 |
|
| Aquaporinok – vízcsatornák | |
| A víz a sejtmembránokon diffúzióval halad át a lipid kettősrétegen, az Aquaporin nevű vízcsatorna fehérjéken keresztül. |
Az első aquaporin membránfehérje funkcionális jellemzéséről 1992-ben számoltak be, de a legtöbb membránfiziológus úgy gondolta, hogy a sejtmembránokban nyílásoknak (pórusoknak vagy csatornáknak) kell lenniük a víz áramlásához, mert egyes hámsejtek ozmotikus permeabilitása túl nagy ahhoz, hogy a plazmamembránon keresztül történő egyszerű diffúzióval lehessen magyarázni. Az előrejelzések szerint egyetlen emberi aquaporin-1 csatornafehérje nagyjából 3 milliárd vízmolekula/másodperc sebességű vízszállítást tesz lehetővé. Úgy tűnik, hogy ez a szállítás kétirányú, az uralkodó ozmotikus gradiensnek megfelelően.
1992-ben azonosítottak egy “vízcsatornát”, és felvetették, hogyan nézhet ki a molekuláris gépezete; vagyis olyan fehérjéket azonosítottak, amelyek tényleges csatornát képeznek a membránokban, amely megkönnyíti a víz mozgását.
A nyolcvanas évek közepén Dr. Peter Agre (a biológiai kémia és az orvostudomány professzora – John Hopkins Med School – 2003-as kémiai Nobel-díjas) különböző, vörösvértestekből izolált membránfehérjéket vizsgált. Ezek közül egyet a vesesejtekben is talált. Miután meghatározta a peptidszekvenciáját és a megfelelő DNS-szekvenciát is, azt találgatta, hogy ez lehet az úgynevezett celluláris vízcsatorna fehérjéje. Ezt a csatornafehérjét – aquaporin-nak nevezte el.
Agre egy egyszerű kísérletben tesztelte hipotézisét, miszerint az aquaporin egy vízcsatorna-fehérje lehet (1. ábra – lent). Összehasonlította azokat a sejteket, amelyekben a kérdéses fehérje megtalálható volt, azokkal a sejtekkel, amelyekben nem volt. Amikor a sejteket vízoldatba helyezték, azok a sejtek, amelyeknek a membránjában volt a fehérje, ozmózis útján felszívták a vizet és megduzzadtak, míg azok, amelyekből hiányzott a fehérje, egyáltalán nem voltak érintettek. Agre mesterséges sejtmembránokkal, úgynevezett liposzómákkal is végzett kísérleteket, amelyek egyszerű lipidekhez kötött vízcseppek. Megállapította, hogy a liposzómák csak akkor váltak vízáteresztővé, ha az aquaporin fehérjét beültették a mesterséges membránjukba.
1. ábra. Agre kísérlete aquaporint tartalmazó vagy hiányzó sejtekkel. Az aquaporin szükséges ahhoz, hogy a “sejt” vizet vegyen fel és megduzzadjon.
Agre azt is tudta, hogy a higanyionok gyakran megakadályozzák a sejteket a víz felvételében és leadásában, és kimutatta, hogy az aquaporin fehérjével ellátott mesterséges membránzsákjain keresztül a víztranszportot ugyanúgy megakadályozza a higany. Ez újabb bizonyíték volt arra, hogy az aquaporin valóban egy vízcsatorna lehet.
Hogyan működhet egy vízcsatorna?
2000-ben Agre más kutatócsoportokkal együtt közölte az első nagyfelbontású képeket az aquaporin háromdimenziós szerkezetéről. Ezekkel az adatokkal sikerült részletesen feltérképezni, hogyan működhet egy vízcsatorna. Hogyan lehetséges, hogy az aquaporin csak vízmolekulákat enged be, más molekulákat vagy ionokat nem? A membrán például nem engedi ki a protonokat. Ez azért kulcsfontosságú, mert a sejt belseje és külseje közötti protonkoncentráció-különbség a sejtek energiatároló rendszerének alapja.
Az akvaporinok tetramereket alkotnak a sejtmembránban, és megkönnyítik a víz, illetve egyes esetekben más kis oldott anyagok, például a glicerin szállítását a membránon keresztül. A vízpórusok azonban teljesen áthatolhatatlanok a töltött fajok, például a protonok számára, ami figyelemre méltó tulajdonság, amely kritikus fontosságú a membrán elektrokémiai potenciáljának megőrzése szempontjából. Az aminosav-szekvenciáik hidrofobicitási ábrái alapján az aquaporinok hat membránon átívelő szegmenssel rendelkeznek, amint azt az aquaporin-1 alábbi modellje mutatja. Az aquaporinok a plazmamembránban homotetramerek formájában léteznek. Minden egyes aquaporin-monomer két félpórust tartalmaz, amelyek összecsukódva vízcsatornát alkotnak (3. ábra).
