|
Hans H. Ussing blev født 1911 i Sorø. Han blev kandidat
i biologi i 1934, dr. phil 1938, professor i zoofysiologi 1950 og
professor i biokemi i 1960, selvom hans egentlige forskningsfelt
bedst kan betegnes som biofysik. Siden 1946 har hans studier været
koncentreret om sammenhængen mellem biologisk salt og vandtransport
og bioelektriske fænomener.
Egentlig var det først marinbiologien, der havde Ussings
hjerte. Som student deltog han i Lauge Koch ekspeditionen til Østgrønland
i 1933, og hans disputats (1938) kom til at omhandle planktonorganismer
i østgrønlandske fjorde. Allerede da blev Ussing imidlertid
distraheret. Larvestadiet hos mange copepoder er ikke til at skelne
fra hinanden og Ussing fik den ide at lave antistoffer mod de enkelte
larver og så fælde dem een ad gangen. Han henvendte
sig til August Krogh, som imidlertid var dybt optaget af noget helt
andet, nemlig anvendelse af tungt vand, som lige var blevet tilgængeligt.
Han tilbød den begavede, unge forsker istedet at arbejde
med brugen af tungt vand i studiet af vand permeabiliteten i cellemembraner.
Ussing beskriver selv denne første tid i August Krogh’s
laboratorium som et fascinerende, internationalt miljø, Stemningen
fik de unge forskere til at tro på at intet problem var for
svært, hvis man nærmede sig det med klare analyser og
en masse "common sense"(Ussing, 1980). Ussing beskriver
også, hvordan håndværket med det at udvikle og
skabe apparatur, der var nødvendigt for undersøgelserne,
var en central del af laboratoriets arbejde. Laboratoriet levede
i høj grad af de apparater, de udviklede og solgte til hospitaler
og forskningsinstitutioner.
 |
|
Hans H. Ussing tegnet af Hans Bendix i Politiken
i maj 1964 i forbindelse med at Ussing, sammen med professor
Lundsgaard, fik den fornemme norske Anders Jahre-pris.
|
I nogle år var Ussing dybt optaget af brugen af deuterium
i en hel anden sammenhæng end osmoregulering, nemlig i proteinkemien.
Han viste her, at man ved at fodre rotter med tungt vand kunne få
mærket rottens proteiner med tung brint. Han var således
en af de første,der kunne vise, at organismens proteiner
til stadighed nedbrydes og opbygges. Noget som i dag er en selvfølge,
men som dengang var en revolutionerende tanke. De vigtigste kontakter
i de år var Linderstrøm-Lang på Carlsberg Laboratoriet
og Brøndsted, professor i Fysisk Kemi ved Københavns
Universitet.
I 1946 holdt August Krogh sit berømte "Croonian Lecture",
hvor han for første gang introducerede begreberne aktiv transport
(pumpning) af ioner og passiv læk af ioner. Ionerne pumpes
den ene vej under brug af metabolisk energi og lækker passivt
den anden vej. Grunden til at man kunne måle denne transport
var brugen af radioaktive isotoper, der kan tilsættes specifikt
på den ene side af membranen. Dette blev starten til et større
projekt under Ussings ledelse. Krogh, Hevesy og Niels Bohr havde
søgt og fået en cyklotron til Niels Bohr Instituttet.
Det var den første i Europa og den muliggjorde, at fysiologerne
i København kunne få de nødvendige isotoper
til projektet. Team’et var Ussing, Hilde Levi og Barker Jørgensen,
isotoperne var 38Cl og 24Na og forsøgsorganismerne var axolotler
og isoleret frømuskel, samt ikke så længe efter
- det isolerede frøskind, der skulle blive studieobjektet
gennem mange, mange år. Fra arbejdet med frømusklen
kom den første beskrivelse af 1:1 exchange diffusion, der
blev introduceret til at forklare den hurtige udveksling af Na+
i frø musklen, hvor Na+ fluxen ud af muskelfiberen var alt
for hurtig til at kunne være aktiv transport (Ussing 1947).
