Canaux d’eau – protéines aquaporines

Aquaporines – Canaux d’eau
L’eau traverse les membranes cellulaires par diffusion à travers la bicouche lipidique, par l’intermédiaire de protéines canaux d’eau appelées aquaporines.

La caractérisation fonctionnelle de la première protéine membranaire aquaporine a été rapportée en 1992, mais la plupart des physiologistes membranaires pensaient qu’il devait y avoir des ouvertures (pores ou canaux) dans les membranes cellulaires pour permettre un flux d’eau, car la perméabilité osmotique de certaines cellules épithéliales était beaucoup trop importante pour être expliquée par une simple diffusion à travers la membrane plasmique. Il est prévu qu’une seule protéine de canal aquaporine-1 humaine facilite le transport de l’eau à un taux d’environ 3 milliards de molécules d’eau par seconde. Un tel transport semble être bidirectionnel, conformément au gradient osmotique dominant.

En 1992, un « canal d’eau » a été identifié et ce à quoi sa machinerie moléculaire pourrait ressembler a été suggéré ; c’est-à-dire que des protéines ont été identifiées qui formaient un canal réel dans les membranes qui facilitaient le mouvement de l’eau.

Au milieu des années 1980, Peter Agre, M.D. (professeur de chimie biologique et de médecine – John Hopkins Med School – Prix Nobel de chimie 2003) a étudié diverses protéines membranaires isolées des globules rouges. Il en a également trouvé une dans les cellules rénales. Ayant déterminé à la fois sa séquence peptidique et la séquence d’ADN correspondante, il a supposé qu’il pouvait s’agir de la protéine du canal hydrique cellulaire. Il a appelé cette protéine de canal – aquaporine.

Agre a testé son hypothèse que l’aquaporine pourrait être une protéine de canal d’eau dans une expérience simple (fig. 1 – ci-dessous). Il a comparé des cellules qui contenaient la protéine en question avec des cellules qui ne la possédaient pas. Lorsque les cellules ont été placées dans une solution aqueuse, celles qui avaient la protéine dans leurs membranes ont absorbé l’eau par osmose et ont gonflé, tandis que celles qui n’avaient pas la protéine n’ont pas été affectées du tout. Agre a également réalisé des essais avec des membranes cellulaires artificielles, appelées liposomes, qui sont de simples gouttelettes d’eau liées à des lipides. Il a constaté que les liposomes devenaient perméables à l’eau uniquement si la protéine aquaporine était implantée dans leurs membranes artificielles.

Fig 1. L’expérience d’Agre avec des cellules contenant ou manquant d’aquaporine. L’aquaporine est nécessaire pour que la « cellule » absorbe l’eau et gonfle.

Agre savait aussi que les ions mercure empêchent souvent les cellules d’absorber et de libérer l’eau, et il a montré que le transport de l’eau à travers ses sacs membranaires artificiels avec la protéine aquaporine était empêché de la même manière par le mercure. C’était une preuve supplémentaire que l’aquaporine pouvait effectivement être un canal d’eau.

Comment pourrait fonctionner un canal d’eau ?

En 2000, avec d’autres équipes de recherche, Agre a rapporté les premières images à haute résolution de la structure tridimensionnelle de l’aquaporine. Grâce à ces données, il a été possible de cartographier en détail le fonctionnement d’un canal d’eau. Comment se fait-il que l’aquaporine n’admette que des molécules d’eau et pas d’autres molécules ou ions ? La membrane n’est, par exemple, pas autorisée à laisser fuir des protons. Ceci est crucial car la différence de concentration en protons entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule est à la base du système de stockage de l’énergie cellulaire.

Les aquaporines forment des tétramères dans la membrane cellulaire, et facilitent le transport de l’eau et, dans certains cas, d’autres petits solutés, comme le glycérol, à travers la membrane. Cependant, les pores de l’eau sont totalement imperméables aux espèces chargées, comme les protons, une propriété remarquable qui est essentielle pour la conservation du potentiel électrochimique de la membrane. D’après les courbes d’hydrophobie de leurs séquences d’acides aminés, les aquaporines devraient comporter six segments membranaires, comme le montre le modèle d’aquaporine-1 ci-dessous. Les aquaporines existent dans la membrane plasmique sous forme d’homotétramères. Chaque monomère d’aquaporine contient deux hémipores, qui se replient ensemble pour former un canal d’eau (fig 3.).

Le mécanisme d’action probable des canaux d’aquaporine est étudié à l’aide de simulations sur superordinateur. Dans le numéro d’avril 2002 de Science, les simulations effectuées par des chercheurs de l’université de l’Illinois (Morten Jensen, Sanghyun Park, Emad Tajkhorshid et Klaus Schulten) et de l’université de Californie à San Francisco (D. Fu, A. Libson, L.J.W. Miercke, C. Weitzman, P. Nollert, J. Krucinski et R.M. Stroud) ont suggéré que l’orientation des molécules d’eau se déplaçant dans les aquaporines garantit que seule l’eau, et non des ions comme les protons, passe entre les cellules. Les simulations informatiques de dynamique moléculaire (MD) des canaux comprennent un système de plus de 100 000 atomes et révèlent la formation d’une file unique à l’intérieur du canal, ce qui indique que les molécules d’eau traversent le canal en file unique. En entrant, les molécules d’eau font face à leur atome d’oxygène vers le bas du canal. À mi-chemin, elles inversent leur orientation, faisant face à leur atome d’oxygène vers le haut. En traversant le canal, le ballet des molécules d’eau s’écoule, entrant toujours face vers le bas et sortant face vers le haut.
La sélectivité est une propriété centrale du canal. Les molécules d’eau se faufilent dans le canal étroit en s’orientant dans le champ électrique local formé par les atomes de la paroi du canal. Les orientations strictement opposées des molécules d’eau les empêchent de conduire les protons, tout en permettant un flux rapide de molécules d’eau. Les protons (ou plutôt les ions hydronium, H3O+) sont arrêtés en chemin et rejetés à cause de leurs charges positives.

La signification physiologique et médicale des canaux d’eau possibles.

Les protéines aquaporines se sont révélées être une grande famille de protéines. Plus de 10 aquaporines différentes de mammifères ont été identifiées à ce jour. Des protéines de canaux d’eau étroitement apparentées ont été isolées chez les plantes, les insectes et les bactéries. L’aquaporine-1 des globules rouges humains a été la première à être découverte et est probablement la mieux étudiée. Dans le seul corps humain, au moins onze variantes différentes de la protéine aquaporine ont été trouvées.

Le rein élimine les déchets que le corps souhaite éliminer. Dans le rein, l’eau, les ions et d’autres petites molécules quittent le sang sous forme d’urine « primaire ». En 24 heures, environ 170 litres d’urine primaire peuvent être produits. La plus grande partie de l’eau de celle-ci est réabsorbée de sorte que finalement environ un litre d’urine par jour quitte le corps.

A partir du glomérule du rein, l’urine primaire passe dans un tube sinueux où environ 70 % de l’eau est réabsorbée dans le sang par la protéine aquaporine AQP1. À l’extrémité du tube du glomérule, 10 % supplémentaires de l’eau sont réabsorbés par une aquaporine similaire, AQP2. En outre, les ions sodium, potassium et chlorure sont également réabsorbés dans le sang. L’hormone antidiurétique (vasopressine) stimule le transport de l’AQP2 vers les membranes cellulaires des parois tubulaires et augmente ainsi la résorption de l’eau dans l’urine. Les personnes présentant une déficience de cette hormone pourraient être touchées par la maladie du diabète insipide avec un débit urinaire quotidien de 10 à 15 litres.

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