Akwaporyny

Akwaporyny (AQP) to białka błonowe tworzące kanały, uczestniczące w procesie transportu wody i innych związków chemicznych w środowisku komórkowym. Znajdują się na błonach plazmatycznych w wielu typach komórek zaangażowanych w przepływ płynów. Dotychczas zidentyfikowano 11 izoform akwaporyn występujących w organizmie człowieka. Dzieli się je na dwie grupy: klasyczne (selektywne tylko dla wody) i akwagliceroporyny (transportujące dodatkowo glicerol). Ich aktywność różni się w zależności od tkanki. Najwięcej izoform akwaporyn zlokalizowanych jest w nabłonku kanalików nerkowych. Ponadto w jednej komórce może występować więcej niż jedna izoforma. Odwracalnym inhibitorem transportu dla większości akwaporyn są jony rtęci. Akwaporyny pełnią wiele funkcji biologicznych. Nieprawidłowa ekspresja i/lub lokalizacja tych białek są istotnym czynnikiem powodującym zaburzenia funkcjonowania komórek, a co za tym idzie tkanek i narządów.

1. Historia odkrycia akwaporyn

Akwaporyny zostały odkryte w 1992 roku przez amerykańskiego naukowca Petera Agre’a. Jako pierwszy wyizolował i opisał białka leżące na powierzchni błon komórkowych erytrocytów. Okazało się, że pełnią one funkcje kanałów transportujących cząsteczki wody. Białka te nazwał integralnymi peptydami błonowymi tworzącymi kanał 28 (ang. CHannel-forming Integral Membrane Protein 28, CHIP 28), następnie zmienił ich nazwę na akwaporyny 1 (AQP-1). [1] Wkrótce potem wyizolowano i opisano akwaporyny-2 (AQP-2). Pozwoliło to wyjaśnić, w jaki sposób nerka reguluje produkcję moczu, a tym samym pomaga utrzymać równowagę płynów układowych. Odkrycie akwaporyn utorowało drogę do zrozumienia skomplikowanych procesów wydalania i wchłaniania u zwierząt i roślin. [19]

W 1994 roku dwa niezależne zespoły pod kierownictwem Agre’a i Verkmana opisały ekspresję cDNA akwaporyny w mózgu. Białko to znajdowało się w największych ilościach na komórkach wyściółki i astrocytach. Nazwali je akwaporyną-4 (AQP-4). Dodatkowo grupa Verkmana odkryła, że ​​obrzęk mózgu powstały na skutek niedokrwienia zmniejszał się na skutek usunięcia genów dla AQP-4. [19] W 1999 roku Agre wraz z innymi badaczami opublikowali pierwsze obrazy o wysokiej rozdzielczości trójwymiarowej struktury akwaporyny-1. Za swoje odkrycia w 2003 roku Peterowi Agre’owi przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. [1]

2. Budowa akwaporyn

Akwaporyny to białka o masie cząsteczkowej 26-34 kDa. Zbudowane są z 270 aminokwasów. Charakteryzują się tetrameryczną budową. [14] Kształtem przypomianają klepsydrę. Każda z czterech podjednostek tetrameru składa się z dwóch powtarzających się segmentów. Segmenty zbudowane są z potrójnych domen w kształcie alfa-helisy rozciągających się przez całą błonę. Domeny transbłonowe połączone są ze sobą pętlami. Charakteryzują się one konserwatywną budową i zawierają trójaminokwasowy motyw asparagina-prolina-arginina (tzw. motyw NPA). Dodatkowo każda z pętli połączona jest też z krótką alfa-helisą, nieprzenikającą przez błony. Szerokość światła kanału jest różna w zależności od odległości od błony. Im bliżej jej powierzchni, tym kanał jest węższy. Jego najmniejsza średnica odpowiada wymiarom cząsteczki wody. Centralne miejsce kanału tworzy charakterystyczny por przez który transportowane są związki chemiczne. [1]

