Aquaporiny (vodní
kanály) tvoří rodinu proteinů specializovaných na transport vody přes membrány
bakterií, rostlin i živočichů. Voda jako přirozené a univerzální rozpustidlo
živých organismů musí mít možnost procházet přes lipidovou dvojvrstvu
biologických membrán. Difuze vody přes membrány je možná, tento způsob
transportu je ale natolik omezený z hlediska rychlosti i efektivity, že
bylo nutné předpokládat existenci jiných mechanismů. Téměř stoleté úsilí o
nalezení těchto dlouho předpokládaných membránových transportérů bylo
korunováno v roce 2003 udělením Nobelovy ceny v chemii za objev vodních
kanálů – aquaporinů. Nobelovu cenu sdílejí rovným dílem Peter Agre (vodní
kanály) společně s Roderickem MacKinnonem (struktura draselného kanálu).
U člověka bylo identifikováno více než 10 izoforem aquaporinů, nejméně 7
z nich je lokalizováno v ledvinách (aquaporiny-1, 2, 3, 4, 6, 7 a 8 se
vyskytují v proximálním tubulu, sestupném raménku Henleho kličky, sběrném
kanálku, krevních cévách a pánvičce, v ledvinách byly rovněž popsány
aquaporiny 9 a 11). Terminologicky se označují aquaporiny zkratkou AQP a
pořadovým číslem, ale ostatní názvy se stále používají jako synonyma: water
channel (of collecting duct), channel-forming integral protein, AQP CD, CHIP a
CHIP28, GLIP, MIWC a další. Vodní kanály se dělí na skupinu „ortodoxních“
kanálů nebo „aquaporiny jako takové“ a skupinu kanálů „kokteilových“ nebo
„aquaglyceroporiny“. Existují ale práce prokazující možnost transportu protonů,
plynů (CO2) a aniontů, i když se o fyziologickém významu (vzhledem
ke kvantitativnímu zastoupení takto funkčních kanálů) pochybuje.
|
Typ |
Aquaporin |
Lokalizace |
Poznámka |
|
Renální aquaporiny |
|
Proximální
tubulus, sestupné tenké raménko (apikální a bazolaterální membrána) |
extrarenálně ve
více tkáních (mozek, oko, srdce, plíce, játra, střevo, močový měchýř, tuková
tkáň, kůže, vnitřní ucho, slinná žláza, pankreas, testes, epididymis, sval,
kapiláry) |
|
|
Sběrný kanálek
(apikální membrána a intracelulární vesikly hlavních buněk sběrného kanálku) |
extrarenálně
v testes, epididymis |
|
|
|
Sběrný kanálek
(bazolaterální membrána) |
extrarenálně ve
více tkáních (oko, plíce, střevo, močový měchýř, kůže, slinná žláza, testes,
epididymis) |
|
|
|
Medulární část
sběrného kanálku (bazolaterální membrána) |
extrarenálně ve
více tkáních (glie v mozku, oko, plíce, vnitřní ucho, žaludek, sval) |
|
|
|
Sběrný kanálek
(kortikální, zevní a vnitřní medulární oblast, v intracelulárních
vesiklech) |
|
|
|
|
Kartáčový lem
buněk proximálního tubulu |
extrarenálně ve
více tkáních (srdce, střevo, testes, epididymis, adipocyty) |
|
|
|
Proximální
tubulus a sběrný kanálek (kůra i dřeň) |
extrarenálně ve více tkáních (varle, epididymis, játra, pankreas,
tlusté střevo, slinná žláza, pravděpodobně také srdce a placenta) |
|
|
|
Ledviny (přesná
lokalizace ?) |
mozek, pankreas |
|
|
Extrarenální aquaporiny |
|
Oční čočka |
|
|
|
Oko, slinná
žláza, plíce, slzná žláza, potná žláza, pankreas |
|
|
|
|
Játra, mozek,
epididymis, testes, pravděpodobně také leukocyty, slezina, plíce |
renální
lokalizace se považuje za možnou |
|
|
|
tenké střevo |
|
|
|
|
předpokládaný,
bez definitivních informací |
|
Vztah struktury a
funkce aquaporinů
Struktura aquaporinů je
podobná: protein o molekulové hmotnosti 28000 g/mol (28 kDa, pouze peptidový
skelet bez glykosylace) má 6 válcových transmembránových domén a N- i
C-terminus jsou umístěny intracelulárně. První a čtvrtá válcová transmembránová
doména naléhají na lipidovou dvojvrstvu, ostatní čtyři jsou propojeny kličkami,
které vytváří pór pro vodu připomínající přesýpací hodiny („hour-glass model“).
V nejužším místě jsou v kličkách 2 trojice aminokyselin –
Asn-Pro-Ala. Tato struktura (NPA, podle kódů příslušných aminokyselin) je
předpodkladem selektivity vodního kanálu pro vodu, kdy jsou transportovány
pouze molekuly vody a není možný průchod hydroxoniového kationtu H3O+.
V membráně jsou aquaporiny ve formě homotetramérů. Vykazují různý stupeň
glykosylace, u aquaporinu–1 je molekulová hmotnost glykosylovaných forem mezi
40000 až 60000 g/mol (40 – 60 kDa). Velká glykanová molekula je připojena pouze
na jednu molekulu aquaprinu v tetraméru. Tetramerická struktura byla
prokázána pro aquaporiny 1, 2, 3 a 5. AQP4 se v membráně organizuje do
složitějších struktur, geometricky uspořádaných jako čtvercové matice (square
arrays). Přitom není vyloučeno, že tyto čtvercové matice jsou složeny
z tetramérů AQP4.
Selektivní permebilita
aquaporinů vyplývá ze struktury a týká se pouze vody, pouze v některých
případech i jiných malých solutů (tzv. aquaglyceroporiny mohou přenášet
glycerol a několik málo jiných solutů). Aquaporiny jsou neprostupné pro částice
s nábojem. Odhadovaná selektivní permeabilita jednoho kanálu pro vodu je
kolem 3 miliard (3 * 109) molekul vody za sekundu. Transport vody je
podmíněn rozdílem osmolality na obou stranách biologické membrány a podle
převahy osmolality na té či oné straně membrány může být pohyb vody obousměrný.
Obvykle se chovají jako kanály stále otevřené, regulace transportu vody je
zajištěna například u AQP2 internalizací kanálu s částí membrány do
cytoplazmy buňky za vzniku klidových, cytoplazmatických váčků
s aquaporinem–2. Aquaporiny lze reversibilně blokovat pomocí HgCl2
a dalších sloučenin rtuti, ale tento mechanismus neplatí například pro AQP6, u
něhož naopak sloučeniny rtuti zvyšují permeabilitu vody.
Regulace aquaporinů se děje přinejmenším třemi mechanismy. Prvním je změna exprese proteinu, druhým je mechanismus externalizace „spící“ formy aquaporinu v cytoplazmatických váčcích a třetím je vrátkování (gating). Vrátkování zprostředkuje například změna intracelulárního pH, změna extracelulárního pH je bez efektu na permeabilitu kanálu. Snížení pH blokuje transport vody prostřednictvím AQP2, zcela opačně se chová AQP6, kdy pokles pH zvyšuje permeabilitu kanálu pro vodu.
Další informace
Buněčné a strukturální proteiny
Antonín Jabor