Vesikanavat – akvaporiiniproteiinit

Akvaporiinit – vesikanavat
Vesi läpäisee solukalvot diffuusiolla lipididikaksoiskerroksen läpi akvaporiinit-nimellä kutsuttujen vesikanavaproteiinien läpi.

Ensimmäisen akvaporiinikalvoproteiinin toiminnallinen karakterisointi raportoitiin vuonna 1992, mutta useimmat kalvofysiologit olivat sitä mieltä, että solukalvoissa on oltava aukkoja (huokosia tai kanavia), jotta veden virtaus olisi mahdollista, koska joidenkin epiteelisolujen osmoottinen läpäisevyys oli aivan liian suuri, jotta se voitaisiin selittää pelkällä diffuusiolla plasmakalvon läpi. Yksittäisen ihmisen akvaporin-1-kanavaproteiinin ennustetaan helpottavan veden kuljetusta noin 3 miljardilla vesimolekyylillä sekunnissa. Tällainen kuljetus näyttää olevan kaksisuuntaista vallitsevan osmoottisen gradientin mukaisesti.

Vuonna 1992 tunnistettiin ”vesikanava” ja ehdotettiin, miltä sen molekyylikoneisto voisi näyttää; toisin sanoen tunnistettiin proteiineja, jotka muodostivat kalvoissa todellisen kanavan, joka helpotti veden liikkumista.

1980-luvun puolivälissä tohtori Peter Agre (biologisen kemian ja lääketieteen professori – John Hopkinsin lääketieteellinen tiedekunta – vuoden 2003 kemian Nobel-palkittu) tutki erilaisia punasoluista eristettyjä kalvoproteiineja. Hän löysi yhden näistä myös munuaissoluista. Määritettyään sekä sen peptidisekvenssin että vastaavan DNA-sekvenssin hän arveli, että kyseessä voisi olla niin sanotun solun vesikanavan proteiini. Hän kutsui tätä kanavaproteiinia nimellä – aquaporin.

Agre testasi hypoteesiaan, jonka mukaan aquaporin voisi olla vesikanavaproteiini, yksinkertaisella kokeella (kuva 1 – alla). Hän vertasi soluja, jotka sisälsivät kyseistä proteiinia, soluihin, joissa sitä ei ollut. Kun solut asetettiin vesiliuokseen, solut, joiden kalvoissa oli proteiinia, imivät vettä osmoosin avulla ja turposivat, kun taas solut, joista proteiini puuttui, eivät vaikuttaneet lainkaan. Agre teki kokeita myös keinotekoisilla solukalvoilla, niin sanotuilla liposomeilla, jotka ovat yksinkertaisia lipidiin sidottuja vesipisaroita. Hän havaitsi, että liposomit tulivat läpäiseviksi vedelle vain, jos niiden keinotekoisiin kalvoihin istutettiin akvaporiniproteiinia.

Kuva 1. Agrein koe akvaporinia sisältävillä tai siitä puuttuvilla soluilla. Akvaporinia tarvitaan, jotta ”solu” voi imeä vettä ja turvota.

Agre tiesi myös, että elohopeaionit estävät usein soluja ottamasta ja luovuttamasta vettä, ja hän osoitti, että elohopea esti samalla tavalla veden kulkeutumisen akvaporiniproteiinilla varustettujen keinotekoisten kalvopussiensa läpi. Tämä oli lisätodiste siitä, että akvaporiini saattoi todella olla vesikanava.

Miten vesikanava voisi toimia?

Vuonna 2000 Agre raportoi yhdessä muiden tutkimusryhmien kanssa ensimmäiset korkearesoluutioiset kuvat akvaporinin kolmiulotteisesta rakenteesta. Näiden tietojen avulla voitiin kartoittaa yksityiskohtaisesti, miten vesikanava voisi toimia. Miten on mahdollista, että akvaporiniin pääsee vain vesimolekyylejä eikä muita molekyylejä tai ioneja? Kalvo ei esimerkiksi pääse vuotamaan protoneita. Tämä on ratkaisevaa, koska protonikonsentraatioero solun sisä- ja ulkopinnan välillä on solun energiavarastojärjestelmän perusta.