3. Powstawanie akwaporyn

Proces powstawania akwaporyn rozpoczyna się od aktywacji kodujących je genów. Geny kodujące AQP-0, AQP-2, AQP-5 i AQP-6 umiejscowione są na chromosomie 12, natomiast geny pozostałych akwaporyn znajdują się odpowiednio na chromosomach 1, 7, 9, 10, 12, 15 i 16. [18] Formowanie struktury białek zachodzi w siateczce śródplazmatycznej, następnie są one magazynowane w pęcherzykach cytoplazmatycznych. Pod wpływem bodźca (np. wzrostu aktywności wazopresyny lub zmiany gradientu stężeń) cząsteczki akwaporyny transportowane są do błony cytoplazmatycznej, gdzie ulegają zakotwiczeniu. Bramkowanie kanałów akwaporynowych zachodzi na skutek zmian pH, napływu jonów wapnia i wody czy lokalnych zmian ciśnienia. Powoduje to otwarcie kanałów i wzrost przepuszczalności dla wody. [24]

4. Podział akwaporyn

Ze względu na stopień przepuszczalności i budowę akwaporyn, białka te podzielono na trzy grupy. Pierwsza z nich to tzw. akwaporyny klasyczne (ang. classical aquaporins), które przepuszczają tylko cząsteczki wody. Należą do nich izoformy AQP-0, AQP-1, AQP-2, AQP-4 i AQP-5. Druga grupa to akwagliceroporyny (ang. aquaglyceroporins), które poza wodą transportują również inne małe cząsteczki (np. glicerol, mocznik i amoniak). Wśród nich wyróżnia się białka AQP-3, AQP-7, AQP-9 i AQP-10. Trzecia grupa to tzw. akwaporyny niekonwencjonalne (ang. unorthodox aquaporins), które wykazują niską homologię do pozostałych białek w tej rodzinie. Należą do nich izoformy AQP-6, AQP-8, AQP-11 i AQP-12. Izoformy AQP-11 i AQP-12 są najsłabiej przebadane. Z tego względu niewiele wiadomo o ich właściwościach i pełnionych przez nie funkcjach. [15]

4.1. Akwaporyna-0

Akwaporyna-0 (AQP-0) występuje we włóknach soczewki. Cechuje się niewielką przepuszczalnością dla cząsteczek wody. Odgrywa rolę cząsteczki adhezyjnej pomiędzy komórkami umiejscowionymi na włóknach soczewki. [4,5] Ułatwia przyleganie komórek do śródbłonka. [25] Nie jest wrażliwa na działanie rtęci. [1] Jej aktywacja zachodzi przy niskim pH. Natomiast jej działanie blokują jony wapnia. [26] Mutacje genu dla AQP-0 są związane z rozwojem zaćmy wrodzonej. Przypuszcza się, że polimorfizm cząsteczki AQP-0 może być również związany z patofizjologią zaćmy starczej i retinopatii cukrzycowej. [10]

4.2. Akwaporyna-1

Akwaporyna-1 (AQP-1) występuje na powierzchni erytrocytów, komórek nabłonkowych dróg żółciowych i ciała rzęskowego w oku. [1] Białka AQP-1 znajdują się w melanocytach, fibroblastach i śródbłonku naczyń krwionośnych przechodzących przez skórę właściwą. [14]

Ponadto jej duże ilości obserwuje się w nerkach na błonach komórek nabłonka kanalików proksymalnych i na ramieniu zstępującym pętli Henlego. Zlokalizowano ją także w zstępujących tętniczkach prostych. Akwaporyna-1 stanowi główną drogę transportu w procesie reabsorpcji wody. [6,7] Gen dla AQP-1 znajduje się na chromosomie 7p14. [8] Jego mutacje zdarzają się niezwykle rzadko i nie wpływają na jakość życia pacjentów. [9]

