Akvaporiny

Voda je hlavní organickou sloučeninou v těle všech živých organizmů a pohyby vody do buněk a z buněk jsou neodmyslitelnou součástí mnoha životních procesů. Volnému pohybu vody stojí v cestě především plazmatická membrána na povrchu každé buňky. Je velmi tenká (cca 7 nanometrů čili 7.10^–9 m), ale díky přítomnosti dvojité vrstvy molekul lipidů pro vodu jen málo propustná. Pouhou difuzí prochází přes plazmatickou membránu pouze malé množství vody; jde zřejmě o molekuly, které jsou propouštěny mezerami mezi molekulami lipidů při jejich tepelném pohybu. Pro to svědčí i výrazná závislost tohoto procesu na teplotě. Již dlouho je známo, že membrány mnohých buněk (např. savčích červených krvinek, živočišných epitelů a řady rostlinných buněk) propouštějí vodu podstatně rychleji. Tento typ přenosu je méně závislý na teplotě a lze jej zablokovat pomocí rtuťnatých iontů. Byl dlouho vysvětlován snadnějším průnikem vody "podél bílkovin" zanořených v lipidové vrstvě membrány, spekulovalo se však i o specifických pórech (kanálech), propouštějících právě a jen molekuly vody. Zdá se, že výzkum nyní přináší potvrzení posledně uvedené představy (Trends in Biochemical Sciences 19, 421–425, 1994).

Již v roce 1984 byla popsána bílkovina vyskytující se ve velkém množství v oční čočce, jejíž struktura napovídala, že patří k bílkovinám schopným vytvářet membránové kanály. Do dnešní doby byla objevena celá "rodina" dalších příbuzných bílkovin, čítající již více než 20 členů. Členové této rodiny byli nalezeni v tkáních obratlovců i nižších živočichů, v zelených rostlinách, kvasinkách i bakteriích. Jde o menší bílkoviny s molekulovou hmotností okolo 30 000, obsahující šest hydrofobních úseků (domén), které jsou patrně (podobně jako u mnoha jiných membránových bílkovin) zanořeny do lipidové membrány a procházejí jí z jedné strany na druhou. Bylo potvrzeno umístění těchto bílkovin v buněčných membránách, a to nejen v plazmatické membráně, ale např. i v tonoplastu – blance obklopující vakuoly rostlinných buněk. U naprosté většiny zkoumaných bílkovin byla nalezena jasná souvislost s přenosem vody přes membránu v pokusech na živých (např. vajíčka žáby drápatky) i na umělých (lipozomy – váčky uzavřené lipidovou membránou) modelech. Popsané bílkoviny podle všeho vytvářejí v membráně skutečný pór – kanál, jímž procházejí molekuly vody. Původně se myslelo, že k vytvoření kanálu je nutné seskupení čtyř molekul akvaporinů (tvorba tetrameru), mezi nimiž vzniká samotný pór. Nová měření však ukázala, že voda prochází každou podjednotkou čtveřice zvlášť. Kanál se proto vytváří spíše mezi výše zmíněnými transmembránovými doménami každé molekuly akvaporinu. Dále je známo, že přenos je vysoce specifický – propuštěna je pouze voda a kanálem neprocházejí ani odvozené ionty (H⁺ resp. H₃O⁺, OH^–), ani jiné malé polární molekuly (např. močovina). Podle toho musí být průměr vodního kanálu či jeho "hrdla" menší než asi 0,2 nanometru. Propustnost kanálu je odhadována na 2 – 4.10⁹ vodních molekul za sekundu. Voda vytváří nepřetržitý proud a nepřenáší se tedy v dávkách , "po kapkách". Přenos je možno vratně zastavit přidáním rtuťnatých iontů, které se vážou na aminokyselinu cystein, jejíž čtyři zbytky se nacházejí právě u vstupu do předpokládaného kanálu. Jestli průchod vody může regulovat či zastavit sama buňka, není dosud známo, podle výsledků pokusů na červených krvinkách to však není pravděpodobné.

Moderní imunochemické metody umožnily prokázat, že nejprozkoumanější lidský akvaporin, označovaný zkratkou CHIP, je přítomen v těle právě tam, kde dochází k velkým přesunům vody – v ledvinných kanálcích zahušťujících moč, tkáni reprodukující mozkomíšní mok, mnoha epitelech, tkáních přední komory oční, výstelce cév aj. Chybí však např. ve slinných a slzních žlázách a v dalších tkáních, kde je pravděpodobně zastoupen jinými akvaporiny. U rostlin se akvaporiny podílejí na vedení vody od kořenů k listům, zvětšování objemu buněk při růstu, reakci na stres z nedostatku vody i udržení buněčného napětí (turgoru). Intenzivně probíhající výzkum přinese jistě ještě mnoho zajímavých zjištění, k nimž může patřit i odhalení změn (mutací) ve struktuře akvaporinů jako příčin některých dědičných chorob člověka.