Vandkanaler – Aquaporinproteiner

Aquaporiner – Vandkanaler
Vand krydser cellemembraner ved diffusion gennem lipiddobbeltlaget, gennem vandkanalproteiner kaldet Aquaporiner.

Den funktionelle karakterisering af det første aquaporin-membranprotein blev rapporteret i 1992, men de fleste membranfysiologer mente, at der måtte være åbninger (porer eller kanaler) i cellemembranerne for at muliggøre en strøm af vand, fordi den osmotiske permeabilitet i nogle epitelceller var alt for stor til, at den kunne forklares ved simpel diffusion gennem plasmamembranen. Det forudsiges, at et enkelt menneskeligt aquaporin-1 kanalprotein letter vandtransporten med en hastighed på ca. 3 milliarder vandmolekyler pr. sekund. En sådan transport synes at være bidirektionel i overensstemmelse med den fremherskende osmotiske gradient.

I 1992 blev der identificeret en “vandkanal”, og det blev foreslået, hvordan dens molekylære maskineri kunne se ud; det vil sige, at der blev identificeret proteiner, som dannede en egentlig kanal i membraner, der lettede vandbevægelsen.

I midten af 1980’erne undersøgte Peter Agre, M.D. (professor i biologisk kemi og medicin – John Hopkins Med School – Nobelpristager i kemi i 2003) forskellige membranproteiner isoleret fra de røde blodlegemer. Han fandt også et af disse i nyrecellerne. Efter at have bestemt både dens peptidsekvens og den tilsvarende DNA-sekvens spekulerede han i, at det kunne være proteinet i den såkaldte cellulære vandkanal. Han kaldte dette kanalprotein – aquaporin.

Agre testede sin hypotese om, at aquaporin kunne være et vandkanalprotein, i et simpelt forsøg (fig. 1 – nedenfor). Han sammenlignede celler, som indeholdt det pågældende protein, med celler, som ikke havde det. Når cellerne blev anbragt i en vandopløsning, absorberede de celler, der havde proteinet i deres membraner, vand ved osmose og svulmede op, mens de celler, der manglede proteinet, slet ikke blev påvirket. Agre gennemførte også forsøg med kunstige cellemembraner, såkaldte liposomer, som er simple lipidbundne dråber af vand. Han fandt ud af, at liposomerne kun blev gennemtrængelige for vand, hvis aquaporinproteinet blev implanteret i deres kunstige membraner.

Figur 1. Agre’s forsøg med celler, der indeholder eller mangler aquaporin. Aquaporin er nødvendigt for at få ‘cellen’ til at optage vand og svulme op.

Agre vidste også, at kviksølvioner ofte forhindrer celler i at optage og afgive vand, og han viste, at vandtransport gennem hans kunstige membranposer med aquaporinproteinet blev forhindret på samme måde af kviksølv. Dette var endnu et bevis for, at aquaporin faktisk kunne være en vandkanal.

Hvordan kan en vandkanal fungere?

I 2000 rapporterede Agre sammen med andre forskerhold de første billeder med høj opløsning af den tredimensionelle struktur af aquaporin. Med disse data var det muligt at kortlægge i detaljer, hvordan en vandkanal kan fungere. Hvordan kan det være, at aquaporin kun lukker vandmolekyler ind og ikke andre molekyler eller ioner? Membranen må f.eks. ikke lække protoner. Dette er afgørende, fordi forskellen i protonkoncentrationen mellem cellens indre og ydre er grundlaget for det cellulære energilagringssystem.

Aquaporiner danner tetramere i cellemembranen og letter transporten af vand og i nogle tilfælde andre små opløste stoffer, som glycerol, gennem membranen. Vandporerne er imidlertid fuldstændig uigennemtrængelige for ladede arter som f.eks. protoner, hvilket er en bemærkelsesværdig egenskab, der er afgørende for bevarelsen af membranens elektrokemiske potentiale. Baseret på hydrofobicitetsplots af deres aminosyresekvenser forudsiges det, at akvaporinerne har seks membranoverskridende segmenter, som vist i modellen af akvaporin-1 nedenfor. Aquaporiner findes i plasmamembranen som homotetramere. Hver aquaporin-monomer indeholder to halvporer, som foldes sammen og danner en vandkanal (fig. 3).

Den sandsynlige virkningsmekanisme for aquaporinkanalerne er undersøgt ved hjælp af supercomputersimuleringer. I april 2002-udgaven af Science er de simuleringer, der er udført af forskere fra University of Illinois (Morten Jensen, Sanghyun Park, Emad Tajkhorshid og Klaus Schulten) og University of California i San Francisco (D. Fu, A. Libson, L.J.W. Miercke, C. Weitzman, P. Nollert, J. Krucinski og R.M. Stroud) tyder på, at orienteringen af vandmolekyler, der bevæger sig gennem aquaporinerne, sikrer, at kun vand, og ikke ioner som f.eks. protoner, passerer mellem cellerne. De molekylærdynamiske computersimuleringer (MD) af kanalerne omfattede et system med mere end 100 000 atomer og afslørede dannelsen af en enkelt fil inde i kanalen, hvilket indikerer, at vandmolekylerne passerer gennem kanalen i en enkelt fil. Når vandmolekylerne kommer ind, vender de sig med deres iltatom nedad i kanalen. Midt i vandløbet vender de om og vender med iltatomet opad. Under passagen gennem kanalen strømmer vandmolekylernes ballet gennem kanalen, idet de altid kommer ind med ansigtet nedad og forlader den med ansigtet opad.
Selektivitet er en central egenskab ved kanalen. Vandmolekyler snor sig gennem den smalle kanal ved at orientere sig i det lokale elektriske felt, der dannes af atomerne i kanalvæggen. Vandmolekylernes strengt modsatte orienteringer forhindrer dem i at lede protoner, samtidig med at de tillader en hurtig strøm af vandmolekyler. Protoner (eller rettere hydroniumioner, H3O+) bliver stoppet undervejs og afvist på grund af deres positive ladninger.

Den fysiologiske og medicinske betydning af mulige vandkanaler.

Aquaporinproteinerne har vist sig at udgøre en stor proteinfamilie. Mere end 10 forskellige akvaporiner fra pattedyr er blevet identificeret til dato. Nært beslægtede vandkanalproteiner er blevet isoleret fra planter, insekter og bakterier. Aquaporin-1 fra menneskelige røde blodlegemer blev opdaget som det første og er sandsynligvis det bedst undersøgte. Alene i menneskekroppen er der fundet mindst 11 forskellige varianter af aquaporinproteiner.

Nyrerne fjerner affaldsstoffer, som kroppen ønsker at skille sig af med. I nyrerne forlader vand, ioner og andre små molekyler blodet som “primær” urin. I løbet af 24 timer kan der produceres ca. 170 liter primær urin. Det meste af vandet herfra reabsorberes, således at der til sidst forlader kroppen ca. 1 liter urin om dagen.

Fra nyrens glomerulus ledes primærurinen videre gennem et snoede rør, hvor ca. 70 % af vandet reabsorberes til blodet af proteinet aquaporin AQP1. For enden af glomerulusrøret reabsorberes yderligere 10 % af vandet med et lignende aquaporin, AQP2. Ud over dette reabsorberes også natrium-, kalium- og kloridioner til blodet. Antidiuretisk hormon (vasopressin) stimulerer transporten af AQP2 til cellemembranerne i rørvæggene og øger dermed vandresorptionen fra urinen. Personer med mangel på dette hormon kan blive ramt af sygdommen diabetes insipidus med en daglig urinproduktion på 10-15 liter.

tilbage