4.3. Akwaporyna-2

Akwaporyna-2 (AQP-2) występuje w komórkach głównych kanalików zbiorczych nerek, a w mniejszym stopniu w kanalikach łączących. Jej aktywność jest regulowana przez wazopresynę (ADH). Proces ten ma na celu zmniejszenie ogólnej puli AQP-2 w organizmie. Pod wpływem ADH cząsteczki akwaporyny-2 przemieszczają się z pęcherzyków wewnątrzkomórkowych do błony komórkowej, gdzie następuje ich endocytoza i wydzielenie do moczu. Zmiany te zachodzą w odpowiedzi na zaburzenia gospodarki wodnej ustroju w celu zachowania homeostazy. [6,7] Mutacje genu dla AQP-2 są przyczyną braku wrażliwości kanalików nerkowych na działanie wazopresyny i czynnikiem rozwoju moczówki prostej. [1] Natomiast nadmierna ekspresja AQP-2 jest charakterystyczna dla zastoinowej niewydolności serca i ciąży. [28,29]

4.4. Akwaporyna-3

Cząsteczki akwaporyny-3 (AQP-3) umiejscowione są głównie w kanalikach zbiorczych nerek, gdzie odpowiadają za transport wody. Występują także w śliniankach, gdzie regulują wydzielanie śliny i w jelicie cienkim, gdzie biorą udział w translokacji wody przez nabłonek jelitowy. Są również obecne w skórze i na powierzchni erytrocytów. [4,5] Prawdopodobnie AQP-3 podlega regulacji przez wazopresynę. [1] Jej inaktywacja zachodzi pod wpływem niskiego pH. [27]

4.5. Akwaporyna-4

Akwaporyna-4 (AQP-4) wykazuje największą aktywność w centralnym układzie nerwowym. Znajduje się na powierzchni komórek astrogleju, komórek ependymalnych i w regionach osmoreceptorowych mózgu, głównie w jądrze nadwzrokowym. Bierze udział w regulacji przepływu wody przez barierę krew-mózg i utrzymaniu homeostazy płynu mózgowo-rdzeniowego. [4,5] Moduluje objętość przestrzeni pozakomórkowych i procesy resorpcji płynu śródmiąższowego, pomaga w usuwaniu produktów przemiany materii z tkanki nerwowej, uczestniczy w migracji komórek i jonów wapnia. [19] W mniejszych ilościach cząsteczki AQP-4 są obecne w kanalikach zbiorczych nerek (głównie strefy wewnętrznej rdzenia), w siatkówce oka oraz w błonie komórkowej miocytów. Nie są wrażliwe na wazopresynę oraz jony rtęci. [4,5] Mutacje genu dla AQP-4 pogarszają rokowania pacjentów z obrzękiem i niedokrwieniem mózgu. [3]

4.6. Akwaporyna-5

Akwaporyna-5 (AQP-5) występuje w komórkach gruczołów ślinowych, łzowych, potowych, śluzowych dróg oddechowych, w komórkach płuc i nabłonku rogówki. Uczestniczy w procesach wydzielniczych, w utrzymaniu odpowiedniego nawodnienia śluzówki i jej zdolności regeneracyjnych oraz w utrzymaniu prawidłowej funkcji dróg oddechowych. Akwaporyna-5 odgrywa ważną rolę w patofizjologii astmy. W pobliżu genu dla AQP-5 zlokalizowano niektóre geny odpowiedzialne za wystąpienie tej choroby. Dodatkowo podejrzewa się udział AQP-5 w rozwoju zaburzeń wydzielania potu i w zespole Sjögrena. [5]

4.7. Akwaporyna-6

Akwaporyna-6 (AQP-6) jest zlokalizowana w pęcherzykach wewnątrzkomórkowych kanalików zbiorczych nerek. Cechuje się niewielką przepuszczalnością dla wody, a interakcja z jonami rtęci zwiększa przepuszczalność dla cząsteczek wody i niewielkich anionów (zwłaszcza nitratów). Akwaporyna-6 jest aktywowana w odpowiedzi na spadek pH środowiska wewnątrzkomórkowego. Efektem jest wzrost przepływu jonów przez kanał. [1]

4.8. Akwaporyna-7

Akwaporyna-7 (AQP-7) występuje na powierzchni błon komórkowych adipocytów, spermatocytów i na komórkach kanalików proksymalnych nerki. [7] Ponadto cząsteczki AQP-7 znajdują się w adipocytach tkanki podskórnej i w komórkach Langerhansa. [14] Białka te są odpowiedzialne za transport glicerolu. Wpływają na procesy lipolizy i lipogenezy oraz biorą udział w procesach odpornościowych skóry. [14] Dodatkowo AQP-7 uczestniczy w procesie uwalniania trójglicerydów z adipocytów do krwiobiegu. Akwaporyna-7 wykazuje zdolność do wiązania i transportu rakotwórczego kwasu arsenawego. [4,5]

