Vattenkanaler – Aquaporinproteiner

Aquaporiner – Vattenkanaler
Vatten korsar cellmembranen genom diffusion genom lipiddiskiktet, genom vattenkanalproteiner som kallas Aquaporiner.

Funktionell karakterisering av det första membranproteinet aquaporin rapporterades 1992, men de flesta membranfysiologer ansåg att det måste finnas öppningar (porer eller kanaler) i cellmembranen för att möjliggöra ett flöde av vatten, eftersom den osmotiska permeabiliteten hos vissa epitelceller var alldeles för stor för att kunna förklaras av enkel diffusion genom plasmamembranet. Man förutspår att ett enda mänskligt akvaporin-1-kanalprotein underlättar vattentransport med en hastighet av ungefär 3 miljarder vattenmolekyler per sekund. En sådan transport verkar vara dubbelriktad, i enlighet med den rådande osmotiska gradienten.

1992 identifierades en ”vattenkanal” och det föreslogs hur dess molekylära maskineri skulle kunna se ut; det vill säga, proteiner identifierades som bildade en faktisk kanal i membranen som underlättade vattenrörelsen.

I mitten av 1980-talet studerade Peter Agre, M.D. (professor i biologisk kemi och medicin – John Hopkins Med School – Nobelpristagare i kemi 2003) olika membranproteiner som isolerats från röda blodkroppar. Han fann också ett av dessa i njurcellerna. Efter att ha bestämt både dess peptidsekvens och motsvarande DNA-sekvens spekulerade han i att detta skulle kunna vara proteinet i den så kallade cellulära vattenkanalen. Han kallade detta kanalprotein – aquaporin.

Agre testade sin hypotes att aquaporin skulle kunna vara ett vattenkanalprotein i ett enkelt experiment (fig. 1 – nedan). Han jämförde celler som innehöll proteinet i fråga med celler som inte hade det. När cellerna placerades i en vattenlösning absorberade de som hade proteinet i sina membran vatten genom osmos och svällde upp, medan de som saknade proteinet inte påverkades alls. Agre gjorde också försök med konstgjorda cellmembran, så kallade liposomer, som är enkla lipidbundna vattendroppar. Han fann att liposomerna blev genomsläppliga för vatten endast om akvaporinproteinet implanterades i deras konstgjorda membran.

Figur 1. Agre’s experiment med celler som innehåller eller saknar aquaporin. Aquaporin är nödvändigt för att få ”cellen” att ta upp vatten och svälla.

Agre visste också att kvicksilverjoner ofta hindrar celler från att ta upp och avge vatten, och han visade att vattentransporten genom hans konstgjorda membransäckar med aquaporinproteinet hindrades på samma sätt av kvicksilver. Detta var ytterligare bevis för att aquaporin faktiskt kan vara en vattenkanal.

Hur skulle en vattenkanal kunna fungera?

År 2000 rapporterade Agre tillsammans med andra forskargrupper de första högupplösta bilderna av akvaporinets tredimensionella struktur. Med dessa data var det möjligt att i detalj kartlägga hur en vattenkanal skulle kunna fungera. Hur kommer det sig att aquaporin endast släpper in vattenmolekyler och inte andra molekyler eller joner? Membranet får till exempel inte läcka protoner. Detta är avgörande eftersom skillnaden i protonkoncentration mellan cellens insida och utsida ligger till grund för det cellulära energilagringssystemet.

Aquaporiner bildar tetramerer i cellmembranet och underlättar transporten av vatten och, i vissa fall, andra små lösta ämnen, som glycerol, över membranet. Vattenporerna är dock helt ogenomträngliga för laddade arter, t.ex. protoner, en anmärkningsvärd egenskap som är avgörande för bevarandet av membranets elektrokemiska potential. Baserat på hydrofobicitetsplottar av deras aminosyresekvenser förutspås akvaporinerna ha sex segment som sträcker sig över membranen, vilket visas i modellen av akvaporin-1 nedan. Aquaporiner finns i plasmamembranet som homotetramer. Varje akvaporinmonomer innehåller två halvporer som viks ihop för att bilda en vattenkanal (fig. 3.).

Den sannolika verkningsmekanismen för akvaporinkanaler studeras med hjälp av superdatorsimuleringar. I aprilnumret 2002 av Science presenteras simuleringar som utförts av forskare vid University of Illinois (Morten Jensen, Sanghyun Park, Emad Tajkhorshid och Klaus Schulten) och University of California i San Francisco (D. Fu, A. Libson, L.J.W. Miercke, C. Weitzman, P. Nollert, J. Krucinski och R.M. Stroud) tyder på att orienteringen av vattenmolekyler som rör sig genom vattenaporiner säkerställer att endast vatten, inte joner som protoner, passerar mellan celler. Datorsimuleringarna av kanalerna med molekylär dynamik (MD) omfattade ett system med mer än 100 000 atomer och visade att det bildades en enda fil inuti kanalen, vilket tyder på att vattenmolekylerna passerar genom kanalen i en enda fil. När vattenmolekylerna kommer in i kanalen står de med sina syreatomer mot varandra. I mitten av strömmen byter de riktning och vetter med syreatomen uppåt. När vattenmolekylerna passerar genom kanalen strömmar de genom kanalen och kommer alltid in med ansiktet nedåt och lämnar den med ansiktet uppåt.
Selektivitet är en central egenskap hos kanalen. Vattenmolekylerna slingrar sig genom den smala kanalen genom att orientera sig i det lokala elektriska fältet som bildas av atomerna i kanalväggen. Vattenmolekylernas strikt motsatta orienteringar hindrar dem från att leda protoner, samtidigt som de tillåter ett snabbt flöde av vattenmolekyler. Protoner (eller snarare hydroniumjoner, H3O+) stoppas på vägen och avvisas på grund av sina positiva laddningar.

Den fysiologiska och medicinska betydelsen av möjliga vattenkanaler.

Akvaporinproteinerna har visat sig vara en stor proteinfamilj. Mer än 10 olika akvaporiner från däggdjur har hittills identifierats. Närbesläktade vattenkanalproteiner har isolerats från växter, insekter och bakterier. Aquaporin-1 från mänskliga röda blodkroppar var den första som upptäcktes och är förmodligen den bäst studerade. Enbart i människokroppen har minst elva olika varianter av akvaporinproteiner hittats.

Njurarna avlägsnar avfallssubstanser som kroppen vill göra sig av med. I njurarna lämnar vatten, joner och andra små molekyler blodet som ”primär” urin. Under ett dygn kan cirka 170 liter primärurin produceras. Det mesta av vattnet från detta återabsorberas så att det slutligen är ungefär en liter urin per dag som lämnar kroppen.

Från njurens glomerulus leds primärurinen vidare genom ett slingrande rör där ungefär 70 % av vattnet återabsorberas till blodet av akvaporinproteinet AQP1. I slutet av glomerulusröret återabsorberas ytterligare 10 % av vattnet med en liknande aquaporin, AQP2. Utöver detta återabsorberas även natrium-, kalium- och kloridjoner till blodet. Antidiuretiskt hormon (vasopressin) stimulerar transporten av AQP2 till cellmembranen i rörväggarna och ökar därmed vattenresorptionen från urinen. Personer med brist på detta hormon kan drabbas av sjukdomen diabetes insipidus med en daglig urinproduktion på 10-15 liter.

tillbaka