Aquaporine
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Aquaporine (abgekürzt AQP) sind Membran-Transportproteine, die Kanäle in der Zellmembran bilden, um den Durchtritt von Wassermolekülen zu erleichtern (Membrantransport). Sie sind ubiquitär, treten also bei Bakterien, Tieren, Säugetieren und Pflanzen auf.
Da Biomembranen in ihrem Inneren hydrophob sind, ist die Passage von Wassermolekülen erschwert. Die Wasserleitfähigkeit eines Kanals beträgt dagegen bis zu 3 Milliarden Moleküle pro Sekunde.
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[Bearbeiten] Geschichtliches
Die Tatsache, dass Wasser über Zellmembranen ausgetauscht werden kann ist schon lange bekannt. Die ersten Mutmaßungen und Diskussionen über den Mechanismus reichen in die Mitte des 19. Jhd. zurück (u. a. Ernst Wilhelm Brücke war daran beteiligt). Nach der Entdeckung der Bilipidschicht in Plasmamembranen in den späten 1920er Jahren ging man von der einfachen Diffusion von Wasser durch die Zellmembran aus, konnte aber nicht die stark unterschiedlichen Permeabilitäten verschiedener Zellen erklären. In den 1970er Jahren wurden u. a. von Arthur Solomon, Robert Macey und Alan Finkelstein aufgrund biophysikalischer Modelle die Existenz von spezifischen Wasserkanälen postuliert. Das Problem der Identifikation ist recht komplex: Wasser ist überall vorhanden und es lässt sich nicht durch photosensible Seitenketten modifizieren. Auch Versuche einer genetischen Klonierung der entsprechenden Proteine führte nicht zum Erfolg. Erst Anfang der 1990er Jahre gelang es der Arbeitsgruppe um Peter Agre ein schon aus früheren Untersuchungen an Rhesus-Blutgruppenantigenen bekanntes Protein (CHIP28) mit bis dahin unbekannter Funktion als den gesuchten Wasserkanal zu identifizieren. Sie nannten dieses Protein dann Aquaporin1 (AQP1). 2003 erhielt er für seine Forschungen auf dem Gebiet der Aquaporine den Nobelpreis für Chemie. Bis heute sind eine ganze Reihe von Aquaporinen beim Menschen, bei Tieren, Pflanzen und Bakterien identifiziert worden.
[Bearbeiten] Struktur
Alle bekannten Aquaporine weisen eine ähnliche Struktur und Aminosäuresequenz auf. Beim AQP1 besteht jede Untereinheit aus 269 Aminosäuren mit 6 membrandurchspannenden Domänen. In der Membran bilden die beiden „loops“ B und E die eigentliche Pore des Kanals. Das aminoterminale Ende (Repeat-1) und das Carboxylende (Repeat-2) sind in der Sequenz sehr ähnlich und enthalten jeweils ein charakteristisches Strukturmotiv aus drei Aminosäuren (N-P-A: Aspargin - Prolin - Alanin). Dieses Motiv trägt wesentlich zur Selektivität des Wasserkanals bei. Der Kanal ist in der Mitte am engsten (0,3 nm), an den beiden Öffnungen beträgt der Durchmesser 2 nm.
[Bearbeiten] Funktion
Wasser kann nur in begrenztem Maße durch die Bilipidschicht der Zellmembran diffundieren. Zellen mit sehr hoher Wasserpermeabilität, wie die renalen Tubuluszellen, sezernierende Zellen der Speicheldrüsen oder Erythrozyten benötigen für den raschen Wasseraustausch die Hilfe von Wasserkanälen. Der Unterschied zwischen Diffusion und kanalvermittelter Permeabilität ist erheblich. Diffusion ist ein Prozess, der mit geringer Kapazität in beide Richtungen durch die Membran aller Zellen abläuft. Beim Vorhandensein von spezifischen Wasserkanälen kann das Wasser fast ungehindert in Richtung des osmotischen Gradienten wandern. Die Aquaporine sind keine Pumpen oder Austauscher und zum Transport wird keine Energie verbraucht. Während die Diffusion nicht blockiert werden kann, können Quecksilberverbindungen die Kanäle verschließen.
Aquaporine sind hoch selektiv. Vor allem muss verhindert werden, dass während des Wasserdurchtritts auch Protonen weitergeleitet werden und damit der für jede Zelle lebenswichtige Protonengradient zerstört wird. (Der Protonengradient wird genutzt, um Energie aufwendige Transportvorgänge zu ermöglichen - siehe z. B. ATPasen).
Wasser liegt in der flüssigen Phase nicht als Einzelmolekül vor, sondern als ein über Wasserstoffbrückenbindungen zusammenhängendes Netzwerk. Entlang dieser Wasserstoffbrücken können Protonen über den Grotthuss-Mechanismus transportiert werden.