Akvaporiinit muodostavat solukalvolla tetrameerejä, ja ne helpottavat veden ja joissakin tapauksissa muiden pienten liuottimien, kuten glyserolin, kuljettamista kalvon läpi. Vesihuokoset ovat kuitenkin täysin läpäisemättömiä varautuneille lajeille, kuten protoneille, mikä on merkittävä ominaisuus, joka on kriittinen kalvon sähkökemiallisen potentiaalin säilymisen kannalta. Niiden aminohapposekvenssien hydrofobisuusdiagrammien perusteella akvaporiinien ennustetaan omaavan kuusi membraanin läpäisevää segmenttiä, kuten alla olevassa akvaporiini-1:n mallissa on esitetty. Akvaporiinit esiintyvät plasmakalvolla homotetrameereina. Kukin akvaporiinimonomeeri sisältää kaksi puolihuokosta, jotka taittuvat yhteen muodostaen vesikanavan (kuva 3.).

Akvaporiinikanavien todennäköistä toimintamekanismia tutkitaan supertietokonesimulaatioiden avulla. Science-lehden huhtikuun 2002 numerossa esitellään Illinoisin yliopiston (Morten Jensen, Sanghyun Park, Emad Tajkhorshid ja Klaus Schulten) ja San Franciscon Kalifornian yliopiston (D. Fu, A. Libson, L.J.W. Miercke, C. Weitzman, P. Nollert, J. Krucinski ja R.M. Stroud) tekemät tutkimukset osoittivat, että akvaporiinien läpi liikkuvien vesimolekyylien suuntaus takaa sen, että solujen välillä kulkee vain vettä, ei ioneja, kuten protoneja. Kanavien molekyylidynamiikan (MD) tietokonesimuloinnit koostuivat yli 100 000 atomin järjestelmästä, ja ne osoittivat, että kanavan sisällä muodostuu yksi viiva, mikä viittaa siihen, että vesimolekyylit kulkevat kanavan läpi yhden viivan kautta. Kanavaan päästyään vesimolekyylit suuntautuvat happiatominsa kanssa kanavaa alaspäin. Keskivaiheessa ne kääntävät suunnan happiatomi ylöspäin. Kun vesimolekyylit kulkevat kanavan läpi, vesimolekyylien baletti virtaa sen läpi ja tulee aina sisään kasvot alaspäin ja lähtee ulos kasvot ylöspäin.
Selektiivisyys on kanavan keskeinen ominaisuus. Vesimolekyylit matelevat kapean kanavan läpi suuntautumalla kanavan seinämän atomien muodostamaan paikalliseen sähkökenttään. Vesimolekyylien tiukasti vastakkaiset orientaatiot estävät niitä johtamasta protoneja, mutta mahdollistavat silti vesimolekyylien nopean virtauksen. Protonit (tai pikemminkin hydroniumionit, H3O+) pysähtyvät matkalla ja hylätään niiden positiivisten varausten vuoksi.

Mahdollisten vesikanavien fysiologinen ja lääketieteellinen merkitys.

Akvaporiniproteiinien on todettu olevan suuri proteiiniperhe. Tähän mennessä on tunnistettu yli 10 erilaista nisäkkäiden akvaporiinia. Läheisesti sukua olevia vesikanavaproteiineja on eristetty kasveista, hyönteisistä ja bakteereista. Ihmisen punasoluista peräisin oleva akvaporiini-1 löydettiin ensimmäisenä, ja se on luultavasti parhaiten tutkittu. Pelkästään ihmiskehosta on löydetty ainakin yksitoista erilaista akvaporiniiniproteiinivariaatiota.

Munuaiset poistavat jätteitä, joista elimistö haluaa päästä eroon. Munuaisissa vesi, ionit ja muut pienet molekyylit poistuvat verestä ”ensisijaisena” virtsana. Vuorokauden aikana primaarivirtsaa voi syntyä noin 170 litraa. Suurin osa tästä vedestä imeytyy takaisin, joten lopulta elimistöstä poistuu noin litra virtsaa päivässä.

Munuaisen glomeruluksesta primaarivirtsa kulkeutuu edelleen kierteisen putken läpi, jossa noin 70 % vedestä imeytyy takaisin vereen akvaporin AQP1-proteiinin avulla. Glomerulusputken lopussa vielä 10 % vedestä imeytyy takaisin samanlaisen akvaporinin, AQP2:n, avulla. Tämän lisäksi myös natrium-, kalium- ja kloridi-ionit imeytyvät takaisin vereen. Antidiureettinen hormoni (vasopressiini) stimuloi AQP2:n kuljetusta putken seinämien solukalvoille ja lisää siten veden resorptiota virtsasta. Ihmisillä, joilla on tämän hormonin puutos, saattaa esiintyä diabetes insipidus -tautia, jossa virtsaneritys on 10-15 litraa vuorokaudessa.

takaisin