Canalele de apă – Proteinele Aquaporine

Aquaporine – Canalele de apă
Apa traversează membranele celulare prin difuziune prin bistratul lipidic, prin intermediul proteinelor canal de apă numite Aquaporine.

Caracterizarea funcțională a primei proteine membranare aquaporină a fost raportată în 1992, dar majoritatea fiziologilor membranari au considerat că trebuie să existe deschideri (pori sau canale) în membranele celulare pentru a permite un flux de apă, deoarece permeabilitatea osmotică a unor celule epiteliale era mult prea mare pentru a fi explicată prin simpla difuzie prin membrana plasmatică. Se preconizează că o singură proteină canal aquaporină-1 umană facilitează transportul apei cu o rată de aproximativ 3 miliarde de molecule de apă pe secundă. Un astfel de transport pare să fie bidirecțional, în conformitate cu gradientul osmotic predominant.

În 1992 a fost identificat un „canal de apă” și s-a sugerat cum ar putea arăta mecanismul său molecular; adică au fost identificate proteinele care formau un canal real în membrane care facilitau mișcarea apei.

La mijlocul anilor 1980, Peter Agre, M.D. (profesor de chimie biologică și medicină – John Hopkins Med School – laureat al Premiului Nobel pentru Chimie în 2003) a studiat diverse proteine de membrană izolate din celulele roșii din sânge. El a găsit una dintre acestea și în celulele renale. După ce a determinat atât secvența sa peptidică, cât și secvența ADN corespunzătoare, el a speculat că aceasta ar putea fi proteina așa-numitului canal de apă celulară. El a denumit această proteină canal – aquaporină.

Agre și-a testat ipoteza că aquaporina ar putea fi o proteină canal de apă într-un experiment simplu (fig. 1 – mai jos). El a comparat celule care conțineau proteina în cauză cu celule care nu o aveau. Când celulele au fost plasate într-o soluție de apă, cele care aveau proteina în membranele lor au absorbit apa prin osmoză și s-au umflat, în timp ce cele care nu aveau proteina nu au fost deloc afectate. Agre a efectuat, de asemenea, teste cu membrane celulare artificiale, denumite lipozomi, care sunt simple picături de apă legate de lipide. El a constatat că lipozomii deveneau permeabili la apă numai dacă proteina aquaporină era implantată în membranele lor artificiale.

Figura 1. Experimentul lui Agre cu celule care conțin sau nu aquaporină. Aquaporina este necesară pentru a face ca „celula” să absoarbă apă și să se umfle.

Agre știa, de asemenea, că ionii de mercur împiedică adesea celulele să absoarbă și să elibereze apă și a arătat că transportul apei prin sacii săi membranari artificiali cu proteina aquaporină era împiedicat în același mod de mercur. Aceasta a fost o dovadă în plus că aquaporina ar putea fi de fapt un canal de apă.

Cum ar putea funcționa un canal de apă?

În 2000, împreună cu alte echipe de cercetare, Agre a raportat primele imagini de înaltă rezoluție ale structurii tridimensionale a aquaporinei. Cu aceste date, a fost posibilă cartografierea în detaliu a modului în care ar putea funcționa un canal de apă. Cum se face că aquaporina admite doar molecule de apă și nu și alte molecule sau ioni? Membrana nu are voie, de exemplu, să scurgă protoni. Acest lucru este crucial, deoarece diferența de concentrație de protoni dintre interiorul și exteriorul celulei stă la baza sistemului celular de stocare a energiei.

Aquaporinele formează tetrameri în membrana celulară și facilitează transportul apei și, în unele cazuri, al altor soluturi mici, precum glicerolul, prin membrană. Cu toate acestea, porii de apă sunt complet impermeabili la speciile încărcate, cum ar fi protonii, o proprietate remarcabilă care este esențială pentru conservarea potențialului electrochimic al membranei. Pe baza graficelor de hidrofobicitate ale secvențelor lor de aminoacizi , se preconizează că acvaporinele au șase segmente care se întind pe membrană, așa cum este descris în modelul de acvaporină-1 de mai jos. Aquaporinele există în membrana plasmatică sub formă de homotetramere. Fiecare monomer de aquaporină conține doi hemipori, care se pliază împreună pentru a forma un canal de apă (fig. 3.).

