Kanały wodne – białka akwaporyn

Akwaporyny – kanały wodne
Woda przekracza błony komórkowe na drodze dyfuzji przez dwuwarstwę lipidową, poprzez białka kanałów wodnych zwanych akwaporynami.

Funkcjonalna charakterystyka pierwszego białka błonowego akwaporyny została zgłoszona w 1992 r., ale większość fizjologów membranowych uważała, że muszą istnieć otwory (pory lub kanały) w błonach komórkowych, aby umożliwić przepływ wody, ponieważ przepuszczalność osmotyczna niektórych komórek nabłonkowych była o wiele za duża, aby mogła być uwzględniona przez prostą dyfuzję przez błonę plazmatyczną. Przewiduje się, że pojedyncze ludzkie białko kanałowe akwaporyna-1 ułatwia transport wody z prędkością około 3 miliardów cząsteczek wody na sekundę. Taki transport wydaje się być dwukierunkowy, zgodnie z panującym gradientem osmotycznym.

W 1992 roku zidentyfikowano „kanał wodny” i zasugerowano, jak może wyglądać jego molekularna maszyneria; to znaczy, zidentyfikowano białka, które tworzą rzeczywisty kanał w błonach, który ułatwia ruch wody.

W połowie lat osiemdziesiątych Peter Agre, M.D. (profesor chemii biologicznej i medycyny – John Hopkins Med School – 2003 Nobel Laureat w chemii) studiował różne białka błonowe wyizolowane z czerwonych krwinek. Jedno z nich znalazł również w komórkach nerek. Po ustaleniu zarówno jego sekwencji peptydowej, jak i odpowiadającej jej sekwencji DNA, spekulował, że może to być białko tzw. kanału wodnego komórki. Nazwał to białko kanałowe – akwaporyną.

Agre przetestował swoją hipotezę, że akwaporyna może być białkiem kanału wodnego w prostym eksperymencie (rys. 1 – poniżej). Porównał on komórki, które zawierały omawiane białko z komórkami, które go nie posiadały. Kiedy komórki umieszczono w roztworze wodnym, te, które miały białko w swoich błonach, wchłaniały wodę przez osmozę i pęczniały, podczas gdy te, którym brakowało białka, nie miały na to żadnego wpływu. Agre również prowadził próby ze sztucznymi błonami komórkowymi, określanymi jako liposomy, które są prostymi kropelkami wody związanymi lipidami. Stwierdził, że liposomy stały się przepuszczalne dla wody tylko wtedy, gdy białko akwaporyny zostało wszczepione w ich sztuczne błony.

Fig 1. Eksperyment Agre’a z komórkami zawierającymi lub pozbawionymi akwaporyny. Akwaporyna jest niezbędna do tego, aby „komórka” wchłaniała wodę i pęczniała.

Agre wiedział również, że jony rtęci często uniemożliwiają komórkom pobieranie i oddawanie wody, i wykazał, że transport wody przez jego sztuczne woreczki membranowe z białkiem akwaporyny był uniemożliwiony w ten sam sposób przez rtęć. Był to kolejny dowód na to, że akwaporyna może być faktycznie kanałem wodnym.

Jak może działać kanał wodny?

W 2000 roku, wraz z innymi zespołami badawczymi, Agre zgłosił pierwsze obrazy o wysokiej rozdzielczości trójwymiarowej struktury akwaporyny. Dzięki tym danym można było szczegółowo odwzorować, jak może funkcjonować kanał wodny. Jak to się dzieje, że akwaporyna przepuszcza tylko cząsteczki wody, a nie inne cząsteczki lub jony? Błona nie może na przykład przepuszczać protonów. Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ różnica w stężeniu protonów między wnętrzem a zewnętrzem komórki jest podstawą komórkowego systemu magazynowania energii.

