundair actief transport (Figuur 1C; rechterpaneel). Bij secundair actief transport worden opgeloste stoffen verplaatst op basis van een elektrochemische gradiënt. Het vindt plaats wanneer een transporteiwit de beweging van een ion (meestal Na⁺) langs zijn concentratiegradiënt koppelt aan de beweging van een ander molecuul of een ion tegen zijn concentratiegradiënt. Dit soort beweging van opgeloste stoffen kan een co-transport (Symport) zijn waarbij zowel de opgeloste stof als het ion in dezelfde richting bewegen of een uitwisseling (Antiport), in welk geval de opgeloste stof en het ion in tegengestelde richting bewegen.

De voedingsaminozuren en monosacchariden uit voedselbronnen worden opgenomen in de dunne darm. De dunne darm kan functioneel worden onderverdeeld in drie segmenten: twaalfvingerige darm, jejunum en ileum (figuur 2). Absorptie van opgeloste stof vindt plaats in de dunne darm, met maximale absorptie aan het jejunum en aan het proximale uiteinde van het ileum. De intestinale enterocyten zijn gepolariseerde cellen en de tight junctions die twee aangrenzende cellen verbinden, creëren twee verschillende membraanplaatsen – de basolaterale en de apicale membraanplaats (Figuur 2). De absorptie van luminale opgeloste stoffen die door vertering worden gegenereerd, vindt plaats op de plaats van het apicale membraan⁴.

Histidinetransport in de darmenterocyten bij het apicale membraan is een voorbeeld van een secundair actief symport dat natriumafhankelijk is. Aan het basolaterale uiteinde beweegt het histidine dat de enterocyt binnenkomt langs de concentratiegradiënt naar de hepatische portale circulatie. De intracellulaire concentraties van natrium in de enterocyt worden gehandhaafd op 12 mmole/L¹, wat lager is dan de extracellulaire/luminale concentraties, dankzij het actief pompen van natrium uit de cel door Na⁺ K⁺ATPase op het basolaterale membraan (Figuur 3). Bij het apicale membraan van enterocyten zijn de B⁰AT en de natriumneutrale aminozuurtransporter (SNAT) 5 de belangrijkste transporters die niet alleen histidine transporteren, maar ook aminozuren zoals asparagine en glutamine in een natriumafhankelijk cotransport ^5,6. Een ander transporteiwit genaamd Large Amino acid Transporter (LAT)1 dat aanwezig is op het basolaterale membraan van enterocyten, transporteert grote neutrale aminozuren zoals leucine, tryptofaan, tyrosine en fenylalanine over het membraan⁷.

Met als doel het concept van membraantransport te onderwijzen geïntegreerd met technieken zoals spectrofotometrie en routinematige biochemische tests door middel van ervaringslerenpedagogiek, is het absoluut noodzakelijk om methodologieën te ontwikkelen die niet alleen het concept in gemakkelijk te begrijpen termen kunnen demonstreren, maar ook participatief leren voor niet-gegradueerde studenten mogelijk maken. Momenteel zijn er beperkte middelen beschikbaar voor de studenten voor hands-on betrokkenheid om dergelijke concepten van biochemie te leren. Hier rapporteren we een eenvoudig protocol voor het aantonen van Histidine-transport door het darmmembraan van geiten dat gemakkelijk te reproduceren is in niet-gegradueerde laboratoria en kan worden aangepast voor het evalueren van het transport van andere metabolieten. Wat nog belangrijker is, de methode maakt gebruik van goedkope materialen in een niet-gegradueerd laboratorium, waardoor ervaringsleren mogelijk wordt, zelfs in de eenvoudigste laboratoriumomgevingen.