Exchange diffusion er siden fundet at være af meget stor fysiologisk
betydning f.eks. i det røde blodlegeme hvor et membranprotein
udveksler Cl- med HCO3- . Grunden til at exchange diffusion er så
biologisk vigtig er, at den tillader udveksling af ladede stoffer
gennem elektrisk tætte cellemembraner.
 |
|
Hans H. Ussing i 1955, midt i den nok allermest
kreative periode i forskerkarieren. Ussing-kammerteknikken
var introduceret , det samme var Flux ratio ligningen og To-membranhypotesen
var ved at blive udarbejdet. Fot velvilligt udlånt af
Videnskabernes Selskab (Foto: Elfelt )
|
Flux ratio ligningen
For at komme videre i studiet af aktiv og passiv iontranport
var det nødvendigt med en matematisk model, der kunne beskrive
elektrodiffusion over en biologisk membran eller over et epitel.
Det var vanskeligt fordi man var nødt til at antage enten
en lineær koncentrationsgradient over epitelet, hvilket ikke
var særlig sandsynligt, eller et konstant elektrisk felt over
epitelet, hvilket måske heller ikke var sandsynligt. Ussings
specielle intuition kom ham her til hjælp, og han fik den
ide, ikke at se på de enkelte fluxe, men kun på forholdet
mellem fluxen ind og fluxen ud. Denne ratio kunne han vise var en
tilstandsfunktion, der ikke er afhængig af den barriere, som
ionen passerer, men kun af den elektriske potentialdifferens og
forholdet mellem koncentrationerne på de to sider. Han gik
straks i gang med at anvende teorien og publicerede resultaterne
i sin siden så berømte flux ratio artikel (Ussing,
1949). Han og Hilde Levi viste herefter, at iodid gav en flux ratio,
der passede med, at iodid blev transporteret passivt, mens Na+ udviste
en langt højere flux ratio og altså blev transporteret
aktivt (Levi og Ussing, 1949). Man havde i brugen af isotoper og
flux ratio ligningen fået et genialt instrument til at skeldne
passiv elektrodiffusion fra andre former for transport.
Oprindelig var flux ratio ligningen kun udledt for steady-state
fluxe. Ussing var imidlertid overbevist om dens gyldighed også
i en lang række non-steady-state situationer. Det matematiske
bevis for, at han havde ret, blev publiceret omend langt senere
i 1981. Dette har yderligere udvidet nytten af flux ratio-ligningen
meget.
Kortslutningsopstillingen, Ussingkammeret
Når man spænder et frøskind op imellem to
identiske saltopløsninger, så bliver indersiden af
skindet eller den side, der har vendt ind mod blodet positiv (100
millivolt). Ussings hypotese var, at aktiv pumpning af Na+ ioner
over frøskindet skabte dette potentiale, og at Cl- ionerne
fulgte passivt med. Problemet var imidlertid at påvise det
med sikkerhed. Ussings idé var simpel og genial, han ville
kortslutte frøskinnet, eller sagt på en anden måde,
han ville sætte det elektriske potentiale over frøskinnet
til 0. Såfremt koncentrationen af en ion er ens på begge
sider af epithelet, og den elektriske potentialdifferens er nul,
er der ingen kraft, der kan give nettotransport af ionen, og den
vil udvise en fluxratio på én. Hvis en ion transporteres
aktivt, må den udvise en flux ratio, der er højere.
Ussing kontaktede kemikeren K. Zerahn og sammen konstruerede de
det senere så berømte Ussing kammer og lavede de første
kortslutningsforsøg (Ussing og Zerahn,1951). Disse viste
ganske rigtigt, at kun Na+ blev transporteret aktivt - Cl- fulgte
passivt med, og at kortslutningsstrømmen var lig med Na+
transporten. Samtidig gik iltforbruget op i kammeret, hvilket viste,
at der blev brugt energi til Na+ transporten. Endelig viste forsøgene,
at hvis dannelsen af ATP blev blokeret med dinitrofenol, gik Na-pumpen
gik i stå, hvilket indikerede, at der på en eller anden
måde måtte bruges ATP til den aktive transport.