Az aquaporin csatornák valószínű hatásmechanizmusát szuperszámítógépes szimulációk segítségével vizsgálják. A Science 2002. áprilisi számában az Illinois-i Egyetem (Morten Jensen, Sanghyun Park, Emad Tajkhorshid és Klaus Schulten) és a San Franciscó-i Kaliforniai Egyetem (D. Fu, A. Libson, L.J.W. Miercke, C. Weitzman, P. Nollert, J. Krucinski és R.M. Stroud) azt sugallták, hogy az akvaporinokon keresztül mozgó vízmolekulák orientációja biztosítja, hogy a sejtek között csak víz, nem pedig ionok, például protonok haladjanak át. A csatornák molekuladinamikai (MD) számítógépes szimulációi egy több mint 100 000 atomból álló rendszerből álltak, és azt mutatták, hogy a csatornán belül egyetlen sor képződik, ami azt jelzi, hogy a vízmolekulák egy sorban haladnak át a csatornán. Belépéskor a vízmolekulák oxigénatomjukkal lefelé néznek a csatornában. Az áramlás közepén megfordul a tájékozódásuk, és az oxigénatomjukkal felfelé néznek. A csatornán való áthaladás során a vízmolekulák balettje úgy áramlik át, hogy mindig arccal lefelé lépnek be, és arccal felfelé távoznak.
A szelektivitás a csatorna központi tulajdonsága. A vízmolekulák úgy kanyarognak át a keskeny csatornán, hogy a csatorna falának atomjai által kialakított helyi elektromos térben orientálódnak. A vízmolekulák szigorúan ellentétes irányultsága megakadályozza, hogy protonokat vezessenek, ugyanakkor lehetővé teszi a vízmolekulák gyors áramlását. A protonokat (vagy inkább hidróniumionokat, H3O+) útközben megállítják és pozitív töltésük miatt visszautasítják.
|
|
 |
| Jensen, Park, Tajkhorshid, & Schulten – | Animációk Tajkhorshid & Schulten vagy de Groot és H. Grubmüller |
| 2. ábra. A aquaglyceroporin GlpF |
monomer csatornája 3. ábra. Vízmolekulák áthaladása az AQP1 aquaporinon keresztül. A csatorna közepén lévő pozitív töltés miatt a pozitív töltésű ionok, mint például a H3O+, eltérülnek. Ez megakadályozza a protonszivárgást a csatornán keresztül. |
A lehetséges vízcsatornák élettani és orvosi jelentősége.
Az aquaporin fehérjék egy nagy fehérjecsaládnak bizonyultak. Eddig több mint 10 különböző emlős aquaporint azonosítottak. Szorosan rokon vízcsatorna-fehérjéket izoláltak növényekből, rovarokból és baktériumokból. Az emberi vörösvértestekből származó Aquaporin-1 volt az első, amelyet felfedeztek, és valószínűleg a legjobban tanulmányozott. Csak az emberi szervezetben legalább tizenegy különböző aquaporinfehérje-változatot találtak.
A vese eltávolítja azokat a salakanyagokat, melyektől a szervezet meg akar szabadulni. A vesében a víz, az ionok és más kismolekulák “elsődleges” vizeletként távoznak a vérből. 24 óra alatt körülbelül 170 liter elsődleges vizelet termelődhet. Az ebből származó víz nagy része visszaszívódik, így végül naponta körülbelül egy liter vizelet távozik a szervezetből.
A vese glomerulusából az elsődleges vizelet egy kanyargós csövön keresztül jut tovább, ahol a víz körülbelül 70%-át az AQP1 nevű aquaporin fehérje visszaszívja a vérbe. A glomerulus cső végén a víz további 10%-a egy hasonló aquaporin, az AQP2 segítségével szívódik vissza. Ezen kívül nátrium-, kálium- és kloridionok is visszaszívódnak a vérbe. Az antidiuretikus hormon (vazopresszin) serkenti az AQP2 transzportját a csőfal sejtmembránjaihoz, és így növeli a vizeletből történő vízfelszívódást. Az ebben a hormonban hiányt szenvedő embereket a diabetes insipidus betegség érintheti 10-15 literes napi vizeletürítéssel.
back