ヤギ腸逆嚢を用いたヒスチジンの膜輸送のデモンストレーション:学部生のための体験型教育ツール

要約

ここでは、ヤギの腸内でのヒスチジンの膜輸送を実証する安価で再現性の高い方法を報告します。このプロセスは、ナトリウム勾配によって可能になるヒスチジンイオンとナトリウムイオンを腸細胞膜全体に共輸送することによって発生します。この方法は、体験学習教育学を利用して、生体膜を横切る溶質の動きをよりよく理解します。

要約

ヒスチジンは必須アミノ酸であり、免疫系、肺換気、血管循環に関与する代謝産物の前駆体でもあります。食事性ヒスチジンの吸収は、腸細胞の頂端膜上に存在するブロード中性アミノ酸トランスポーター(B⁰AT)によるナトリウム共役中性アミノ酸輸送に大きく依存します。.ここでは、ヤギ空腸逆嚢を使用して、内腔からの腸絨毛腸細胞によるヒスチジンの吸収を示します。さまざまな濃度のナトリウムとヒスチジンに曝露された空腸嚢をアッセイして、時間の関数として嚢内のヒスチジンの濃度を決定しました。結果は活発なヒスチジン吸収を示しています。塩の濃度を上げると、ヒスチジンの吸収が高くなり、ヤギの腸管逆嚢におけるナトリウムとヒスチジンの吸収が共鳴していることが示唆されました。このプロトコールは、適切な修飾を施したアミノ酸または他の代謝産物の腸内移動性を視覚化するために適用することができます。この実験は、学部生が膜輸送の概念を理解するのに役立つ体験型教育ツールとして提案します。

概要

生体細胞は、細胞内サイトゾルを細胞外含有量から分離する膜脂質二重層に囲まれています。膜は、溶質¹の動きを調節する半透性の障壁として機能します。生体膜を横切る輸送は、溶質の濃度や電荷など、いくつかの要因に依存する溶質の透過係数の影響を受けます。一般に、溶質は、受動的拡散、促進拡散、および能動的輸送²の3つのメカニズムを使用して膜内を移動します(図1)。単純拡散とは、可溶性、非電荷、および非極性の溶質が、半透膜を介して濃度勾配を下るプロセスです(図1A)。膜タンパク質は、高濃度の領域から低濃度の領域への溶質の移動を伴うため、このプロセスには役立ちません。拡散速度は、フィックの法則³に基づいています。一方、促進拡散はタンパク質依存性の輸送であり、メンブレンはエネルギーを消費することなく選択的な溶質のみが濃度勾配を通過することを可能にします(図1B)。この種の輸送は特異的であり、飽和速度論を示す点で単純な拡散とは異なります。

能動的輸送とは、ATPまたはイオン勾配を使用して、分子の濃度勾配に逆らって、つまり低濃度の領域から高濃度の領域への分子のタンパク質依存的な輸送です(図1C)。トランスポーターがATPを加水分解すると、その輸送は一次能動的輸送と呼ばれます(図1C、左パネル)。アクティブ・トランスポートの別の形式は、セカンダリ・アクティブ・トランスポートです(図1C、右パネル)。二次能動輸送では、溶質は電気化学的勾配に基づいて移動されます。これは、トランスポータータンパク質がイオン(通常はNa⁺)の濃度勾配への移動と、その濃度勾配に対する別の分子またはイオンの動きと結合するときに発生します。この種の溶質の動きは、溶質とイオンの両方が同じ方向に移動する共輸送(Symport)と、溶質とイオンが反対方向に移動する交換(Antiport)があります。

食物源からの食事性アミノ酸と単糖類は小腸で吸収されます。小腸は、機能的に十二指腸、空腸、回腸の3つのセグメントに分けることができます(図2)。溶質の吸収は小腸全体で起こり、最大の吸収は空腸と回腸の近位端で発生します。腸腸細胞は分極した細胞であり、隣接する2つの細胞をつなぐタイトジャンクションは、基底外側と頂端膜部位の2つの異なる膜部位を作り出します(図2)。消化によって生成された管腔溶質の吸収は、頂端膜部位⁴で起こります。