4.9. Akwaporyna-8

Akwaporyna-8 (AQP-8) to białko występujące prawie w każdej tkance organizmu. Jej największą aktywność obserwuje się w komórkach nabłonka trzustki i jelita grubego. [16] Cząsteczki AQP-8 położone są wewnątrzkomórkowo. Wykazują minimalną ekspresję w błonie komórkowej. Odpowiadają za utrzymanie wewnątrzkomórkowej homeostazy osmotycznej. [11,12] Ich obecność zauważa się również w dojrzałych, ostatecznie zróżnicowanych komórkach nabłonka jelitowego. Nie ulegają one jednak ekspresji w komórkach nowotworowych jelita grubego. Z tego względu bada się wykorzystanie AQP-8 w diagnostyce onkologicznej. [12]

4.10. Akwaporyna-9

Akwaporyna-9 (AQP-9) wykazuje aktywność w hepatocytach, leukocytach, komórkach płuc, śledziony, mózgu i jąder. [7] Uczestniczy w procesie glukoneogenezy, transportu glicerolu i mocznika, a także różnicowania i proliferacji komórek. [14] Ponadto akwaporyna-9 odgrywa znaczącą rolę w regulacji funkcjonowania leukocytów. Wpływa na odpowiedź immunologiczną. Wykazuje aktywność bakteriobójczą. [17] Poziom AQP-9 zwiększa się w czasie głodówek czy w niewyrównanej cukrzycy. [4,5]

4.11. Akwaporyna-10

Akwaporyna-10 (AQP-10) występuje w nabłonku jelita cienkiego (głównie w regionie szczytowym enterocytów) Białka te uczestniczą w dokomórkowym transporcie wody ze światła jelita. [13] Dość duże ilości akwaporyny-10 znajdują się również w keranocytach poszczególnych warstw naskórka, gdzie odpowiadają za utrzymanie właściwego nawodnienia i sprężystości skóry. [14]

5. Działanie akwaporyn

Mechanizm działania akwaporyn opiera się na zasadzie osmozy – woda przemieszcza się z obszaru o niższym stężeniu substancji rozpuszczonych do obszaru o wyższym stężeniu. Akwaporyny wykazują wysoką selektywność i wydajność również wobec glicerolu, mocznika, amoniaku, nadtlenku wodoru, dwutlenku węgla, metaloidów, tlenku azotu czy jonów wapnia. Jednocześnie zapobiegają przepływowi innych jonów i cząsteczek, co chroni komórkę przed zaburzeniami homeostazy. Taką funkcję kanału akwaporynowego warunkują jego specyficzne właściwości, przede wszystkim:

• kształt przypominający klepsydrę i zwężające się światło poru odpowiadające wymiarom cząsteczki wody
• lokalne pole elektryczne tworzące się we wnętrzu poru
• zdolność cząsteczek wody do tworzenia wiązań z resztami aminokwasów [4,5,30]

Lokalne pole elektryczne tworzące się we wnętrzu poru, wytwarzane jest przez zjonizowane reszty aminokwasów. Reszty aminokwasowe mają ładunek dodatni, przez co powodują odpychanie protonów i innych jonów oraz uniemożliwiają im przejście przez kanał. Jednocześnie cząsteczki wody tworzą krótkotrwałe wiązania z resztami aminokwasów w obszarze motywu pętli NPA, które w ten sposób „przeprowadzają” molekuły wody przez por na drugą stronę błony komórkowej. Każda cząsteczka wody przechodząc przez kanał ulega obróceniu, tworząc krótkotrwałe wiązania wodorowe z resztami aminokwasowymi. Istnienie miejsc interakcji cząsteczek wody ze ścianą pora umożliwia szybki, a zarazem selektywny transport wody przez kanał. [1]

