Az él?lények legkisebb önálló m?ködési egysége a sejt ,mely önálló anyagcserével rendelkezik ,szaporodni képes.Környezetét?l történ? elhatárolódását, és egyben bels? környezetének állandóságát a sejt membrán biztosítja,amely egy lipid  (potosabban foszfolipid) kett?s réteg.A sejtmembrán lipidjeinek carbosav része poláris ,hidrofób ,azaz víztaszító tulajdonsággal rendelkezik,ennek köszönhet?en víz számára átjárhatatlan.A megfelel? m?ködéshez azonban ionokra ,kisebb molekulákra ,és vízre van szükség ,ezért felmerül a kérdés :hogyan jutnak ezek az anyagok keresztül a membránon.

A sejtmembránban fehérjék figyelhet?k meg ,amelyek teljesen átérik a membránt ,és képesek a küls? térb?l a bels? térbe anyagokat szállítani ,illetve az ellenkez? irányba.Ezeket a fehérjéket transzportfehérjéknek nevezzzük.A transzportfehérjéknek több típusa is ismert ,az utóbbi id?kben közülük is a csatorna fehérjék váltak a legismertebbekké.2003-ban a kémiai Nobel-díjat Peter Agre,és Roderick MacKinnon kapta a vizszállító csatorna fehérjék felfedezéséért ,amelyeket elneveztek AQUAPORINOKNAK.

Az els? aquaporin membránfehérjék  funkcionális jellemzése csak 1992 -ben történt ,bár a legtöbb membrán fiziológus úgy gondolta ,hogy a membránok struktúrájában lenniük kell  nyílásoknak (pórusoknak ,vagy csatornáknak) amelyek lehet?vé teszik a „víz folyását”,mert egyes hámsejtek ozmotikus permeabilitása túl nagy volt ahhoz,hogy egyszer? diffúzióval számoljanak. Ezt a transzportot egy hatalmas számmal  jellemezhetjük: egyetlen emberi aquaporin csatornán keresztül másodpercenként 3 billió vízmolekula halad keresztül.A transzport két irányú és összhangban van az uralkodó ozmotikus koncentrációgradienssel.

1992-ben sikerült  egy  ilyen csatornát azonosítani,és m?ködését leírni. A megismert fehérjék valóban egy egy csatornát formálnak ,és mint molekuláris „gépek” m?ködnek ,segítve ezzel a víz mozgását a membránon keresztül.

Az 1980-as évek közepén Peter Agre (John Hopkins Egyetem ,a biokémia és az orvostudományok professzora)a vörösvérsejtb?l izolált különböz? membránproteineket vizsgált.Ezek közül egyet a vese sejtjeiben szintén megtalált.Feltérképezte a fehérjék aminosavsorrendjét ,és az ezeknek megfelel? DNS lánc nukleotidsorrendjét és úgy gondolta hogy ez lehet  az úgynevezett celluláris víz-csatornafehérje.Elnevezte ezt a csatorna-fehérjét :aquaporinnak.

Agre egy igen egyszer? kisélettel tesztelte hipotézisét,hogy az „aquaporin „lehet a vízcsatorna protein.Összehasonlította a sejteket ,amelyek tartalmazzák a fehérjét azokkal amelyek nem.Amikor olyan sejteket helyezett vizes oldatba ,amelyek tartalmazzák ezt a fehérjét a membránjukban,azok felvették a vizet ozmózissal és meduzzadtak ,míg azok amelyekb?l hiányoznak egyáltalán nem változtak.Agre mesterséges sejtmembránokkal -liposzómákkal-  is folytatott kísérleteket  amelyekben egy egyszer? lipid határol egy vízcseppet.Úgy találta ,csak azok a liposzómák váltak átjárhatóvá a víz számára ,amelyekbe aquaporin proteint implantáltak.Agre természetesen ismerte azt a jelenséget ,hogy a higany ionok megakadályozzák a sejteket abban ,hogy felvegyék ,vagy kibocsássák a vizet, és bemutatta ,hogy az aquaporin fehérjét tartalmazó mesterséges zsákocskákon keresztül a víz áramlását a higany ionok ugyanolyan módon akadályozzák. Ez újabb bizonyíték volt arra ,hogy az aquaporinok talán valóban a sejt vízszállító csatornái.

Hogyan m?ködhet ez a bizonyos csatorna?

