水のチャンネル – アクアポリン蛋白質

アクアポリン – 水のチャンネル
細胞膜上を水が渡るには アクアポリンという水のチャンネル蛋白質を介して脂質二重層中を拡散させることで行います。

1992年に最初のアクアポリン膜タンパク質の機能特性が報告されましたが、ほとんどの膜生理学者は、いくつかの上皮細胞の浸透圧が、細胞膜を通る単純な拡散では説明できないほど大きかったため、水の流れを可能にするためには細胞膜に開口（孔またはチャネル）があるはずだと考えていました。 ヒトのアクアポリン-1チャネルタンパク質は、1秒間に約30億個の水分子を輸送することが予測される。

1992年に「水チャネル」が同定され、その分子機構がどのようなものか示唆されました。

1980年代半ばに、ピーター・アグレ医学博士（生物化学および医学の教授、ジョン・ホプキンス医科大学、2003年ノーベル化学賞受賞）は、赤血球から分離したさまざまな膜タンパク質を研究しました。 彼はまた、そのうちの1つを腎臓の細胞から発見した。 そのペプチド配列と対応するDNA配列の両方を決定した彼は、これがいわゆる細胞内水路のタンパク質ではないかと推測した。 彼はこの水路タンパク質をアクアポリンと名づけました。 彼は、問題のタンパク質を持つ細胞と持たない細胞を比較しました。 水溶液の中に細胞を入れると、膜にタンパク質がある細胞は浸透圧によって水を吸収して膨らみ、タンパク質がない細胞は全く影響を受けなかったのである。 さらにアグレは、リポソームと呼ばれる、脂質が結合した単純な水滴のような人工細胞膜を使った実験も行った。 その結果、アクアポリンというタンパク質を人工膜に埋め込んだ場合のみ、リポソームが水を透過するようになることがわかった。

Fig.1. アクアポリンを含む細胞、またはアクアポリンを欠く細胞を用いたAgreの実験。 アクアポリンは「細胞」が水を吸収して膨らむのに必要である。

Agre はまた、水銀イオンがしばしば細胞の水の取り込みと放出を妨げることを知っており、アクアポリン蛋白質を含む彼の人工膜嚢を通る水の輸送が水銀によって同じように妨げられることを示しました。 これは、アクアポリンが実際に水チャネルである可能性を示すさらなる証拠となりました。

水路はどのように機能するのでしょうか？

2000年、アグレは他の研究チームと共同で、アクアポリンの立体構造の高解像度画像を初めて報告しました。 このデータにより、水路がどのように機能しているのか、詳細にマッピングすることが可能になったのです。 アクアポリンはどうして水分子だけを通し、他の分子やイオンを通さないのでしょうか？ 例えば、膜はプロトンを漏らさないようになっています。

アクアポリンは細胞膜の中で4量体を形成し、水や、場合によってはグリセロールのような小さな溶質の膜を越えた輸送を促進します。 しかし、水孔はプロトンなどの荷電種を全く通さないという驚くべき性質を持っており、膜の電気化学的電位の保存に重要である。 アクアポリンのアミノ酸配列の疎水性プロットから、アクアポリン-1は6つの膜貫通セグメントを持つことが予想される（下図参照）。 アクアポリンはホモ4量体として細胞膜に存在する。 各アクアポリン単量体には2つの半孔があり、これが折り重なって水路を形成している（図3）。

アクアポリンチャネルの作用機構は、スーパーコンピュータによるシミュレーションで研究されている。 イリノイ大学（Morten Jensen, Sanghyun Park, Emad Tajkhorshid, Klaus Schulten）およびカリフォルニア大学サンフランシスコ校（D.S.A.）の研究者によるシミュレーションは、2002年4月号の「サイエンス」で発表されました。 Fu, A. Libson, L.J.W. Miercke, C. Weitzman, P. Nollert, J. Krucinski, R.M. Stroud）は、アクアポリンを通る水分子の向きが、細胞間をプロトンなどのイオンではなく水のみが通過することを保証していることを明らかにした。 分子動力学（MD）計算機シミュレーションにより、10万個以上の原子からなるチャネルが形成され、チャネル内に一列に並んだ水分子が通過することが明らかになった。 水分子は、チャネルに入ると、酸素原子を下にしてチャネルを通過する。 途中から向きを変え、酸素原子を上にして通過する。 このように、水分子は水路を通過する間、常に下向きに入り、上向きに出て行くというバレエを繰り広げる。
選択性は水路の中心的な特性である。 水分子は、水路の壁の原子が形成する局所的な電場の中で自分自身を方向付けることによって、狭い水路を通り抜けることができる。 水分子の向きが厳密に逆であるため、水分子はプロトンを伝導しないが、水分子の速い流出は可能である。 プロトン（というよりヒドロニウムイオン、H3O+）は、その正電荷のために途中で止められ、拒絶されるのである。

The physiological and medical significance of possible water channels.

Aquaporin proteins have been a large protein familyであることが判明している。 現在までに10種類以上の哺乳類アクアポリンが同定されている。 近縁の水チャネルタンパク質は植物、昆虫、バクテリアから単離されている。 ヒト赤血球由来のアクアポリン-1が最初に発見され、おそらく最もよく研究されている。 人体だけでも、少なくとも11種類のアクアポリンタンパク質の変異体が見つかっている

腎臓は、体が処分したい老廃物を除去している。 腎臓では水、イオン、その他の小分子が「原始」尿として血液から排出される。 24時間で、約170リットルの原始尿が作られる。

腎臓の糸球体から出た原尿は、曲がりくねった管を通り、アクアポリンAQP1というタンパク質によって約70%の水分が血液に再吸収されます。 糸球体管の先では、さらに10%の水分が同様のアクアポリンであるAQP2によって再吸収される。 これとは別に、ナトリウムイオン、カリウムイオン、塩化物イオンも血液中に再吸収される。 抗利尿ホルモン（バソプレシン）は、管壁の細胞膜へのAQP2の輸送を刺激し、その結果、尿からの水分再吸収を増加させる。 このホルモンが不足すると、1日の尿量が10～15リットルという糖尿病性尿崩症という病気になることがあります。