6. Wybrane funkcje akwaporyn

6.1. Udział w utrzymaniu homeostazy skóry

Akwaporyny są kluczowymi regulatorami homeostazy wodnej skóry. Ich odpowiednie funkcjonowanie jest niezbędne dla utrzymania zdrowia, nawilżenia i elastyczności skóry, co ma bezpośrednie przełożenie na jej wygląd i zdolność do pełnienia funkcji ochronnych. Jedną z najważniejszych akwaporyn w skórze jest AQP-3, obecna głównie w błonach komórkowych keratynocytów warstwy podstawnej i kolczystej naskórka. Białko to umożliwia transport zarówno wody, jak i glicerolu, co jest kluczowe dla utrzymania odpowiedniego poziomu nawilżenia skóry. Glicerol działa jako humektant, przyciągając wodę i zwiększając zdolność warstwy rogowej naskórka do jej zatrzymywania. Dzięki temu AQP-3 przyczynia się do poprawy elastyczności i sprężystości skóry oraz wspomaga procesy naprawcze, takie jak gojenie ran​. [31,32]

Rola akwaporyn nie ogranicza się jednak tylko do naskórka. Białko AQP-1, zlokalizowane w melanocytach, fibroblastach i śródbłonku naczyń krwionośnych skóry właściwej, bierze udział w regulacji objętości komórek i procesach pigmentacji. W melanocytach AQP-1 wspiera transport melaniny do keratynocytów, co jest niezbędne dla równomiernego rozłożenia pigmentu i ochrony skóry przed promieniowaniem UV. Natomiast izoforma AQP-5 obecna głównie w komórkach nabłonka gruczołów potowych, uczestniczy w procesach termoregulacyjnych skóry, wspierając wydzielanie potu. [32]

Zaburzenia w funkcjonowaniu akwaporyn mogą prowadzić do poważnych problemów skórnych. Niedobór AQP-3 powoduje obniżenie poziomu nawilżenia skóry, co prowadzi do jej przesuszenia, utraty elastyczności i zwiększonej podatności na uszkodzenia. Z drugiej strony nadmierna ekspresja tego białka może sprzyjać nadmiernej proliferacji keratynocytów. W efekcie mogą pojawić się zaburzenia w funkcjonowaniu bariery skórnej i rozwoju stanów zapalnych​. [31]

W kontekście pielęgnacji skóry, szczególnie suchej i dojrzałej, istotne jest stymulowanie aktywności akwaporyn, zwłaszcza izoformy AQP-3. Substancje takie jak ekstrakty z fiołka trójbarwnego czy granatowca właściwego mogą pobudzać ekspresję genów kodujących AQP-3, co prowadzi do zwiększenia jej aktywności i poprawy nawilżenia skóry. Kosmetyki zawierające aktywatory akwaporyn stanowią nowoczesne podejście do pielęgnacji skóry, oferując efektywną regulację jej nawodnienia i poprawę funkcji ochronnych. [31]

6.2. Udział w procesie laktacji

Akwaporyny odgrywają kluczową rolę w procesie laktacji. Mają bezpośredni wpływ na syntezę i wydzielanie mleka w gruczole piersiowym. Są niezbędne do efektywnego przepływu wody z krwi do komórek mlekotwórczych. Izoforma AQP-1, obecna w błonie śródbłonka naczyń krwionośnych oraz w cytoplazmie komórek wydzielniczych, jest odpowiedzialna za przenoszenie wody z naczyń włosowatych do komórek mlekowych. Proces ten jest kluczowy dla utrzymania odpowiedniego poziomu nawodnienia komórek mlekotwórczych, a co za tym idzie produkcji pokarmu dla dziecka. Podobne właściwości wykazują obecne w błonie szczytowej komórek nabłonka pęcherzyków mlekowych białka AQP-4, AQP-5 i AQP-7. Ich funkcja wydaje się kluczowa dla utrzymania odpowiedniego poziomu wody w mleku, co wpływa na jego objętość i skład. [30]

