Aquaporin

Alle bislang (2024) erforschten Aquaporine weisen eine ähnliche chemische Struktur auf. Die Primärstruktur besteht aus sechs α-Helices, die über 5 Loops (A-E) miteinander verbunden sind. Diese Loops bilden zusammen den extrazellulären und zytoplasmatischen Eingang des Aquaporins. Die Loops B und E formen jeweils eine Halbpore, die zusammen einen Wasserkanal darstellen. Diese Pore hat nach auf Computersimulationen basierenden Berechnungen eine Länge von etwa 2 nm und einen Durchmesser von 0,3 nm an der engsten Stelle. Diese Maße verhindern den Durchtritt größerer Moleküle. In der Zellmembran lagern sich Aquaporine zu Tetrameren aus vier Einzelmolekülen zusammen.

Insgesamt sind beim Menschen 13 verschiedene Aquaporine bekannt, von denen 9 in der Niere exprimiert werden. Die am besten erforschten Aquaporine sind Aquaporin 1, 2, 3 und 4. Aquaporin 1 ist Träger des Blutgruppensystems Colton. Das durch eine seltene Mutation hervorgerufene Fehlen von Aquaporin 3 determiniert das Blutgruppensystem GIL.

Aquaporine sind systematisch durchnummeriert. Sie lassen sich anhand ihrer Selektivität in 3 Untergruppen einteilen:

• Orthodoxe Aquaporine
  • Aquaporin-0 (AQP0)
  • Aquaporin-1 (AQP1)
  • Aquaporin-2 (AQP2)
  • Aquaporin-4 (AQP4)
  • Aquaporin-5 (AQP5)
  • Aquaporin-6 (AQP6)
  • Aquaporin-8 (AQP8)
• Aquaglyceroporine
  • Aquaporin-3 (AQP3)
  • Aquaporin-7 (AQP7)
  • Aquaporin-9 (AQP9)
  • Aquaporin-10 (AQP10)
• Unorthodoxe bzw. Super-Aquaporine
  • Aquaporin-11 (AQP11)
  • Aquaporin-12 (AQP12)

Durch die Größe der Pore sind Aquaporin-Proteine nur durchlässig für kleine Moleküle, vor allem H₂O. Allerdings ist bisher nicht klar verstanden, wie Aquaporine zwischen Wassermolekülen und den in der Größe etwa gleichen Hydronium-Ionen trennen können. Dies ist wichtig, um die Diffusion von Wasser bei gleichzeitigem Zurückhalten von Ladungsträgern zu ermöglichen; außerdem ermöglicht die Selektivität der Aquaporine den Aufbau eines pH-Gradienten über eine Membran.

Ein Aquaporin-Molekül ist in der Lage, pro Sekunde bis zu 3 x 10⁹ Wassermoleküle durch erleichterte Diffusion passieren zu lassen. Eine besondere Rolle kommt hierbei dem Aquaporin 2 zu, das als einziges Aquaporin durch ADH kontrolliert wird. Eine erhöhte Konzentration von ADH führt zu einer verstärkten Translation von Aquaporin 2 und zur Verschmelzung des in Vesikeln vorliegenden Proteins mit der apikalen Membran. So wird bei Hypovolämie mehr Wasser im Sammelrohr rückresorbiert und ans Blut abgegeben (Gauer-Henry-Reflex).

Aquaporine sind ubiquitär vorkommende Proteine; sie lassen sich in Bakterien, Pflanzen und Tieren finden.

Biologische Relevanz beim Menschen haben die Aquaporine besonders in Erythrozyten, den Tubulusepithelzellen der Nieren, der Augenlinse und bestimmten Zellen des Gehirns. Aquaporin-5 ist u.a. an der apikalen Membran des Alveolarepithels lokalisiert und verleiht dieser eine hohe osmotische Permeabilität.

• Preston et al. Isolation of the cDNA for erythrocyte integral membrane protein of 28 kilodaltons: member of an ancient channel family. Proc Natl Acad Sci USA. 1991
• Preston et al. Appearance of water channels in Xenopus oocytes expressing red cell CHIP28 protein. Science. 1992
• Azad AK et al.; Human Aquaporins: Functional Diversity and Potential Roles in Infectious and Non-infectious Diseases; Front Genet. 2021; 12: 654865; Published online 2021 Mar 16.