Waterkanalen – Aquaporine-eiwitten

Aquaporines – Waterkanalen
Water doorkruist celmembranen door diffusie door de lipide bilaag, door waterkanaal-eiwitten die Aquaporines worden genoemd.

De functionele karakterisering van het eerste aquaporine membraaneiwit werd in 1992 gerapporteerd, maar de meeste membraanfysiologen meenden dat er openingen (poriën of kanalen) in celmembranen moesten zijn om een waterstroom mogelijk te maken, omdat de osmotische permeabiliteit van sommige epitheelcellen veel te groot was om verklaard te kunnen worden door eenvoudige diffusie door het plasmamembraan. Voorspeld wordt dat een enkel menselijk aquaporine-1 kanaal-eiwit watertransport mogelijk maakt met een snelheid van ruwweg 3 miljard watermoleculen per seconde. Dergelijk transport lijkt bidirectioneel te zijn, in overeenstemming met de heersende osmotische gradiënt.

In 1992 werd een “waterkanaal” geïdentificeerd en werd gesuggereerd hoe de moleculaire machinerie ervan eruit zou kunnen zien; dat wil zeggen, er werden eiwitten geïdentificeerd die een werkelijk kanaal in membranen vormden dat de waterbeweging vergemakkelijkte.

Midden jaren tachtig bestudeerde Peter Agre, M.D. (hoogleraar Biologische Scheikunde en Geneeskunde – John Hopkins Med School – Nobelprijswinnaar voor de Scheikunde 2003) verschillende membraaneiwitten geïsoleerd uit de rode bloedcellen. Hij vond een van deze eiwitten ook in de niercellen. Nadat hij zowel de peptidesequentie als de overeenkomstige DNA-sequentie had bepaald, speculeerde hij dat dit het eiwit van het zogenaamde cellulaire waterkanaal zou kunnen zijn. Hij noemde dit kanaal-eiwit – aquaporine.

Agre testte zijn hypothese dat aquaporine een waterkanaal-eiwit zou kunnen zijn in een eenvoudig experiment (fig. 1 – hieronder). Hij vergeleek cellen die het eiwit in kwestie bevatten met cellen die het niet bevatten. Wanneer de cellen in een wateroplossing werden geplaatst, absorbeerden de cellen met het eiwit in hun membranen water door osmose en zwollen op, terwijl de cellen zonder het eiwit helemaal niet werden beïnvloed. Agre deed ook proeven met kunstmatige celmembranen, de zogenaamde liposomen, die eenvoudige lipidegebonden waterdruppeltjes zijn. Hij ontdekte dat de liposomen alleen waterdoorlatend werden als het aquaporine-eiwit in hun kunstmatige membranen werd geïmplanteerd.

Fig 1. Agre’s experiment met cellen met of zonder aquaporine. Aquaporine is nodig om de ‘cel’ water te laten opnemen en op te laten zwellen.

Agre wist ook dat kwikionen cellen vaak verhinderen water op te nemen en af te geven, en hij toonde aan dat watertransport door zijn kunstmatige membraanzakjes met het aquaporine-eiwit op dezelfde manier door kwik werd verhinderd. Dit was verder bewijs dat aquaporine eigenlijk een waterkanaal zou kunnen zijn.

Hoe zou een waterkanaal kunnen werken?

In 2000 rapporteerde Agre, samen met andere onderzoeksteams, de eerste hoge-resolutie beelden van de driedimensionale structuur van het aquaporine. Met deze gegevens kon in detail in kaart worden gebracht hoe een waterkanaal zou kunnen functioneren. Hoe komt het dat aquaporine alleen watermoleculen doorlaat en geen andere moleculen of ionen? Het membraan mag bijvoorbeeld geen protonen lekken. Dit is cruciaal omdat het verschil in protonconcentratie tussen de binnen- en de buitenkant van de cel de basis vormt van het cellulaire energie-opslagsysteem.