Natomiast izoforma AQP-3, zlokalizowana w błonie podstawno-bocznej komórek wydzielniczych, odgrywa podwójną rolę – umożliwia transport zarówno wody, jak i glicerolu. Glicerol jest istotnym substratem do syntezy tłuszczów mleka, a jego transport do wnętrza komórek jest niezbędny dla prawidłowego przebiegu laktacji. Regulacja ekspresji akwaporyn w gruczole mlekowym może mieć znaczący wpływ na efektywność laktacji i wydajność produkcji mleka. Zrozumienie mechanizmów kontrolujących te procesy może prowadzić do stworzenia nowych metod poprawiających laktację u kobiet po porodzie. [30]

7. Udział akwaporyn w patomechanizmie wybranych chorób

7.1. Guzy nowotworowe

W badaniach na gryzoniach odnotowano wysoką ekspresję białka AQP-1 w komórkach śródbłonka u osobników chorujących na glejaka wielopostaciowego i raka gruczołu piersiowego. [20] Analiza różnicowej ekspresji genów na mikromacierzach wykazała również zwiększoną ekspresję transkryptu AQP-1 w ludzkim glejaku, co zostało potwierdzone w badaniach J. M. Markerta nad patofizjologią AQP-1 w 2001 roku. [21] Prawdopodobie ekspresja AQP-1 w mikronaczyniach mózgu objętego procesem nowotworzenia przyczynia się do zwiększonej przepuszczalności bariery krew-mózg. [22] We wstępnych eksperymentach badano możliwy udział AQP-1 we wzroście guza i angiogenezie u myszy pozbawionych genu dla AQP-1. Po podskórnym wszczepieniu komórek raka płuc Lewisa, średni wskaźnik wzrostu guza był blisko 2-krotnie wolniejszy u myszy pozbawionych genu dla AQP-1. Dodatkowo zmiany nowotworowe wykazywały mniejsze unaczynienie. Potrzebne są dalsze badania, by sprawdzić czy usunięcie genu dla AQP-1 bezpośrednio upośledza angiogenezę w mikronaczyniach guza. [23]

7.2. Obrzęk mózgu

Akwaporyny, szczególnie AQP-1 i AQP-4, odgrywają istotną rolę w procesach powstawania obrzęku mózgu i rdzenia kręgowego. Akwaporyna-4 występuje licznie w błonach komórkowych astrocytów, które przylegają do naczyń krwionośnych mózgu, a także w błonach wyściełających powierzchnie komór mózgu oraz w powierzchniach mających kontakt z płynem mózgowo-rdzeniowym. Jej obecność w tych miejscach sugeruje, że AQP-4 pełni kluczową funkcję w regulacji homeostazy wodnej w mózgu. [23]

Badania na myszach pozbawionych genu dla AQP-4 dostarczają bezpośrednich dowodów na udział akwaporyny-4 w powstawaniu obrzęków mózgu. Poziom tego białka wzrasta w odpowiedzi na hiponatremię i obrzęk mózgu pochodzenia naczyniowego oraz w przebiegu udarów niedokrwiennych wywołanych przez trwałą niedrożność tętnicy mózgowej środkowej (prowadzących do obrzęku naczyniowego i komórkowego). Usunięcie genu dla AQP-4 spowodowało poprawę stanu klinicznego u myszy z obrzękiem mózgu. Obrzęk uległ zmniejszeniu, a ponadto po 24 godzinach od niedokrwienia w wyniku trwałego zamknięcia tętnicy mózgowej środkowej zaobserwowano poprawę parametrów biochemicznych. [23]

Akwaporyny-1 zlokalizowano również w neuronach warstw powierzchownych rogu tylnego rdzenia kręgowego, który zawiera włókna zaangażowane w odczuwanie bólu. Obrzęk rdzenia kręgowego wywołany zaburzeniami procesów osmotycznych zmniejsza się pod wpływem usunięcia genu dla AQP-1. Jednocześnie brak AQP-1 prowadzi do znacznego upośledzenia odczuwania bólu. Sugeruje to, że akwaporyna-1 bierze udział w przewodnictwie bodźców bólowych oraz w procesach związanych z szybkim transportem wody i jonów przez błony komórkowe neuronów. [23]