= ОБЗОР
581.1
АКВАПОРИНЫ: СТРОЕНИЕ, СИСТЕМАТИКА И ОСОБЕННОСТИ РЕГУЛЯЦИИ
© 2004 г. А. Ю. Шапигузов
Институт физиологии растений им. К. А. Тимирязева Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 13.05.2003 г.
В обзоре сформулированы современные представления о молекулярном строении, систематике и функциональной регуляции аквапоринов, недавно открытого класса канальных белков, играющих важнейшую роль в транспорте воды через клеточные мембраны большинства живых организмов.
Аквапорины - клеточные мембраны - водный баланс
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 1, с. 142-152
УДК
Многоклеточные организмы выработали специализированные ткани, в которых поток воды не встречает на своем пути препятствий. И все же важнейшей составляющей водного транспорта является перенос молекул воды через клеточные мембраны [1].
Способность контролировать перемещение воды и растворенных в ней веществ внутрь или наружу имеет для клетки огромное значение. Клеточные мембраны представляют собой чрезвычайно сложные избирательные фильтры, регулирующие транспорт ионов, органических веществ и воды. В настоящее время представления о строении и функциях мембран стремительно расширяются [2]. Открыты и изучены многочисленные трансмембранные белки-переносчики, но, несмотря на этот прогресс, молекулярные основы трансмембранного транспорта воды до недавних пор оставались совершенно неясными. Водную проницаемость биологических мембран объясняли диффузией воды через липидный бис-лой. Известны, однако, физиологические процессы, связанные с интенсивной "переброской" больших объемов воды или с быстрым изменением водной проницаемости мембран. Эти явления невозможно объяснить диффузией воды через липиды, что заставило предположить существование переносчиков воды белковой природы.
Первый из таких переносчиков обнаружили в эритроцитах млекопитающих, мембране которых свойственна очень высокая водная проницаемость [3]. Сначала было показано, что транспорт воды ингибируется ртуть-органическими соеди-
Адрес для корреспонденции: Шапигузов Алексей Юрьевич. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 07 (095) 977-93-72; электронная почта: shapiguzov@hotmail.com
нениями и HgCl2, что указывало на участие в этом процессе белка [4]. Позже соответствующий полипептид был выделен и назван CHIP28 (channellike integral protein of 28 kDa - "каналоподобный" интегральный белок c мол. м. 28 кД) [5, 6]. Гомологичные ему белки были обнаружены и в других тканях млекопитающих. Один из таких белков, активно экспрессирующийся в клетках хрусталика глаза, был уже давно известен и назывался MIP (major intrinsic protein of lens - преобладающий мембранный белок хрусталика), однако функция его оставалась неясной [7]. В дальнейшем гомологичные белки стали обнаруживаться во многих организмах, иногда в очень больших количествах [8], и их транспортная активность получила новые подтверждения. Был введен термин "аквапорины" (Aqp, aquaporins), а CHIP28 стал называться Aqpl [9]. Впрочем, в литературе иногда встречается и другое название аквапоринов - "семейство MIP".
В настоящее время число известных аквапоринов превышает двести, причем значительную часть семейства составляют представители растений [10]. Только в геноме Arabidopsis thaliana обнаружено 35 генов аквапоринов [11-13], а у Zea mays -более 30 [14].
Транспорт воды оказался процессом, крайне трудным для количественной оценки. В отличие от трансмембранного переноса ионов, при котором изменяется мембранный потенциал, транспорт воды, как правило, можно оценить лишь по осмотическим изменениям клеточного объема, точно измерить которые часто бывает непросто [15]. Кроме того, повсеместная распространенность воды и ее активная диффузия через липидный бислой создают при измерениях высокий фон.
Важную роль в исследовании водных переносчиков сыграло использование ооцитов лягушки Xenopus [16]. Мембраны этих клеток отличаются очень низкой собственной проницаемостью для
воды. Если инъецировать в ооцит информационную РНК, то она, как правило, экспрессируется в функционально активный белок. После такой инъекции мРНК гена aqpl водная проводимость мембраны ооцита многократно увеличивалась, клетка быстро набухала и лизировала в гипоос-мотическом буфере. При этом, сравнивая кинетику изменения объема ооцитов, экспрессирующих Aqpl, и контрольных ооцитов, можно было оценить активность исследуемого белка.
Другой важный метод исследования аквапори-нов состоит в изучении их активности в составе протеолипосом [17].
Изучение свойств аквапоринов позволило сделать ряд важных заключений.
(1) Многие аквапорины существенно снижают энергию активации трансмембранного переноса воды. Скорость прохождения молекулы воды через канал приближается к скорости ее диффузии в объеме воды [17, 18]. (2) Аквапорины пропускают воду двунаправленно, и направление транспорта определяется физическими условиями среды [19, 20]. (3) Транспорт воды пассивен, т.е. он не сопровождается энергетическими затратами и направлен по градиенту водного потенциала [20].
(4) Аквапоринам свойственна высокая селективность. Обычно транспорт воды не сопровождается переносом каких-либо ионов, в том числе протонов, через клеточную мембрану [21, 22].
