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]
Kanał przepuszcza wodę, a zatrzymuje jony i protony. Decyduje o tym zwężenie z resztą argininy i para asparagin.
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 wewnętrz