2002-ben ,más kutstócsoportokkal együtt végzett kutatások után Agre számolt be el?ször az aquaporin strukturájának els? nagyfelbontású háromdimenziós képér?l.Ezekkel az adatokkal részletesen fel lehetett térképezni a fehérjék m?ködését.A legérdekesebb kérdés az  volt,hogy van az, hogy a csatorna átereszti a vizet ,ugyanakkorteljesen átjárhatatatlan töltéssel rendelkez? részecskék számára ,mint például a protonok. A membránon keresztül nem szivátoghatnak a protonok ,ez rendkívül fontos ,mert a protonkoncentráció különbség az extracelluláris .és az intracelluláris tér között a sejtek energiatároló rendszerének alapja.

Az aquaporin tertamer formájában fordul el? a membránban és megkönnyíti a víz ,és egyes esetekben más kis méret? oldott anyagok ,mint például a glycerin ,széndioxid ,az ammonia ,és a karbamid átjutását a membránon keresztül .Ez a tulajdonsága a pórusainak méretét?l függ.A különböz? aquaporinok peptidsorozata eltér egymástól ,amely lehet?vé teszi  számukra, hogy pórusaik mérete különbözzön,ezáltal más ,és más anyagokat juttassanak át a csatornákon.

Az aquaporin csatornák lehetséges hatásmechanizmusát szuperszámítógépes szimulációk útján vizsgálták.A csatornák molekuláris dinamikai számítógépes szimulációja során kiderült ,hogy a csatornát kb. 100 000 atom alkotja , és a csatorna belsejében mindössze egyetlen meghatározott fájl jelzi azt ,hogy a molekulák áthaladhatnak a csatornán. A belépés után a vízmolekula oxygén atomjával (arcával) lefelé fordulva halad a csatornán lefelé. a csatorna közepén megváltoztatja az orientációját,és az oxygén atomok felfelé fordulnak Amíg áthaladnak a csatornán ,a vízmolekulák „balettje „mindig folytatódik:a belép? vízmolekulák „arca ” mindig lefelé fordul,és a csatornát elhagyóké mindig felfelé.

A vízmolekulák útját egyetlen szignál -file irányítja amely a csatornák falában lev? atomok által formált elektromos tér.A szigorúan meghatározott orientációjukat a vízmolekulák az ?ket vezet? proton segítségével tarják ,amely egyben segíti a vízmolekulák gyors haladását is a póruson keresztül.Ugyanez a signál-file a pozitív töltés? protonokat ,vagy inkább oxónium ionokat elutasítja ,áthaladásukat nem engedélyezi a csatornán keresztül.

A vízcsatorna biológiai és élettani jelent?sége

Az aquaporin fehérjék egy nagyméret? fehérje családot alkotnak.Eddig több mint 10  eml?s aquaporin fehérjét azonosítottak,és felépítésükben nagyon hasonló fehérjéket izoláltak növényekb?l baktériumkból,rovarokból.A víz permeációja a memberánon keresztül passzív folyamat ,amelyet a membrán két oldalán lev? ozmotikus koncentrációkülönbség  irányít. A növényekben azonban felfedeztek egy különleges aquaporin fehérjét amelyben a csatorna zárható amikor a növénynek alkalmazkodnia kell a széls?séges id?járási körülményekhez.Egyes helyzetekben a vízcsere káros lehet a növény számára,például a szárazság ,és az árvízek.

És végül egy ismert betegség ,amely összefüggésbe hozható az aquaporin fehérjék  hibás m?ködésével.A vese eltávolítja a hulladék  anyagokat ,amelyeket a szervezet elidegeníteni kíván. A vesében víz ,ionok ,és más kismolekulájú anyagok hagyják el a vért , amelynek napi mennyisége kb. 170 liter.és amelyet els?dleges vizeletnek nevezünk.A legtöbb víz visszaszívódik ,és végül 1 másfél liter vizelet hagyja el a testet.A vese kanyarulatos csatornáin keresztül mintegy 70% víz szívódik vissza a vérbe az AQP1 (aquaporin1) fehérje segítségével, majd a glomerolusok végén ,még 10 % víz szívódik vissza az AQP2 fehérje segítségével.A vízen kív?l natrium ,kálium ,és klorid ionok is vissza szívódnak a vérbe . A vese fontos szerepet játszik a szervezet homeosztázisának fenntartásában.Az antidiuretikus hormon ( vazopressin ) serkenti a vesetubulusok falában lev? AQP2 m?ködését ,ezáltal a víz visszaszívódását. A vazopressin hiányában a vizelet napi mennyisége 10-15 liter,és kialakul a diabetes insipidus nev? betegség.

Forrás:www.aquaporins.org  ,www.bio.miami.edu