Mecanismul probabil de acțiune al canalelor de aquaporină este studiat cu ajutorul simulărilor pe supercomputer. În numărul din aprilie 2002 al revistei Science, simulările efectuate de cercetătorii de la Universitatea din Illinois (Morten Jensen, Sanghyun Park, Emad Tajkhorshid și Klaus Schulten) și de la Universitatea din California la San Francisco (D. Fu, A. Libson, L.J.W. Miercke, C. Weitzman, P. Nollert, J. Krucinski și R.M. Stroud) au sugerat că orientarea moleculelor de apă care se deplasează prin hidroporine asigură faptul că doar apa, nu și ionii, cum ar fi protonii, trec între celule. Simulările computerizate de dinamică moleculară (MD) ale canalelor au cuprins un sistem de peste 100.000 de atomi și au evidențiat formarea unui singur fișier în interiorul canalului, ceea ce indică faptul că moleculele de apă trec prin canal într-un singur fișier. La intrare, moleculele de apă sunt orientate cu atomul lor de oxigen în josul canalului. La jumătatea fluxului, acestea își inversează orientarea, fiind orientate cu atomul de oxigen în sus. În timpul trecerii prin canal, baletul de molecule de apă se scurge, intrând întotdeauna cu fața în jos și ieșind cu fața în sus.
Selectivitatea este o proprietate centrală a canalului. Moleculele de apă își croiesc drum prin canalul îngust orientându-se în câmpul electric local format de atomii din peretele canalului. Orientările strict opuse ale moleculelor de apă le împiedică să conducă protoni, permițând în același timp un flux rapid de molecule de apă. Protonii (sau mai degrabă ionii de hidroniu, H3O+) sunt opriți pe drum și respinși din cauza sarcinilor lor pozitive.

Semnificația fiziologică și medicală a posibilelor canale de apă.

Proteinele aquaporine s-au dovedit a fi o familie mare de proteine. Până în prezent au fost identificate mai mult de 10 aquaporine diferite la mamifere. Proteine ale canalelor de apă strâns înrudite au fost izolate din plante, insecte și bacterii. Aquaporina-1 din globulele roșii umane a fost prima care a fost descoperită și este probabil cea mai bine studiată. Numai în corpul uman au fost descoperite cel puțin unsprezece variante diferite ale proteinei aquaporin.

Reinul îndepărtează substanțele reziduale pe care organismul dorește să le elimine. În rinichi, apa, ionii și alte molecule mici părăsesc sângele sub formă de urină „primară”. Pe parcursul a 24 de ore, se pot produce aproximativ 170 de litri de urină primară. Cea mai mare parte a apei din aceasta este reabsorbită, astfel încât, în final, aproximativ un litru de urină pe zi părăsește organismul.

Din glomerululul rinichiului, urina primară trece mai departe printr-un tub de înfășurare unde aproximativ 70% din apă este reabsorbită în sânge de către proteina aquaporină AQP1. La capătul tubului glomerular, încă 10% din apă este reabsorbită cu o aquaporină similară, AQP2. În afară de aceasta, ionii de sodiu, potasiu și clorură sunt, de asemenea, reabsorbiți în sânge. Hormonul antidiuretic (vasopresina) stimulează transportul de AQP2 către membranele celulare din pereții tubului și, prin urmare, crește resorbția apei din urină. Persoanele cu un deficit al acestui hormon ar putea fi afectate de boala diabet insipidus, cu un debit zilnic de urină de 10-15 litri.

înapoi

.