(5) Многие аквапорины чувствительны к действию ртуть-содержащих ингибиторов. Атомы ртути связываются с консервативными остатками цистеина и, по-видимому, стерически блокируют прохождение воды через канал [23, 24]. Существуют также свидетельства конформационных изменений в аквапоринах под действием ртути [25].
Некоторые аквапорины оказались специфичными не только и не столько для воды, сколько для глицерина или ряда других веществ [26], включая газообразные [20, 27]. Некоторые аквапорины, в том числе растительные, проницаемы для формамида [28] или мочевины [29]. Какова субстратная специфичность этих белков в растениях in vivo, остается неясным. Существуют свидетельства проницаемости аквапоринов для этанола и метанола, но собственная диффузия спиртов через липидный бислой чрезвычайно затрудняет изучение этого явления [30]. Показана проницаемость аквапоринов Chara corallina для Н2О2 [31].
Экспрессия Aqp1 увеличивает проницаемость мембраны ооцитов Xenopus для СО2 [32], хотя физиологическая значимость этого свойства для млекопитающих in vivo подвергается сомнению в ряде работ [33, 34]. Транспорт СО2 через мембрану можно заингибировать ртуть-органическими соединениями у цианобактерии Synechococcus [35] и в растениях [36]. Это свидетельствует в пользу СО2-транспортной активности аквапоринов и
позволяет предположить их участие в работе фотосинтетического аппарата, хотя на сегодняшний день этот вопрос остается малоизученным. Возможно, некоторые аквапорины проницаемы и для других газов, в том числе для O2, NH3 и NO [27]. При исследовании этого свойства снова встает проблема высокой проницаемости липидов для указанных веществ [37].
Небольшая доля молекул Aqpl, экспрессиру-ющихся в ооцитах Xenopus, становится проницаемой для ионов Na+ после инъекции в клетку циклического ГМФ [38]. По-видимому, связывание цГМФ ведет к открыванию в аквапорине катион-ного канала. Скорее всего, в формировании водной и катионной пор участвуют разные области белка (см. ниже) [39]. На сегодняшний день ионная проницаемость показана также для Aqp0 [40-42], Aqp6 [43, 44] и растительного аквапорина Nod26 [45]. Дальнейшее изучение этого явления может оказаться важным для понимания тонкой регуляции трансмембранных потенциалов.
СТРОЕНИЕ АКВАПОРИНОВ
Выявление функциональных особенностей аквапоринов поставило перед исследователями целый ряд интригующих вопросов. Непонятно было, за счет чего достигаются столь высокая скорость и селективность транспорта воды. Ответы на эти вопросы связаны с пониманием строения аквапоринов.
Аквапорины - небольшие, очень гидрофобные трансмембранные белки. Их отличительная особенность - наличие внутренней гомологии между двумя половинами молекулы. Повторы ориентированы в одном направлении. Скорее всего, ген аквапорина возник в результате дупликации [10].
Шесть трансмембранных а-спиральных доменов белка формируют в плоскости мембраны "бочонок". N- и С-концы направлены в цитоплазму, и с их помощью осуществляется специфическая регуляция активности аквапорина. На одной из цитоплазматических и на одной из внешних соединительных петель образуются два коротких а-спиральных домена, которые с противоположных сторон вставлены в "бочонок" навстречу друг другу. Эти домены участвуют в формировании водного канала. Их вершины тесно сближены внутри молекулы (рис. 1). На каждой из вершин содержится мотив NPA (Асн-Про-Ала), консервативный для всех аквапоринов, за редким исключением [14, 46]. Такая структура получила название "модели песочных часов" (hourglass model) [19, 47].
Аквапорины образуют в мембране гомотетра-меры [48, 49]. Вероятно, это свойство необходимо для правильного сворачивания и стабильности
Рис. 1. Схема третичной структуры молекулы аквапорина.
Гомологичные половины полипептида окрашены с разной интенсивностью. Трансмембранные а-спиральные домены пронумерованы. На двух соединительных петлях отмечены короткие а-спиральные домены. Область канала обозначена стрелкой.
белка, а также для сортинга и посттрансляционных модификаций, в том числе гликозилирования. Каждая из четырех субъединиц в составе комплекса образует независимый водный канал, а пора, обеспечивающая вышеупомянутый цГМФ-зависи-мый ионный транспорт, лежит вдоль оси тетраме-ра (рис. 2) [39]. Устойчивость четвертичной струк-
Рис. 2. Схема четвертичной структуры тетрамера Ляр1.
Водные каналы внутри мономеров обозначены черными кольцами, а предположительный участок ионного канала - крестом.
туры отличается в разных филогенетических кластерах аквапоринов: тетрамеры аквапоринов с глицериновой специфичностью менее прочны [50].
Наиболее полные сведения о строении водного канала были получены после кристаллизации Аор1 [51] и его последующего рентгеноструктур-ного анализа [52, 53]. Скорее всего, структурные особенности, открытые на Аор1, свойственны и другим пр
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.