Vodní kanály – akvaporinové proteiny

Akvaporiny – vodní kanály
Voda prochází buněčnými membránami difuzí přes lipidovou dvojvrstvu, prostřednictvím proteinů vodních kanálů zvaných akvaporiny.

Funkční charakterizace prvního membránového proteinu akvaporinu byla oznámena v roce 1992, ale většina membránových fyziologů se domnívala, že v buněčných membránách musí být otvory (póry nebo kanály), které umožňují průtok vody, protože osmotická propustnost některých epiteliálních buněk je mnohem větší, než aby se dala vysvětlit prostou difuzí přes plazmatickou membránu. Předpokládá se, že jediný lidský kanálový protein aquaporin-1 usnadňuje transport vody rychlostí zhruba 3 miliardy molekul vody za sekundu. Zdá se, že takový transport je obousměrný, v souladu s převládajícím osmotickým gradientem.

V roce 1992 byl identifikován „vodní kanál“ a bylo naznačeno, jak by mohlo vypadat jeho molekulární ústrojí; to znamená, že byly identifikovány proteiny, které v membránách vytvářejí skutečný kanál usnadňující pohyb vody.

V polovině 80. let 20. století doktor Peter Agre (profesor biologické chemie a medicíny – John Hopkins Med School – nositel Nobelovy ceny za chemii za rok 2003) studoval různé membránové proteiny izolované z červených krvinek. Jeden z nich nalezl také v ledvinových buňkách. Poté, co určil jeho peptidovou sekvenci i odpovídající sekvenci DNA, vyslovil domněnku, že by se mohlo jednat o protein tzv. buněčného vodního kanálu. Tento protein kanálu označil jako – aquaporin.

Agre svou hypotézu, že by aquaporin mohl být proteinem vodního kanálu, ověřil v jednoduchém experimentu (obr. 1 – níže). Porovnával buňky, které obsahovaly dotyčný protein, s buňkami, které jej neměly. Když byly buňky umístěny do vodného roztoku, ty, které měly protein ve svých membránách, absorbovaly vodu osmózou a nabobtnaly, zatímco ty, které protein postrádaly, nebyly ovlivněny vůbec. Agre také prováděl pokusy s umělými buněčnými membránami, označovanými jako liposomy, což jsou jednoduché kapičky vody vázané na lipidy. Zjistil, že lipozomy se staly propustnými pro vodu pouze tehdy, pokud byl do jejich umělých membrán implantován protein aquaporin.

Obrázek 1: Jaké jsou výsledky výzkumu? Agreho pokus s buňkami obsahujícími nebo postrádajícími akvaporin. Akvaporin je nezbytný k tomu, aby „buňka“ přijímala vodu a bobtnala.

Agre také věděl, že ionty rtuti často brání buňkám přijímat a uvolňovat vodu, a ukázal, že transportu vody přes jeho umělé membránové váčky s proteinem akvaporinem brání stejným způsobem rtuť. To byl další důkaz, že akvaporin může být skutečně vodním kanálem.

Jak by mohl vodní kanál fungovat?

V roce 2000 Agre společně s dalšími výzkumnými týmy oznámil první snímky trojrozměrné struktury akvaporinu s vysokým rozlišením. Díky těmto údajům bylo možné podrobně zmapovat, jak by mohl vodní kanál fungovat. Jak je možné, že akvaporin propouští pouze molekuly vody, a ne jiné molekuly nebo ionty? Membrána například nemůže propouštět protony. To je klíčové, protože rozdíl v koncentraci protonů mezi vnitřkem a vnějškem buňky je základem buněčného systému ukládání energie.

Akvaporiny tvoří v buněčné membráně tetramery a usnadňují transport vody a v některých případech i dalších malých rozpuštěných látek, jako je glycerol, přes membránu. Vodní póry jsou však zcela nepropustné pro nabité druhy, jako jsou protony, což je pozoruhodná vlastnost, která je rozhodující pro zachování elektrochemického potenciálu membrány. Na základě grafů hydrofobicity jejich aminokyselinových sekvencí se předpokládá, že akvaporiny mají šest membránou se rozprostírajících segmentů, jak je znázorněno na modelu akvaporinu-1 níže. Akvaporiny existují v plazmatické membráně jako homotetramery. Každý monomer akvaporinu obsahuje dva polopóry, které se skládají dohromady a vytvářejí vodní kanál (obr. 3).

Pravděpodobný mechanismus působení akvaporinových kanálů je studován pomocí superpočítačových simulací. V dubnovém čísle časopisu Science z roku 2002 byly simulace, které provedli vědci z Illinoiské univerzity (Morten Jensen, Sanghyun Park, Emad Tajkhorshid a Klaus Schulten) a Kalifornské univerzity v San Franciscu (D. Fu, A. Libson, L.J.W. Miercke, C. Weitzman, P. Nollert, J. Krucinski a R.M. Stroud) naznačily, že orientace molekul vody pohybujících se skrz aquaporiny zajišťuje, že mezi buňkami prochází pouze voda, nikoli ionty, jako jsou protony. Počítačové simulace molekulární dynamiky (MD) kanálů zahrnovaly systém více než 100 000 atomů a odhalily vytvoření jediného souboru uvnitř kanálu, což naznačuje, že molekuly vody procházejí kanálem v jednom souboru. Při vstupu se molekuly vody obracejí svým atomem kyslíku směrem dolů do kanálu. V polovině proudu se jejich orientace změní a směřují atomem kyslíku nahoru. Při průchodu kanálem proudí balet molekul vody, které vždy vstupují směrem dolů a vystupují směrem nahoru.
Selektivita je hlavní vlastností kanálu. Molekuly vody si razí cestu úzkým kanálem tím, že se orientují v místním elektrickém poli tvořeném atomy stěny kanálu. Striktně opačná orientace molekul vody jim brání ve vedení protonů a zároveň umožňuje rychlý tok molekul vody. Protony (nebo spíše hydroniové ionty, H3O+) jsou na cestě zastaveny a odmítnuty kvůli svým kladným nábojům.

Fyziologický a lékařský význam možných vodních kanálů.

Bylo zjištěno, že proteiny akvaporinů jsou velkou rodinou proteinů. Dosud bylo identifikováno více než 10 různých savčích akvaporinů. Blízce příbuzné proteiny vodních kanálů byly izolovány z rostlin, hmyzu a bakterií. Aquaporin-1 z lidských červených krvinek byl objeven jako první a je pravděpodobně nejlépe prozkoumán. Jen v lidském těle bylo nalezeno nejméně jedenáct různých variant proteinů akvaporinů.

Ledviny odstraňují odpadní látky, kterých se tělo chce zbavit. V ledvinách voda, ionty a další malé molekuly odcházejí z krve jako „primární“ moč. Během 24 hodin se může vyprodukovat přibližně 170 litrů primární moči. Většina vody z ní se zpětně vstřebá, takže nakonec tělo opustí asi jeden litr moči denně.

Z glomerulu ledviny se primární moč dostává dál vinutou trubicí, kde se asi 70 % vody zpětně vstřebá do krve pomocí proteinu akvaporinu AQP1. Na konci trubice glomerulu je dalších 10 % vody reabsorbováno podobným akvaporinem AQP2. Kromě toho jsou do krve reabsorbovány také ionty sodíku, draslíku a chloridu. Antidiuretický hormon (vazopresin) stimuluje transport AQP2 k buněčným membránám ve stěnách trubice, a tím zvyšuje resorpci vody z moči. Lidé s nedostatkem tohoto hormonu mohou být postiženi onemocněním diabetes insipidus s denním výdejem moči 10-15 litrů.

zpět