УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2012, том 132, № 2, с. 167-180
УДК 577.352.462:616.612.313
АКВАПОРИНЫ И СЛЮННЫЕ ЖЕЛЕЗЫ © 2012 г. О. И. Сукманский, А. И. Гоженко, В. И. Колиев, И. О. Сукманский
Одесский государственный аграрный университет ГП "Украинский НИИ медицины транспорта МЗ Украины", Одесса E-mail: Sukm007@gmail.com
Представлены общие сведения о водных каналах (аквапоринах), осуществляющих транспорт воды через биологические мембраны живых организмов. Кратко изложены современные представления о секреции воды и электролитов слюнными железами. Подробно рассмотрены данные о локализации и функции аквапоринов в слюнных железах, а также об их роли в патогенезе заболеваний и поражений слюнных желез, сопровождающихся ксеростомией.
Ключевые слова: аквапорины, водные каналы, слюнные железы, транспорт воды.
Механизм проникновения воды через биологические мембраны является важной проблемой общей биологии, физиологии и медицины. Открытие аквапоринов (водных каналов) является крупным достижением в решении этой проблемы и показывает общность механизмов проникновения воды через мембраны у растений, микроорганизмов, беспозвоночных и позвоночных животных [13, 14, 23]. Задача настоящего обзора - дать общие сведения об аквапоринах и рассмотреть данные об их значении для функции слюнных желез.
Открытие аквапоринов относится к началу 90-х годов минувшего столетия и связано с исследованиями американского химика и гематолога Агре [13, 14, 23]. Изучая групповые резусные антигены эритроцитов, он обнаружил неизвестный белок с молекулярной массой около 28 кДа. Тет-рамерная структура белка и высокое содержание его в почке вызвали предположение, что белок выполняет функцию канала. Клонирование кДНК показало, что белок включает 269 аминокислотных остатков, а экспрессия его в мембране ооци-тов шпористой лягушки подтвердила, что белок является водным каналом. Новый белок получил родовое название - аквапорин-1 ^иарогт-1, или ЛрР1). Дальнейшие исследования выявили новых представителей большого семейства аква-поринов, расшифровали их структуру и механизм функционирования, а Агре в 2003 г. была присуждена Нобелевская премия по химии "за открытие водных каналов" [11, 23].
К началу XXI века у животных, растений и микроорганизмов обнаружено более 200 предста-
вителей семейства аквапоринов (АКП). Из них у млекопитающих выделено 13 изоформ аквапори-нов (АКП0-АКП12) [1, 11, 13, 14]. В зависимости от селективности проницаемости они делятся на две подгруппы: 1) собственно аквапорины, проницаемые только для воды; 2) акваглицеропори-ны, пропускающие, кроме воды также глицерин и некоторые другие небольшие молекулы, в частности мочевину. Важно отметить, что обе подгруппы аквапоринов непроницаемы для протонов (Н+-ионов), что обеспечивает отсутствие реаб-сорбции этих ионов почками из первичной мочи [14]. Внутри каждой подгруппы отмечается высокая гомология последовательности аминокислот. К первой подгруппе относят АКП0, АКП1, АКП2, АКП4, АКП5, АКП6 и АКП8, а ко второй - АКП3, АКП7, АКП9 и АКП10. АКП11 и АКП12 не отнесены ни к одной из двух подгрупп и, видимо, являются третьей эволюционной ветвью мембранных каналов. Известные функциональные отличия имеются и между остальными одиннадцатью ак-вапоринами. Так, АКП0, АКП6, АКП9 и АКП10 обнаруживают более низкую проницаемость для воды по сравнению с АКП1, АКП2, АКП3, АКП4, АКП5, АКП7 и АКП8 [11, 12, 56].
По своему строению АКП являются тет-рамерами, мономеры которых представлены полипептидами, состоящими примерно из 270 аминокислотных остатков. Функциональной единицей АКП является мономер, который 6 раз пронизывает клеточную мембрану и формирует три внеклеточные (А, С, Е) и две внутриклеточные (В, Б) петли. При этом сам канал переноса воды (водную пору) формируют внутриклеточная пет-
ля В и внеклеточная - Е. Транспорт воды через мономеры аквапоринов осуществляется в обоих направлениях, а его направленность определяется осмотическим или гидростатическим градиентом. Создана пространственная модель аквапорина, согласно которой он имеет форму песочных часов, а собственно водная пора находится в наиболее узкой части канала. Каждый конец канала имеет воронкообразное преддверие, открывающееся соответственно во внеклеточное или внутриклеточное пространство. В наиболее узком месте диаметр канала составляет 2,8 А, что как раз достаточно для прохождения единичной молекулы воды. Правильность подобной модели аквапорина подтверждена кристаллографическими и рентгеноструктурными исследованиями [12, 14].
Однако механизм функционирования транспортирующих воду белков еще во многом неясен. Установлено, что транспорт воды тесно связан с транспортом ионов и других веществ. В частности, вода может котранспортироваться в К+, С1- и Ка+/К+/2С1- котранспортерах [96].