Denne kortslutningsopstilling (Ussingammerteknikken) blev et gennembrud
i studiet af membrantransport. Efter at Ussing havde forelagt resultaterne
ved en kongres i København i 1950, blev hans laboratorium
i en lang række år et mekka for udenlandske forskere,
der ville studere transport over membraner under Ussings vejledning.
Kombineret med isotopteknik med forskellige isotoper på de
to sider og måling af flux ratioen gav det muligheder for
at studere steady-state transporvejene på en måde, der
ellers aldrig ville have været mulig. Kortslutningsteknikken
anvendes stadigvæk i hundreder af laboratorier verden over
ved studiet af iontransport over epitheler.
 |
|
Kortslutningsforsøg med et frøskind
anbragt i et Ussing kammer. Hans H Ussing og hans laborant
gennem mange år Birgit Hasman.
|
Det blev frugtbare år i København med konstant flere
gæster i laboratoriet end antallet af ansatte. Blandt de vigtigste
kan nævnes Adrian Hogben, Alex Leaf, Peter Curran, Dan Tosteson
og Gerhard Giebisch. Først løste man problemet med
„solvent drag" dvs. det problem, der opstår med flux
ratio-ligningen og kortslutningsteknikken, hvis man har et væskeflow
gennem systemet. Allerede på dette tidspunkt indså Ussing,
at interaktionen mellem vand og transporterede ioner kunne have
væsentlige konsekvenser. Derfor videreudviklede han flux ratio
ligningen, så den også omfattede situationer med vædskestrømning
gennem vandfyldte kanaler („solvent drag"). Løsningen
på dette blev publiceret i 1952 (Ussing 1952). Dernæst
fulgte en række vigtige gennembrudsarbejder. Det viste sig,
at i andre væv var det Cl- ionen, der gav strømmen
over epitelet og byggede potentialet op, hvilket også gjalt
i kirtlerne i frøskindet, når disse blev stimuleret
med adrenalin. Det blev også vist, at Na+ var helt essentiel
for optagelse af 3-methylglucose, hvilket senere viste sig at være
cotransport.
To-membranhypotesen
Det var selvfølgelig i det lange løb utilfredsstillende
at studere et Na+-transporterende epitel som en black box, og man
begyndte at beskæftige sig med organiseringen af epithelet.
Ideerne tager udgangspunkt i et elektrisk ækvivalenskredsløb
for et epithel, hvor man klart ser, at der er tre komponenter: En
udadvendt membran, en indadvendt membran og en „shunt". En
række meget elegante forsøg førte så i
1958 til to-membranhypotesen, hvor den indadvendte membran blev
postuleret at besidde Na+-pumpen samt passive lækveje for
K+ og Cl-, men mangle passiv Na+ permeabilitet. Den udadvendte membran
derimod var passivt gennemtrængelig for Na+ og for Cl-, men
var tæt for K+ og havde ingen pumper (Kofoed Johnsen og Ussing,1958).
I princippet holder alle disse antagelser stadig for Na+ transporterende
epiteler, og selv i dag starter overraskende mange artikler med
ordene: „Acording to the two-membrane hypothesis....".