頂端膜における腸管内ヒスチジン輸送は、ナトリウム依存性の二次活性シンポートの一例です。基底外側端では、腸細胞に入るヒスチジンは、濃度勾配を下って肝臓門脈循環に移動します。腸細胞内のナトリウムの細胞内濃度は12 mmoles/L¹に維持され、これは基底外側膜にあるNa⁺ K ⁺ ATPaseによって細胞外にナトリウムが活発に送り出されるため、細胞外/管腔濃度よりも低くなっています(図3)。腸細胞の頂端膜では、B⁰ATとナトリウム中性アミノ酸トランスポーター(SNAT)5が、ヒスチジンだけでなく、ナトリウム依存性^共輸送5,6でアスパラギンやグルタミンなどのアミノ酸も輸送する主要なトランスポーターです。腸細胞の基底外側膜に存在するLarge Amino acid Transporter(LAT)1と呼ばれる別の輸送タンパク質は、ロイシン、トリプトファン、チロシン、フェニルアラニンなどの大きな中性アミノ酸を膜を横切って輸送^する7。

体験学習教育学を通じて、分光光度法や日常的な生化学的アッセイなどの技術と統合された膜輸送の概念を教えることを目的として、概念をわかりやすい言葉で示すだけでなく、学部生の参加型学習を可能にする方法論を開発することが不可欠です。現在、学生がこのような生化学の概念を学ぶための実践的な取り組みのために利用できるリソースは限られています。ここでは、学部の研究室で再現が容易で、他の代謝産物の輸送の評価にも適応できる、ヤギの腸膜を介したヒスチジン輸送を実証するための簡単なプロトコルを報告します。さらに重要なことに、この方法は学部の研究室で安価な材料を利用しているため、最も単純な実験室環境でも体験学習が可能です。

プロトコル

図 4では、プロトコル全体とすべてのステップを概略図として示しています。この方法は、ラットの腸8を用いた先行研究から得られた^{ものである。}実験は、機関のガイドラインに準拠して実施されました。この研究で使用されたサンプルは、商用ベンダーから調達されました。

注意:この実験中は手袋を着用してください。

1. 逆空腸嚢の調製

1. ヤギ空腸を前処理して清掃します。
   1. 生贄にされたばかりの健康なヤギの内臓を、認可されたベンダーから調達します。
   2. 内臓を十分な1xリン酸緩衝生理食塩水(PBS)に入れて、洗浄のために完全に浸します。
   3. 小腸を大腸から分離し、はさみを使用して外部結合組織が除去されていることを確認します。
   4. 10mLシリンジを使用して1x PBSで小腸を穏やかに洗い流し、未消化の食物物質を確実に除去して小腸の中空袋を得る。このプロセスを少なくとも3回繰り返すと、効果的なクリーニングが可能になります。
      注意: 洗い流し中は、過度の力や針の使用を避けてください。力を加えると、腸壁に穴が開き、腸腸細胞が損傷する可能性があります。
   5. 定規を使用して小腸の全長を測定し、十二指腸(小^腸の1 /4)と残りの部分が空腸と回腸に均等に分割された3つの部分を取得します。
   6. 空腸部分を使用して実験を進めます。
2. 逆空腸を準備します。
   1. 空腸部分をクリーニングし、ブレードを使用してすべての結合組織を取り除きます。
   2. 空腸を12〜15 cmの長さに切り、1x PBSで洗い、PBSの入ったシャーレに入れます。
   3. ガラス棒を使用して空腸部分を反転させ、絨毛部分が外側に露出できるようにします。
      注意: 鋭利なエッジのあるガラス棒の使用は避けてください。さらに、ガラス棒の直径は、嚢の直径より大きくてはなりません。
      注:この時点で、光学顕微鏡で絨毛を視覚化できます(図4)。
   4. 逆空腸部分を1x PBSでやさしく洗い流します。
   5. 逆空腸の側面から漏れがないか確認してください。
   6. 逆空腸部分を5cmの長さの嚢に切ります。
   7. 一方の端を麻ひもで結び、袋にPBSを充填して、結んだ端に視覚的な漏れがないか再確認します。
   8. もう一方の端を結んで、外面に絨毛のある空の逆嚢を作成します。
   9. 逆さまの袋を濾紙で軽くたたいて、外部漏れがないか再確認してください。
3. 逆さ嚢を1x PBSで平衡化します。
   1. 同日に実験を進めるか、嚢を1x PBSで4°Cで一晩保存します。

