Wasserkanäle – Aquaporinproteine

Aquaporine – Wasserkanäle
Wasser durchquert Zellmembranen durch Diffusion durch die Lipiddoppelschicht, durch Wasserkanalproteine, Aquaporine genannt.

Über die funktionelle Charakterisierung des ersten Aquaporin-Membranproteins wurde 1992 berichtet, aber die meisten Membranphysiologen waren der Meinung, dass es Öffnungen (Poren oder Kanäle) in den Zellmembranen geben muss, um einen Wasserfluss zu ermöglichen, da die osmotische Permeabilität einiger Epithelzellen viel zu groß war, um durch einfache Diffusion durch die Plasmamembran erklärt werden zu können. Man geht davon aus, dass ein einziges menschliches Aquaporin-1-Kanalprotein den Wassertransport mit einer Geschwindigkeit von etwa 3 Milliarden Wassermolekülen pro Sekunde ermöglicht. Dieser Transport scheint bidirektional zu sein, in Übereinstimmung mit dem vorherrschenden osmotischen Gradienten.

Im Jahr 1992 wurde ein „Wasserkanal“ identifiziert und es wurde vorgeschlagen, wie seine molekulare Maschinerie aussehen könnte; das heißt, es wurden Proteine identifiziert, die einen tatsächlichen Kanal in Membranen bilden, der die Wasserbewegung erleichtert.

Mitte der 1980er Jahre untersuchte Dr. Peter Agre (Professor für biologische Chemie und Medizin – John Hopkins Med School – Nobelpreisträger für Chemie 2003) verschiedene Membranproteine, die aus den roten Blutkörperchen isoliert wurden. Eines dieser Proteine fand er auch in den Nierenzellen. Nachdem er sowohl die Peptidsequenz als auch die entsprechende DNA-Sequenz bestimmt hatte, vermutete er, dass es sich um das Protein des so genannten zellulären Wasserkanals handeln könnte. Er nannte dieses Kanalprotein Aquaporin.

Agre überprüfte seine Hypothese, dass Aquaporin ein Wasserkanalprotein sein könnte, in einem einfachen Experiment (Abb. 1 – unten). Er verglich Zellen, die das fragliche Protein enthielten, mit Zellen, die es nicht hatten. Wenn die Zellen in eine Wasserlösung gelegt wurden, nahmen diejenigen, die das Protein in ihren Membranen hatten, durch Osmose Wasser auf und schwollen an, während diejenigen, denen das Protein fehlte, überhaupt nicht betroffen waren. Agre führte auch Versuche mit künstlichen Zellmembranen, so genannten Liposomen, durch, bei denen es sich um einfache lipidgebundene Wassertröpfchen handelt. Er fand heraus, dass die Liposomen nur dann für Wasser durchlässig wurden, wenn das Aquaporin-Protein in die künstlichen Membranen implantiert wurde.

Abbildung 1. Agre’s Experiment mit Zellen, die Aquaporin enthalten oder denen es fehlt. Aquaporin ist notwendig, damit die „Zelle“ Wasser aufnehmen und anschwellen kann.

Agre wusste auch, dass Quecksilberionen Zellen oft daran hindern, Wasser aufzunehmen und wieder abzugeben, und er zeigte, dass der Wassertransport durch seine künstlichen Membransäcke mit dem Aquaporin-Protein auf die gleiche Weise durch Quecksilber verhindert wurde. Dies war ein weiterer Beweis dafür, dass Aquaporin tatsächlich ein Wasserkanal sein könnte.

Wie könnte ein Wasserkanal funktionieren?

Im Jahr 2000 veröffentlichte Agre zusammen mit anderen Forscherteams die ersten hochauflösenden Bilder der dreidimensionalen Struktur des Aquaporins. Mit diesen Daten war es möglich, die Funktionsweise eines Wasserkanals im Detail zu kartieren. Wie kommt es, dass Aquaporin nur Wassermoleküle und keine anderen Moleküle oder Ionen durchlässt? Die Membran darf zum Beispiel keine Protonen durchlassen. Das ist entscheidend, denn der Unterschied in der Protonenkonzentration zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle ist die Grundlage des zellulären Energiespeichersystems.

