СТРУКТУРА АКВАПОРИНОВ И ИХ РОЛЬ В ПОДДЕРЖАНИИ

СТРУКТУРА АКВАПОРИНОВ И ИХ РОЛЬ В ПОДДЕРЖАНИИ ГОМЕОСТАЗА
В ОРГАНИЗМЕ
Эльбекьян К.С., Кремнева Г.М., Литвиненко И.Л., Романова Л.В.,
Килинкарова Н.Н., Оверченко В.В.
ГБОУ ВПО Ставропольская государственная медицинская академия
e-mail: [email protected]
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Аквапорины, или "водные каналы",
избирательно
пропускают молекулы воды, позволяя ей поступать в клетку и покидать ее, в то же время
препятствуя протоку ионов и других растворимых веществ. Другие акваглицерофорины
пропускают не только воду, но и глицерин, CO2, аммиак и мочевину, в зависимости от
диаметра и формы образуемой поры, однако аквапорины совершенно непроницаемы для
заряженных частиц, и это их свойство позволяет сохранять электрохимический мембранный
потенциал.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Изучить структуру аквапоринов и механизм переноса
ими воды в организме человека. Определить роль аквапоринов в поддержании гомеостаза.
МАТЕРИАЛЫ,
МЕТОДЫ,
ОБСУЖДЕНИЕ. Каждая
живая
клетка
окружена
мембраной, состоящей из двойного слоя липидных (жировых) молекул с вкраплениями
белков. Примечательное свойство такой мембраны - избирательная проницаемость:
эффективно защищая клетку от агрессивной внешней среды, она пропускает внутрь все, что
необходимо для жизнедеятельности, в том числе и воду. При этом клеточный "водопровод"
обладает потрясающей пропускной способностью: до миллиарда молекул воды в секунду.
Как и в случае других веществ, например сахаров и аминокислот, транспорт воды через
мембрану происходит с помощью белка – аквапорина. Благодаря аквапоринам клетки не
только регулируют свой объем и внутреннее давление, но и выполняют такие важные
функции, как всасывание воды в почках животных.
На сегодняшний день у млекопитающих обнаружено 13 аквапоринов (AQP0 AQP12). Все семейство аквапоринов, с учетом их водной селективности, субстратной
специфичности, аминокислотного состава, делится на две группы, или подсемейства. Внутри
группы
между
аквапоринами
отмечается
максимальное
подобие
аминокислотной
последовательности.
Большинство представителей первой группы (собственно аквапорины) пропускают
только воду. Эта группа включает аквапорины AQP0, AQP1, AQP2, AQP4, AQP5, AQP6 и
AQP8. Аквапорины AQP6 и AQP8 схожи по аминокислотному составу в силу чего отнесены
в эту группу. Дело в том, что AQP6 проницаем не только к воде, но и к некоторым анионам и
при низких значениях pH (менее 5.5) может транспортировать хлориды. Аквапорин AQP8
проницаем также к мочевине.
Во вторую группу входят водные каналы AQP3, AQP7, AQP9 и AQP10, получившие
название акваглицеропорины, так как в разной степени проницаемы не только для воды, но и
для глицерина и мочевины.
Строение аквапоринов и механизм переноса воды заключается в следующем:
аквапорины
образуют
в
мембране
тетрамеры,
мономеры
которых
представлены
полипептидными цепочками, состоящими примерно из 270 аминокислот. Полипептидная
цепочка
мономера
формирует
шесть
внутримембранных
а–спиральных
доменов.
Пронизывая 6 раз плазматическую мембрану, она образует также три внеклеточные (А, С, Е)
и две внутриклеточные (B, D) петли. При этом как
полипептида
N–, так и С– концевые остатки
остаются обращенными внутрь клетки. В
петлях
В, Е
содержатся
высококонсервативные участки, которые содержат консенсусный мотив с аминокислотной
последовательностью
– аспарагин
– пролин
– аланин. Обе петли, каждая
с
противоположной стороны, погружены в мембрану. В толще мембраны они перекрываются
с образованием структуры собственно трансмембранного канала. Все мономеры аквапорина
функционируют как независимые водные каналы.
