Aquaporin-hogy működik

Az élőlények legkisebb önálló működési egysége a sejt ,mely önálló anyagcserével rendelkezik ,szaporodni képes.Környezetétől történő elhatárolódását, és egyben belső környezetének állandóságát a sejt membrán biztosítja,amely egy lipid  (potosabban foszfolipid) kettős réteg.A sejtmembrán lipidjeinek carbosav része poláris ,hidrofób ,azaz víztaszító tulajdonsággal rendelkezik,ennek köszönhetően víz számára átjárhatatlan.A megfelelő működéshez azonban ionokra ,kisebb molekulákra ,és vízre van szükség ,ezért felmerül a kérdés :hogyan jutnak ezek az anyagok keresztül a membránon.

A sejtmembránban fehérjék figyelhetők meg ,amelyek teljesen átérik a membránt ,és képesek a külső térből a belső térbe anyagokat szállítani ,illetve az ellenkező irányba.Ezeket a fehérjéket transzportfehérjéknek nevezzzük.A transzportfehérjéknek több típusa is ismert ,az utóbbi időkben 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 első 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 lehetővé teszik a “víz folyását”,mert egyes hámsejtek ozmotikus permeabilitása túl nagy volt ahhoz,hogy egyszerű 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 működését leírni. A megismert fehérjék valóban egy egy csatornát formálnak ,és mint molekuláris “gépek” működnek ,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 vörösvérsejtből izolált különböző membránproteineket vizsgált.Ezek közül egyet a vese sejtjeiben szintén megtalált.Feltérképezte a fehérjék aminosavsorrendjét ,és az ezeknek megfelelő DNS lánc nukleotidsorrendjét és úgy gondolta hogy ez lehet  az úgynevezett celluláris víz-csatornafehérje.Elnevezte ezt a csatorna-fehérjét :aquaporinnak.

Agre egy igen egyszerű 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 amelyekből hiányoznak egyáltalán nem változtak.Agre mesterséges sejtmembránokkal -liposzómákkal-  is folytatott kísérleteket  amelyekben egy egyszerű 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 működhet ez a bizonyos csatorna?

2002-ben ,más kutstócsoportokkal együtt végzett kutatások után Agre számolt be először az aquaporin strukturájának első nagyfelbontású háromdimenziós képéről.Ezekkel az adatokkal részletesen fel lehetett térképezni a fehérjék működését.A legérdekesebb kérdés az  volt,hogy van az, hogy a csatorna átereszti a vizet ,ugyanakkorteljesen átjárhatatatlan töltéssel rendelkező 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 elő a membránban és megkönnyíti a víz ,és egyes esetekben más kis méretű oldott anyagok ,mint például a glycerin ,széndioxid ,az ammonia ,és a karbamid átjutását a membránon keresztül .Ez a tulajdonsága a pórusainak méretétől függ.A különböző aquaporinok peptidsorozata eltér egymástól ,amely lehetővé 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 belépő vízmolekulák “arca ” mindig lefelé fordul,és a csatornát elhagyóké mindig felfelé.

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

A vízcsatorna biológiai és élettani jelentősége

Az aquaporin fehérjék egy nagyméretű fehérje családot alkotnak.Eddig több mint 10  emlős aquaporin fehérjét azonosítottak,és felépítésükben nagyon hasonló fehérjéket izoláltak növényekből baktériumkból,rovarokból.A víz permeációja a memberánon keresztül passzív folyamat ,amelyet a membrán két oldalán levő ozmotikus koncentrációkülönbség  irányít. A növényekben azonban felfedeztek egy különleges aquaporin fehérjét amelyben a csatorna zárható amikor a növénynek alkalmazkodnia kell a szélsőséges időjárási 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 működésével.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 elsődleges 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 kívűl 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 levő AQP2 működését ,ezáltal a víz visszaszívódását. A vazopressin hiányában a vizelet napi mennyisége 10-15 liter,és kialakul a diabetes insipidus nevű betegség.

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