Aquaporine bilden Tetramere in der Zellmembran und erleichtern den Transport von Wasser und in einigen Fällen auch von anderen kleinen gelösten Stoffen wie Glycerin durch die Membran. Die Wasserporen sind jedoch für geladene Spezies wie Protonen völlig undurchlässig, eine bemerkenswerte Eigenschaft, die für die Erhaltung des elektrochemischen Potenzials der Membran entscheidend ist. Auf der Grundlage von Hydrophobizitätsdiagrammen ihrer Aminosäuresequenzen wird vorhergesagt, dass die Aquaporine sechs membranüberspannende Segmente haben, wie im unten stehenden Modell von Aquaporin-1 dargestellt. Aquaporine liegen in der Plasmamembran als Homotetramere vor. Jedes Aquaporin-Monomer enthält zwei Hemiporen, die sich zu einem Wasserkanal zusammenfalten (Abb. 3.).

Der wahrscheinliche Wirkmechanismus der Aquaporinkanäle wird mit Hilfe von Supercomputersimulationen untersucht. In der April-Ausgabe 2002 von Science werden die Simulationen von Forschern der University of Illinois (Morten Jensen, Sanghyun Park, Emad Tajkhorshid und Klaus Schulten) und der University of California in San Francisco (D. Fu, A. Libson, L.J.W. Miercke, C. Weitzman, P. Nollert, J. Krucinski und R.M. Stroud) vermuteten, dass die Ausrichtung der Wassermoleküle, die sich durch die Aquaporine bewegen, sicherstellt, dass nur Wasser, nicht aber Ionen wie Protonen, zwischen den Zellen passieren. Die Molekulardynamik (MD)-Computersimulationen der Kanäle umfassten ein System von mehr als 100.000 Atomen und ergaben, dass sich im Inneren des Kanals eine einzige Reihe bildet, was darauf hindeutet, dass die Wassermoleküle den Kanal in einer Reihe durchlaufen. Beim Eintritt in den Kanal sind die Wassermoleküle mit ihrem Sauerstoffatom nach unten gerichtet. In der Mitte des Kanals kehren sie ihre Ausrichtung um und zeigen mit dem Sauerstoffatom nach oben. Während sie den Kanal durchlaufen, strömt das Ballett der Wassermoleküle durch, wobei sie immer mit dem Gesicht nach unten eintreten und mit dem Gesicht nach oben austreten.
Selektivität ist eine zentrale Eigenschaft des Kanals. Die Wassermoleküle schlängeln sich durch den engen Kanal, indem sie sich in dem lokalen elektrischen Feld orientieren, das von den Atomen der Kanalwand gebildet wird. Die streng entgegengesetzten Ausrichtungen der Wassermoleküle verhindern, dass sie Protonen leiten, ermöglichen aber dennoch einen schnellen Fluss von Wassermolekülen. Protonen (oder vielmehr Hydronium-Ionen, H3O+) werden auf ihrem Weg gestoppt und aufgrund ihrer positiven Ladung zurückgewiesen.

Die physiologische und medizinische Bedeutung möglicher Wasserkanäle.

Die Aquaporinproteine sind eine große Proteinfamilie. Bislang wurden mehr als 10 verschiedene Säugetier-Aquaporine identifiziert. Nahe verwandte Wasserkanalproteine wurden aus Pflanzen, Insekten und Bakterien isoliert. Aquaporin-1 aus menschlichen roten Blutkörperchen wurde als erstes entdeckt und ist wahrscheinlich das am besten untersuchte. Allein im menschlichen Körper wurden mindestens elf verschiedene Aquaporin-Proteinvarianten gefunden.

Die Niere entfernt Abfallstoffe, die der Körper loswerden möchte. In der Niere verlassen Wasser, Ionen und andere kleine Moleküle das Blut als „Primärharn“. In 24 Stunden können etwa 170 Liter Primärharn produziert werden. Der größte Teil des Wassers wird wieder resorbiert, so dass schließlich etwa ein Liter Urin pro Tag den Körper verlässt.

Aus dem Glomerulus der Niere wird der Primärharn durch einen gewundenen Schlauch weitergeleitet, in dem etwa 70 % des Wassers durch das Protein Aquaporin AQP1 in das Blut rückresorbiert werden. Am Ende des Glomerulusrohrs werden weitere 10 % des Wassers durch ein ähnliches Aquaporin, AQP2, rückresorbiert. Darüber hinaus werden auch Natrium-, Kalium- und Chloridionen in das Blut rückresorbiert. Das antidiuretische Hormon (Vasopressin) stimuliert den Transport von AQP2 zu den Zellmembranen in den Röhrenwänden und erhöht damit die Wasserresorption aus dem Urin. Menschen mit einem Mangel an diesem Hormon können von der Krankheit Diabetes insipidus mit einer täglichen Urinausscheidung von 10-15 Litern betroffen sein.

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