2. ヒスチジン輸送の実験装置

1. 表1に示されているように、塩化ナトリウムの異なる濃度に従って、3つの50 mLチューブを2セット組み立てます。
2. 準備した腸嚢を指定されたチューブに各セットで30分と60分浸します。
3. 指定された時間が経過したら、別の1.5 mL微量遠心チューブ内の嚢内の溶液を空にし、容量を決定します。
4. 2mLシリンジを使用して嚢内の液体を吸引します。または、嚢の一方の端をほどき、内容物を新しい1.5mLチューブに集めます。
5. 採取したサンプル0.1mLをヒスチジン推定のためにアッセイし、標準グラフを用いて濃度を算出します。

3. Pauly反応を用いたヒスチジンの推定

1. ヒスチジンの標準曲線を調製します。
   1. 表2に示すように、ヒスチジン(5 mM)と水のストック溶液を使用して、さまざまな濃度のヒスチジンを含む溶液を調製します。
   2. スルファニル酸(0.5 mL)と硝酸ナトリウム(0.5 mL)を各チューブに加えます。
   3. チューブを室温で5分間インキュベートし、その後、各チューブに炭酸ナトリウムとエタノールを各1 mL加えます。
   4. チューブを室温(~20°C)で20分間インキュベートし、波長490nmでの吸光度に注意してください。
   5. 吸光度とヒスチジン濃度の標準曲線をプロットします。
      注:このヒスチジンの試験は、ヒスチジンがジアゾ化合物を形成する特性に基づいています(図5)。

結果

腸絨毛によるヒスチジンの逆嚢の内腔への吸収によるヒスチジンの腸内可動性を実証するための実験ワークフローを、 図4、 表1 および 表2に示す。3つの独立した実験セットアップを実行し、代表的なデータを 図6に示します。

与えられた実験条件下で、Paulyの反応を用いたヒ...

ディスカッション

膜輸送は、基礎または応用を問わず、すべての主要な生物科学分野の学部生に教えられる最も基本的な概念の1つです。従来、膜を横切る移動は、放射性同位元素で標識された代謝物を使用して視覚化されてきました。ただし、これらの方法は非常に危険であり、教育や学習には適していません。体験学習は、このような複雑な概念を理解するための最良の教育手法?...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
1.5 mL Microcentrifuge Tubes	TARSONS	500020
10 mL Test Tubes	BOROSIL	9800U04
50 mL Sterile Falcon Tubes	TARSONS	546041
500 mL Beaker	BOROSIL	10044977
500 mL Conical Flask	BOROSIL	691467
D-Glucose	SRL	42738
Digital Spectrophotometer	SYSTRONICS	2710
Ethanol	EMSURE	1009831000
Finpipettes	THERMOFISHER	4642090
Glass Stirrer Rod	BOROSIL	9850107
L-Histidine	SRL	17849
NaCl	SRL	41721
Nitrile Gloves	KIMTECH	112-4847
Petri Dish	TARSONS	460090
Phosphate Buffered Saline (ph 7.4)	SRL	95131
Pipette Tips	ABDOS	P10102
Sodium Carbonate	SRL	89382
Sodium Nitrate	SRL	44618
Sodium Phosphate Dibasic (anhydrous)	SRL	53046
Sodium Phosphate Monobasic (anhydrous)	SRL	22249
Sulphanilic Acid	SRL	15354