Um diese Protonenwanderung beim Durchtritt von Wasser zu verhindern, ist die Pore des Kanals sanduhrförmig. Die engste Stelle ist mit 2,8 nm gerade breit genug, um einem einzelnen Wassermolekül den Durchtritt zu ermöglichen. Eine positive Ladung dieser Stelle der Kanalwand stößt weiterhin Protonen und kleinere Kationen zurück. Im weiteren Verlauf der Pore erzwingen zwei versetzt gegenüberliegende positive Ladungen die Drehung des durchtretenden Wassermoleküls und machen damit die Protonenweiterleitung unmöglich. Nur wenige Interaktionsstellen von H2O und der Kanalwand ermöglichen einen schnellen Transport (bis zu 3×109 Moleküle pro Sekunde). Der Kanal arbeitet bidirektional, d. h. Wasser kann in beiden Richtungen durch den Kanal wandern.
[Bearbeiten] Bedeutung
Von physiologischer Bedeutung sind die Aquaporine vor allem in Geweben, in denen ein hoher physiologischer Fluss vorkommt, z. B. beim Aufbau des Turgordrucks in Pflanzenzellen.
- Beim Menschen regulieren die Aquaporine den Wasserhaushalt der Roten Blutkörperchen und der Zellen in Niere, Augenlinse, Gehirn, und Schnecke des Innenohres.
- Bei Lebergallengängen und Gallenblase sind Aquaporine für die Konzentration und Sekretion der Gallenflüssigkeit zuständig.
- Im Zentralnervensystem enthalten Zellen, die die Hirn-Rückenmarksflüssigkeit abgeben, Wasserkanäle. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Blut-Hirn-Schranke und treten dort in Form orthogonaler Zusammenschlüsse auf, die OAP's (orthogonal arrays of particles) genannt werden.
- In den Zellen der Blutkapillaren regeln sie Ein- und Austritt der Zwischenzellflüssigkeit.
- In den Lungenbläschen sorgen sie für den zum Gasaustausch notwendigen Flüssigkeitsfilm.
Fehlfunktionen der Aquaporine sind für Krankheiten wie Diabetes insipidus renalis, Grauer Star und Gehörverlust verantwortlich.
Quecksilberverbindungen können den Wassertransport hemmen.
[Bearbeiten] Nomenklatur
- Tiere
Wenn Aquaporine einfach durchnumeriert sind (AQP1, AQP4) bedeutet dies, dass es sich um tierische Organismen handelt. Normalerweise wird noch der entsprechende lateinische Gattungsname vorangestellt, zum Beispiel bovAQP1 (lat. bos , bovis = Rind).
- Pflanzenaquaporine werden anders benannt. So bedeutet AtTIP2;1, dass es sich um ein "tonoplast intrinsic protein" der (Modell-)Pflanze Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) handelt.
[Bearbeiten] Varianten
CHIPs (engl. channel-forming integral proteins) befinden sich in der Zellmembran von Roten Blutkörperchen und Nierenzellen. In Säugern ist die Dichte von Aquaporinen besonders hoch in Erythrocyten (ca. 200.000 Kanäle pro Zelle) sowie in den Zellen der proximalen Nierentubuli, die das Wasser bei der Harnbildung resorbieren.
AQP2, das in Zellen der Sammelrohr der Niere vorkommt (daher auch die alte Bezeichnung WCHDs von engl. water channels of colleng duct) wird in Vesikeln gespeichert. Bei Wassermangel wird von der Hypophyse das Hormon Vasopressin ausgeschüttet. Vasopressin bindet an bestimmte Membranrezeptoren der AQP2-haltiger Zellen und setzt eine Signalkaskade in Gang. Dieses veranlasst die Vesikel, mit der Zellmembran zu verschmelzen, wodurch die Resorption von Wasser aus dem Primärharn um das Zwanzigfache gesteigert wird.
TIPs (engl. tonoplast intrisic proteins) sind bei Pflanzen in die Membran der Vakuole integriert und sorgen während des Zellwachstums für die Volumenzunahme der Zelle durch Wasseraufnahme.
PIPs (engl. plasma membrane intrinsic proteins) sind ebenfalls nur bei Pflanzen zu finden und regulieren die Wasserleitung durch die Zellen. Auf diese Weise besteht neben den Wasserleitgefäßen des Xylems ein zweites Wassertransportsystem durch die übrigen Pflanzengewebe.
[Bearbeiten] Nobelpreis
Roderick MacKinnon (Rockefeller-Universität New York) und Peter Agre (Johns-Hopkins-University Baltimore) erhielten 2003 den Chemie-Nobelpreis für ihre Forschungen an Aquaporinen und Kalium-Kanälen.
