Вода составляет примерно 70% массы большинства живых организмов. Однако содержание ее внутри и вне клетки различно, и, как ни странно, клетка вынуждена строго регулировать поступление этого "универсального" растворителя. Этой цели служат специальные белки клеточной мембраны - аквапорины.

Зачем же клетке так тщательно заботиться о количестве такого, казалось бы, безвредного вещества, как вода? Оказывается, регуляция водного баланса внутри клеток влияет на их способность выполнять специфическую функцию, необходимую для жизни всего организма. Регулируя поступление воды и тем самым свой объем, нервные клетки, например, влияют на состояние ионных каналов, передающих нервные импульсы.

Концентрация солей, жиров, белков и углеводов внутри клетки превышает таковую снаружи, а это значит, что относительное количество воды в ней меньше, чем в тканевых жидкостях. Клетка испытывает постоянное давление воды, которому должна сопротивляться в течение всей жизни. Если сравнить под микроскопом мертвую и живую клетки из одной и той же ткани, можно сразу же заметить, что мертвая значительно больше: это вода вошла внутрь и "раздула" ее.

Хотя некоторое количество воды способно пассивно проникать через липидные слои, составляющие основу клеточных мембран, скорость и интенсивность такого водообмена явно недостаточна. Следовательно, клетке необходим специальный механизм для регуляции водных потоков. Такой механизм должен к тому же быть очень специфичным, чтобы вместе с молекулой воды не проникали вредные водорастворимые (гидрофильные) соединения, которые могут повредить ДНК, клеточные белки, либо блокировать внутриклеточные реакции.

Удовлетворению этих потребностей служит семейство мембранных каналообразующих белков, обеспечивающих быстрый транспорт воды через биологические мембраны. Эти белки называют аквапоринами, они обнаружены у всех живых организмов. Открыты аквапорины были всего лишь 10 лет назад, и с тех пор исследователи со всего мира пристально изучают их структуру и функции.

Основными свойствами, характеризующими мембранные каналы, являются селективность, скорость пропускания и механизм работы. Аквапорины в высшей степени селективны для воды, они не пропускают даже ион гидроксония (H₃O⁺). В то же время некоторые представители семейства аквапоринов помимо воды способны пропускать небольшие нейтральные молекулы, такие как глицерин или мочевина, в связи с чем и получили название акваглицеропоринов.

В настоящее время идентифицировано 10 разновидностей аквапоринов у человека. Все они имеют схожую структуру и распределены между различными тканями организма.

Рис. 1. Ленточная диаграмма структуры АП1. Белая стрелка показывает водный канал, образуемый белком.

Белок аквапорин состоит из четырех субъединиц, каждая из которых имеет индивидуальную водную пору. В первичной структуре субъединицы одного из таких белков, аквапорина 1 (АП1), обнаружены две повторяющиеся последовательности. Одна такая последовательность представляет собой три спиральных участка с короткой петлей, которые пронизывают мембрану и образуют одну половину поры. Две половинки поры ориентированы в мембране на 180° относительно друг друга и, встречаясь в центре бислоя, образуют полноценную пору. Концы цепи аквапорина расположены внутри клетки (рис.1).

Теоретически представляется, что протоны (H⁺) тоже могли бы проходить через канал за счет временного взаимодействия с молекулами воды, связанными водородными связями. Однако особенности строения канала АП1 препятствуют этому.

Первый барьер для протона локализуется в самом узком участке АП1. В этом месте канал образован такими аминокислотами, как аргинин, фенилаланин и гистидин. Диаметр поры в этом участке составляет 2.8 ангстрема, что примерно соответствует размерам молекулы воды, а остаток аргинина несет положительный заряд, отталкивающий протонированную воду (H₃O⁺).

Рис. 2.Схематическая архитектура канала в субъединице АП1. Водная пора показана голубым цветом. Четыре молекулы воды, проходящие через канал и взаимодействующие с остатками аминокислот, выделены яркими цветами.

Вторым барьером для протона является сильный диполь, образуемый двумя короткими спиральными участками поры, встречающимися в центре белка. Эти частичные заряды, а также остатки аспарагина участвуют в переориентации молекул воды, проходящих через канал. Вследствие этого прерываются водородные взаимодействия между молекулой воды, находящейся в этом участке, и молекулами воды над и под ней, чем устраняется возможность для прохождения протона (рис. 2).

Хотя аквапорины не являются единственными молекулами, отвечающими за транспорт воды в клетку, предполагается, что они принимают участие в развитии ряда наследственных и приобретенных заболеваний, в том числе таких, как отек мозга, цирроз, сердечная недостаточность, глаукома, поэтому столь важным представляется дальнейшее изучение тонких структур и механизмов работы этих белков.

J Clin Invest 2002, 109(10) Kozono D., Yasui M., King L.S., Agre P.

Г.П.