В настоящее время накоплен большой материал по исследованию аквапоринов в различных органах человека и животных, а также о их роли в патогенезе различных заболеваний. Так, АКП1 в почке отвечает за реабсорбцию воды в проксимальных канальцах, и мутация его гена вызывает умеренный нефрогенный несахарный диабет. В свою очередь АКП2 является регулируемым вазопрессином водным каналом в собирательных протоках, а мутация его гена вызывает тяжелый несахарный диабет. АКП0 экспрессируется в хрусталике глаза, а нарушение синтеза этого белка вызывает развитие катаракты. АКП4 экспресси-руется в головном мозге и играет важную роль в патогенезе развития отека мозга и в механизмах его преодоления. АКП7 в жировой ткани отвечает за освобождение глицерина во время голодания, а АКП9 обеспечивает поглощение глицерина печенью для глюконеогенеза [14].
Детальное рассмотрение вопроса о роли АКП в функции различных органов не входит в задачу обзора, так как он посвящен, прежде всего, роли аквапоринов в секреции слюны и в механизме нарушений функции слюнных желез в условиях патологии. Более подробные сведения об аквапоринах можно найти в прекрасной монографии белорусского ученого Титовца [12] и в обзорах первооткрывателя водных каналов Агре [13, 14, 23].
Известно, что слюнные железы выполняют внешнесекреторную и инкреторную (эндокрин-
ную) функцию. Они взаимосвязаны, так как многие инкреты (паротин, фактор роста нервов, фактор роста эпидермиса, ренин и др.) выделяются одновременно в кровь и слюну [8-10]. Секреция воды и электролитов в слюну тесно связаны между собой и стимулируются парасимпатическими нервами (М-холинергически). Они запускаются повышением внутриклеточного содержания Са2+ и требуют участия многочисленных транспортеров и белков каналов ионов и воды. Секреция белков (ферментов) и выделение инкретов регулируется адренергически: продукция ферментов преимущественно Р-адренергически, а инкретов -а-адренергически [10, 24, 71, 77, 80, 83]. Секреция воды и электролитов начинается в ответ на стимуляцию М-холинергических (мускариновых) рецепторов на поверхности ацинозных клеток, где медиатор ацетилхолин освобождается окончаниями парасимпатических нервов. Согласно современным представлениям, связывание аце-тилхолина его рецепторами сцеплено с активацией G-белков и повышением внутриклеточного содержания Са2+ через сигнальный путь, зависимый от фосфолипазы-С (PLC) и иннозитолтрифосфата (IP3). Повышение внутриклеточного содержания Са2+ вызывает открытие Cl-каналов, а размах направленного наружу электрохимического градиента для Cl- определяет величину вытока внутриклеточных хлоридов через апикальную мембрану ацинозных клеток. Na+ и вода следуют за Cl- в просвет ацинуса [24, 71, 80].
Так как секреция воды и электролитов тесно связаны между собой, следует коротко остановиться на закономерностях выделения минеральных веществ в слюну. Первые фундаментальные исследования секреции слюны принадлежат немецкому физиологу Гейденгайну (1868 г.) [35], который установил, что концентрация неорганических веществ в ней колеблется в широких пределах и зависит от скорости секреции: она тем выше, чем больше количество слюны, секрети-руемой в единицу времени (закон Гейденгайна). Дальнейшие исследования показали, что общее содержание электролитов, а также концентрация Na+ и Cl- в слюне всегда ниже, чем в крови. Так, при малой скорости секреции она может быть ниже показателей крови в 5-8 и более раз, а при высокой (во время пищеварительной секреции) -приближается к показателям крови. Наоборот, концентрация К+ и НСО- в слюне выше, чем в крови, и находится в обратной зависимости от скорости секреции [3, 82, 83].
Объяснение закона Гейденгайна и зависимости концентрации разных электролитов в слюне от скорости секреции было получено в 60-х годах
прошлого столетия путем проведения микро-пункционных исследований и применения метода "stop-flow анализа" (опытов с пережатием протоков слюнных желез). Эти исследования показали, что процесс секреции слюны является двухэтап-ным. На первом этапе в клетках ацинусов (концевых отделов) происходит фильтрация первичной слюны, которая по составу электролитов мало отличается от плазмы крови и межклеточной жидкости. Этот процесс запускается трансэпителиальным перемещением Cl- (см. выше). Плотные соединения ацинозных клеток обеспечивают катион-селективный путь для Na+ по электрическому градиенту в просвет ацинусов. Возникший электрический градиент NaCl вызывает движение воды в просвет ацинусов по водным каналам и через плотные соединения. В итоге образуется изо-осмолярная, плазмоподобная первичная слюна.
На втором этапе состав первичной слюны изменяется путем реабсорбции и секреции отдельных компонентов во внутридольковых протоках. У всех млекопитающих и человека они представлены исчерченными протоками (striated ducts). У грызунов (крыс, мышей и хомяков) исчерченным (стриарным) протокам предшествует другой вид внутридольковых протоков - извитые (зернистые) трубочки (convoluted, granular tubules). В обоих видах внутридольковых протоков происходит реабсорбция в кровь ионов натрия и хлорида и дополнительная секреция в просвет протока К+ и НСО- [ 80, 82, 83]. При малой скорости секреции первичная слюна медленно движется по внутридольковым протокам, вследствие чего успевает реабсорбир
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.