Aquaporines vormen tetrameren in het celmembraan, en vergemakkelijken het transport van water en, in sommige gevallen, andere kleine opgeloste stoffen, zoals glycerol, over het membraan. De waterporiën zijn echter volledig ondoordringbaar voor geladen stoffen, zoals protonen, een opmerkelijke eigenschap die van cruciaal belang is voor het behoud van het elektrochemisch potentieel van het membraan. Op basis van hydrofobiciteitsplots van hun aminozuursequenties wordt voorspeld dat de aquaporines zes membraan-spannende segmenten hebben, zoals afgebeeld in het model van aquaporine-1 hieronder. Aquaporines bestaan in het plasmamembraan als homotetrameren. Elk aquaporine monomeer bevat twee hemi-poorten, die zich samenvouwen om een waterkanaal te vormen (fig. 3.).

Het waarschijnlijke werkingsmechanisme van aquaporine-kanalen wordt bestudeerd met behulp van supercomputersimulaties. In het aprilnummer 2002 van Science worden de simulaties uitgevoerd door onderzoekers van de Universiteit van Illinois (Morten Jensen, Sanghyun Park, Emad Tajkhorshid, en Klaus Schulten) en de Universiteit van Californië in San Francisco (D. Fu, A. Libson, L.J.W. Miercke, C. Weitzman, P. Nollert, J. Krucinski, en R.M. Stroud) suggereerden dat de oriëntatie van watermoleculen die dooraquaporines bewegen ervoor zorgt dat alleen water, en niet ionen zoals protonen, tussen de cellen passeren. De moleculaire dynamica (MD) computersimulaties van de kanalen bestonden uit een systeem van meer dan 100.000 atomen en onthulden de vorming van een enkele file binnen het kanaal, wat erop wijst dat de watermoleculen een enkele file door het kanaal passeren. Bij binnenkomst zijn de watermoleculen met hun zuurstofatoom naar het kanaal gericht. Halverwege draaien ze hun richting om en kijken met het zuurstofatoom naar boven. Terwijl zij door het kanaal gaan, stroomt het ballet van watermoleculen door, altijd met het gezicht naar beneden naar binnen en met het gezicht naar boven naar buiten.
Selectiviteit is een centrale eigenschap van het kanaal. Watermoleculen banen zich een weg door het smalle kanaal door zich te oriënteren in het lokale elektrische veld gevormd door de atomen van de kanaalwand. De strikt tegengestelde oriëntaties van de watermoleculen verhinderen dat zij protonen geleiden, terwijl zij toch een snelle stroom van watermoleculen toelaten. Protonen (of liever hydroniumionen, H3O+) worden op hun weg tegengehouden en vanwege hun positieve ladingen afgewezen.

De fysiologische en medische betekenis van mogelijke waterkanalen.

De aquaporine-eiwitten blijken een grote eiwitfamilie te vormen. Meer dan 10 verschillende zoogdieren aquaporins zijn geïdentificeerd tot op heden. Nauw verwante waterkanaal-eiwitten zijn geïsoleerd uit planten, insecten en bacteriën. Aquaporin-1 uit menselijke rode bloedcellen werd als eerste ontdekt en is waarschijnlijk het best bestudeerd. Alleen al in het menselijk lichaam zijn ten minste elf verschillende aquaporine-eiwitvarianten gevonden.

De nier verwijdert afvalstoffen die het lichaam wil afvoeren. In de nier verlaten water, ionen en andere kleine moleculen het bloed als ‘primaire’ urine. In 24 uur tijd kan ongeveer 170 liter primaire urine worden geproduceerd. Het meeste water hiervan wordt weer geabsorbeerd, zodat uiteindelijk ongeveer één liter urine per dag het lichaam verlaat.

Vanuit de glomerulus van de nier wordt de primaire urine verder geleid door een kronkelende buis waar ongeveer 70% van het water weer wordt geabsorbeerd naar het bloed door het aquaporine AQP1-eiwit. Aan het einde van de glomerulusbuis wordt nog eens 10% van het water geherabsorbeerd door een soortgelijk aquaporine, AQP2. Daarnaast worden ook natrium-, kalium- en chloride-ionen gereabsorbeerd in het bloed. Antidiuretisch hormoon (vasopressine) stimuleert het transport van AQP2 naar de celmembranen in de buiswanden en verhoogt zo de waterresorptie uit de urine. Mensen met een tekort aan dit hormoon kunnen worden getroffen door de ziekte diabetes insipidus met een dagelijkse urineproductie van 10-15 liter.

terug