Akwaporyny tworzą tetramery w błonie komórkowej i ułatwiają transport wody oraz, w niektórych przypadkach, innych małych rozpuszczalników, takich jak glicerol, przez błonę. Jednakże, pory wodne s± całkowicie nieprzepuszczalne dla naładowanych gatunków, takich jak protony, co jest wła¶ciwo¶ci± krytyczn± dla zachowania potencjału elektrochemicznego błony. W oparciu o wykresy hydrofobowości ich sekwencji aminokwasowych, przewiduje się, że akwaporyny mają sześć segmentów rozprzestrzeniających się w błonie, jak pokazano na poniższym modelu akwaporyny-1. Akwaporyny istnieją w błonie plazmatycznej jako homotetramery. Każdy monomer akwaporyny zawiera dwa hemiopory, które składają się razem, tworząc kanał wodny (rys. 3.).

Prawdopodobny mechanizm działania kanałów akwaporyn jest badany przy użyciu symulacji superkomputerowych. W numerze Science z kwietnia 2002 r. symulacje prowadzone przez badaczy z University of Illinois (Morten Jensen, Sanghyun Park, Emad Tajkhorshid i Klaus Schulten) oraz University of California at San Francisco (D. Fu, A. Libson, L.J.W. Miercke, C. Weitzman, P. Nollert, J. Krucinski i R.M. Stroud) zasugerowali, że orientacja cząsteczek wody przemieszczających się przez akwaporyny zapewnia, że między komórkami przechodzi tylko woda, a nie jony takie jak protony. Symulacje komputerowe dynamiki molekularnej (MD) kanałów obejmowały układ ponad 100 000 atomów i ujawniły tworzenie się pojedynczego pliku wewn±trz kanału, wskazuj±c, że cz±steczki wody przechodz± przez kanał pojedynczo. Po wej¶ciu do kanału, cz±steczki wody skierowane s± atomem tlenu w dół kanału. W połowie drogi cząsteczki wody zmieniają orientację i są zwrócone atomem tlenu do góry. Podczas przechodzenia przez kanał, balet cząsteczek wody strumienie przez, zawsze wchodząc twarzą w dół i pozostawiając twarzą do góry.
Selektywność jest centralną właściwością kanału. Cząsteczki wody torują sobie drogę przez wąski kanał, orientując się w lokalnym polu elektrycznym tworzonym przez atomy ściany kanału. Ściśle przeciwne orientacje cząsteczek wody powstrzymują je od przewodzenia protonów, jednocześnie pozwalając na szybki przepływ cząsteczek wody. Protony (a raczej jony hydroniowe, H3O+) są zatrzymywane po drodze i odrzucane z powodu ich dodatnich ładunków.

Fizjologiczne i medyczne znaczenie możliwych kanałów wodnych.

Białka akwaporyn okazały się być dużą rodziną białek. Do tej pory zidentyfikowano ponad 10 różnych akwaporyn ssaków. Blisko spokrewnione białka kanałów wodnych zostały wyizolowane z roślin, owadów i bakterii. Akwaporyna-1 z ludzkich czerwonych krwinek została odkryta jako pierwsza i jest prawdopodobnie najlepiej zbadana. W samym organizmie ludzkim znaleziono co najmniej jedenaście różnych wariantów białek akwaporyn.

Nerki usuwają substancje odpadowe, których organizm chce się pozbyć. W nerce woda, jony i inne małe cząsteczki opuszczają krew jako mocz „pierwotny”. W ciągu 24 godzin może powstać około 170 litrów moczu pierwotnego. Większość wody z tego jest ponownie wchłaniana, tak że ostatecznie około jednego litra moczu dziennie opuszcza organizm.

Z kłębuszka nerkowego mocz pierwotny jest przekazywany dalej przez krętą rurkę, gdzie około 70% wody jest ponownie wchłaniane do krwi przez białko akwaporynę AQP1. Na końcu cewki kłębuszka kolejne 10% wody jest reabsorbowane przez podobną akwaporynę, AQP2. Oprócz tego do krwi wchłaniane są również jony sodu, potasu i chlorkowe. Hormon antydiuretyczny (wazopresyna) stymuluje transport AQP2 do błon komórkowych w ścianach cewki i tym samym zwiększa resorpcję wody z moczu. Osoby z niedoborem tego hormonu mogą być dotknięte chorobą cukrzycy typu insipidus z dobowym wydalaniem moczu wynoszącym 10-15 litrów.

back

.