Volumenregulering
Pumpe-læk steady-state concepted var godt nok introduceret
af Krogh i 1946, som nævnt ovenfor, men det blev udviklet
i detailler af Alex Leaf og Ussing. Denne beskrivelse står
sammen med en næsten samtidig beskrivelse af Tosteson og Hoffman
den dag i dag. Siden har Ussing også bidraget til studiet
af de dynamiske og kontrollerede ændringer, der sker i de
forskellige læk transportveje som kompenserende svar på
volumenændringer. En meget vigtig metode til at studere volumen
i epiteler blev introduceret i 1961. Opstillingen var designet således,
at volumet af epitelet (højden) kunne følges i mikroskopet
samtidig med, at det transepiteliale potentiale eller kortslutningsstrøm
kunne måles. Det blev de første studier af volumenkontrol
i epiteler, et felt der siden er taget op af adskillige grupper
med metoder, der i princippet bygger på samme ide. Faktisk
blev forsøgene startet for at teste konsekvenserne af to-membranhypotesen.
Et meget vigtigt trin i denne retning kom med Ussing og Windhagers
model af epitelet som et flerlaget funktionelt tredimensionalt syncytium
med samlede egenskaber som forudsat i to-membranhypotesen. Epitelets
celler er ifølge den teori koblet via intercellulære
ionpermeable porer. Det betyder, at det er meningsfuldt at korrelere
volumenændringer af hele epitelet med cellulære transportparametre.
Denne kobling mellem cellerne var en vigtig antagelse, der senere
har haft stor betydning især ved studiet af lække epiteler.
Med hensyn til volumenregulering i epitelcellen, genoptog Ussing
emnet i 1980’erne og lavede en lang række vigtige bidrag til
belysning af dette (Ussing 1986). I disse år fik jeg selv
lejlighed til at føre spændende samtaler og diskussioner
med Ussing.
I slutningen af 1980erne påbegyndte Ussing sine studier af
den isotone vandtransport (Ussing og Eskesen,1989). Dette emne har
optaget tankerne og ideerne siden. Den enkle geniale idé
om, at det er den regulerede "recycling" af den aktivt
pumpede ion (Na ionen), der styrer toniciteten af den transporterede
vædske er nu ved at blive teoretisk færdigbearbejdet
i samarbejde med Erik Hviid Larsen på August Krogh Instituttet.
Klare analyser og en masse "common sense", så er
der ikke noget problem, der ikke kan løses, var den lære,
som den unge Ussing fik, og Ussing blev en forsker med så
sikker en sans for de enkleste løsninger på problemerne,
at naturen simpelthen bør have valgt dem. Tit er Ussing´s
teorier blevet mødt med skepsis umiddelbart efter, at de
blev publiceret. Siden har det vist sig, at han fik ret.
Referencer:
Ussing,H.H. (1938). The biology of some important plankton animals
in the fjords of east Greenland. Disputats, Københavns
Universitet.
Ussing,H.H. (1947). Interpretation of the exchange of radiosodium
in isolated muscle. Nature 160: 262-263.
Ussing, H.H. (1949 ). The distinction by means of tracers betwen
active transport and diffusion. Acta. Physiol. Scand.18:43-56.
Levi, H., and Ussing,H.H. (1949). Resting potential and ion movements
in the frog skin. Nature. 164: 928-930.
Ussing, H.H. og Zerahn, K.(1951). Active transport of sodium
as the source of electric current in the short-circuited isolated
frog skin. Acta Physiol. Scand.23: 110-127.
Ussing, H.H. (1952). Some aspects of the application of tracers
in permeability studies. Adv. Enzymol. 13: 21-65.
Kofoed-Johnsen,V. and Ussing, H.H.(1958), The nature of the frog
skin potential. Acta. Physiol.Scand. 42:298- 308
* Ussing, H.H. (1980). Life with tracers. Ann. Rev. Physiol.
42: 1-16.
Ussing, H.H. (1986). Epithelial cell volume regulation illustrated
by experiments on forg skin. Renal Physiol 9:38-46
Ussing, H.H. and Eskesen, K. (1989). Mechanism of isotonic water
transport in glands. Acta. Physiol.Scand. 136:443-454.
* Denne artikel indeholder Ussings egen beskrivelse af de mange
år med isotoparbejdet og har været en vigtig kilde til
nærværende artikel.
|
