aquaporiner: vattenkanaler

vatten korsar cellmembran med två vägar: genom diffusion genom lipidbiskiktet och genom vattenkanaler som kallas aquaporiner. Funktionell karakterisering av det första aquaporin rapporterades 1992, men vattenkanaler misstänktes existera långt före den tiden, eftersom den osmotiska permeabiliteten hos vissa typer av epitelceller var alldeles för stor för att kunna förklaras genom enkel diffusion genom plasmamembranet.

en enda mänsklig aquaporin – 1-kanal underlättar vattentransport med en hastighet av ungefär 3 miljarder vattenmolekyler per sekund. Sådan transport verkar vara dubbelriktad, i enlighet med den rådande osmotiska gradienten.

de klassiska aquaporinerna transporterar löst vatten över cellmembran; de verkar vara exklusiva vattenkanaler och genomtränger inte membran till joner eller andra små molekyler. Vissa aquaporiner-kända som aquaglyceroporiner-transporterar vatten plus glycerol och några andra små molekyler.

Aquaporin-familjen

Mer än 10 olika däggdjursakaporiner har identifierats hittills och ytterligare medlemmar misstänks existera. 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.

Hydrofobicitetsplottor av deras aminosyrasekvenser förutsäger att aquaporinerna har sex membransträckande segment, som avbildas i modellen av aquaporin-1 till höger.

baserat på studier med aquaporin-1 verkar det som om aquaporiner finns i plasmamembranet som homotetramerer. Varje aquaporin monomer innehåller två Hemi-porer, som viks ihop för att bilda en vattenkanal.

olika aquaporiner har olika mönster av glykosylering. I fallet med aquaporin-1 är peptidryggraden ungefär 28 kDa och de glykosylerade formerna sträcker sig från 40 till 60 kDa i massa. De flesta aquaporiner har ett proteinkinas ett fosforyleringsmotiv i en av de cytoplasmatiska slingorna, och differentiell fosforylering misstänks vara en reglerande funktion för molekylen.

mönster av Aquaporin Expression

var och en av aquaporinerna har ett väsentligen unikt uttrycksmönster bland vävnader och under utveckling. En sammanfattning av dessa attribut och några av de viktiga potentiella eller kända funktionerna presenteras i följande tabell:

	stora Uttrycksplatser
Aquaporin-0	öga: linsfiberceller	vätskebalans i linsen
aquaporin-1	röda blodkroppar	osmotiskt skydd
	njure: proximal tubule	Concentration of urine
	Eye: ciliary epithelium	Production of aqueous humor	Brain: choriod plexus	Production of cerebrospinal fluid	Lung: alveolar epithelial cells	Alveolar hydration state
	Aquaporin-2	Kidney: collecting ducts	Mediates antidiuretic hormone activity
	Aquaporin-3 *	Kidney: collecting ducts	Reabsorbtion of water into blood
Trachea: epitelceller		utsöndring av vatten i luftstrupen
Aquaporin-4	njure: samla kanaler	Reabsorbtion av vatten
	hjärna: ependymala celler	CSF vätskebalans	hjärna: hypotalamus	osmosensfunktion?
	Lung: bronkial epitel	bronkial vätskesekretion
	Aquaporin-5	spottkörtlar	produktion av saliv
lacrimalkörtlar		produktion av tårar
Aquaporin-6	njure	mycket låg vattenpermeabilitet; funktion?
Aquaporin-7 *	fettceller	transporterar glycerol ur adipocyter
	testikel och sperma
Aquaporin-8	testikel, bukspottkörtel, lever, andra
Aquaporin-9 *	leukocyter
* en aquaglyceroporin

det bör vara klart att aquaporiner är mycket utbredd, och också att de olika aquaporinerna har olika funktionellt viktiga specialiteter.

flera intressanta och viktiga funktioner i aquaporin-medierad vattentransport illustreras i de huvudsakliga cellerna som leder uppsamlingskanaler i njurarna. Vatten som strömmar genom dessa kanaler kan antingen fortsätta och tömmas i urinen eller reabsorberas över epitelet och tillbaka till blod. Reabsorption är i huvudsak noll om inte epitelcellerna ser antidiuretiskt hormon, vilket starkt stimulerar reabsorption av vatten. Samla kanalceller uttrycker minst två aquaporiner:

• Aquaporin-2 syntetiseras men, i frånvaro av antidiuretiskt hormon, ligger i en pool av membranblåsor i cytoplasman. Bindning av antidiuretiskt hormon till dess receptor i cellen stimulerar inte bara transkription av aquaporin-2-genen utan orsakar att den intracellulära poolen av aquaporin-2 införs i det apikala membranet. Cellen kan nu effektivt ta upp vatten från kanalens lumen.
• Aquaporin – 3 uttrycks konstitutivt i cellens basolaterala membran. När vatten strömmar in i cellen genom aquaporin-2-kanaler, kan det snabbt lämna cellen genom aquaporin-3-kanalerna och strömma in i blodet.

aquaporiner och sjukdom

Med tanke på vikten av vattentransport i en myriad av fysiologiska processer kan det förväntas att lesioner i aquaporingener eller förvärvad dysfunktion i aquaporiner kan orsaka eller bidra till flera sjukdomstillstånd. Sökandet efter sådana anslutningar är fortfarande tidigt, men två tydliga exempel på sjukdom har identifierats som följd av brist på aquaporiner:

• mutationer i aquaporin-2-genen orsakar ärftlig nefrogen diabetes insipidus hos människor.
• möss homozygota för inaktiverande mutationer i aquaporin – 0-genen utvecklar medfödda grå starr.
• fetma hos vuxna utvecklas hos möss homozygot för inaktiverande mutationer i aquaporin-7-genen, förmodligen på grund av ineffektivitet vid transport av glycerol från hydrolyserade triglyceridbutiker.

ett litet antal personer har identifierats med svår eller total brist i aquaporin-1. Intressant nog verkar de kliniskt opåverkade, men har inte undersökts under förhållanden med vattenbrist. Möss med riktade borttagningar i aquaporin-1 verkar också normala och friska om de inte är vätskebegränsade, i vilket fall de blir allvarligt hyperosmolära.

referenser och recensioner

• Borgnia M, Nielsen S, Engel A, Agre P: cellulär och molekylärbiologi av aquaporin vattenkanaler. Annu Rev Biochem 68:425, 1999.
• deGroot BL, Grubmuller H: vattengenomträngning över biologiska membran: mekanism och dynamik hos aquaporin-1 och GlpF. Vetenskap 294:2353, 2001.
• Hibuse T, Proc Nat Acad Sci (USA) 102:10993, 2005.
• Kung LS, Agre P: patofysiologi av aquaporin vattenkanaler. Annu Rev Physiol 58:619, 1998.
• Knepper MA, Inoue T: reglering av vattenkanalhandel med aquaporin – 2 av vasopressin. Curr Yttrande Cell Biol 9: 560, 1997.Lee MD, King LS, Agre P: aquaporin-familjen av vattenkanalproteiner i klinisk medicin. Medicin 76: 141, 1997.Preston GM, Carroll TP, Guggino WP Agre P: utseende av vattenkanaler i Xenopus-oocyter som uttrycker röda CELLCHIP28-protein. Vetenskap 256: 385, 1992.
• Sasaki S, Ishibashi K, Marumo F: Aquaporin – 2 och -3: representanter för två undergrupper av aquaporin-familjen colocalized i njursamlingskanalen. Annu Rev Physiol 60: 199, 1998.