В отличие от ионных каналов собственно водный канал аквапорина расположен не в
центре тетрамера, а в каждом мономере. Собственно канал переноса воды формирует
внутриклеточная петля В и внеклеточная петля Е. Транспорт воды через мономеры
одинаково легко осуществляется в обоих направлениях. Направление водного потока
определяется ориентацией осмотического или гидростатического градиента. Проницаемость
мономеров к воде не изменяется при их ассоциации в тетрамер.
Пространственная модель аквапорина разработана на основе ранних исследований
молекулярных рекомбинантов. Такая структура образуется, когда две петли сближаются в
фосфолипидной мембране и, окруженные трансмембранными доменами, формируют канал
переноса воды через нее. Данная модель аквапорина получила название песочных часов.
Для
обнаружения
возможных
межвидовых
различий
в
качестве
объектов
исследования были взяты AQP1 из эритроцитов человека и бычий AQP1. Сравнительные
исследования, проведенные с применением криоэлектронной кристаллографией AQP1 из
эритроцитов человека, рентгеноструктурный анализ кристаллов бычьего AQP1 подтвердили
укладку доменов в форме песочных часов.
Каждый конец собственно проводящего воду канала в мономере аквапорина AQP1
имеет воронкообразное преддверие, открывающегося соответственно во внутриклеточное
или внеклеточное пространство. Преддверие переходит в узкий тоннель, по которому вода
селективно перемещается к центру мономера и далее в воронкообразный выход
противоположного конца канала. Тоннель на большем своем протяжении гидрофобен.
Гидрофобность внутренней поверхности поры и узость щели оказались очень
важными для обеспечения исключительно высокой скорости проведения воды. Архитектура
канала такова (узкая щель в центре и расширения на противоположных концах), что вода
может проникать только в виде тонкой цепочки молекул, соединенных водородными
связями. Было известно, что в грамицидиновом канале такая цепочка с большой
эффективностью захватывает протоны. Но так как через аквапориновую пору они не
просачиваются, это должен обеспечивать специальный механизм. Долгое время он оставался
неизвестным в структурной биологии аквапорина. Считалось, что блокировка требует
разрыва водородных связей в водной цепочке и образования новых, но уже с какими-то
структурными элементами на поверхности поры. В настоящее время известно, что такой
разрыв действительно включен в этот процесс и главная роль в нем принадлежит
функциональным спиралям НВ и НЕ.
Поскольку
дипольные
моменты
спиралей
генерируют
положительное
электростатическое поле, атомы кислорода в молекуле воды, подошедшей в виде цепочки к
центру мембранного пространства, ориентируются к участку Асн-Про-Ала. В результате
между кислородом и амидной (NH-) группой аспарагина образуется водородная связь, а в
цепочке - разрыв. Так возникает препятствие на пути протона. Исследования показывают,
что скорость прохождения воды через AQP1 составляет примерно 3∙(10*9)молекул воды/с,
что значительно выше, чем активность известных ионных каналов.
ВЫВОДЫ: Роль аквапоринов в поддержании гомеостаза в организме неоспорима,
хотя они
не являются единственными молекулами, отвечающими за транспорт воды в
клетку. Предполагается, что аквапорины участуют в развитии ряда наследственных и
приобретенных заболеваний, в том числе таких, как отек мозга, цирроз, сердечная
недостаточность, глаукома, поэтому столь важным представляется дальнейшее изучение
механизмов работы этих белков.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
1.
Agre P. Aquaporin water channels: molecular mechanisms for human Diseases.
2.
Jung J.S. Molecular structure of the water channel through aquaporin CHIP.
3.
Toshiyuki M. Aquaporins in the digestive system.
4.
Титовец Э.П. Аквапорины человека и животных, фундаментальные и
клинические аспекты.
5.
Landon S. K., D. Kozono, P. Agre From structure to desease: the evolving tale of
aquaporin biology.