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Tutorial MenueTransport und TransportmoleküleLerneinheit 3 von 3

Porine

Aquaporin AQP-1

Die Struktur des AQP-1 wurde vor allem durch elektronenmikroskopische Methoden entschlüsselt. Den Wissenschaftlern vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie gelang es mit Hilfe atomar aufgelöster Computer-Simulationen im Detail und in Echtzeit, die Bewegung einzelner Wasser-Moleküle durch einen Aquaporin-Kanal zu verfolgen. Dabei konnten folgende Fragen geklärt werden:

Struktur des Aquaporins AQP-1

Die Aquaporin-Proteine lagern sich in die Membran ein und bilden so die eigentlichen Wasserporen. Die meisten Aquaporine besitzen mehrere transmembrane Durchgänge, so z.B. AQP-1 vier und AQP-2 sechs Durchgänge.

Die Wände der Pore sind durch sechs transmembranen Helices (H1-H6) geformt, die N- und C-Termini liegen intrazellulär. Zwei hochkonservierte Sequenzmotive Asparagin-Prolin-Alanin (NPA) in den Schleifen HB und HE bilden den Wasserkanal der Pore.

Wie lassen sich die extrem hohen Wassertransportraten (3109 Wasser-Moleküle/Sekunde) mit der Aquaporin-Struktur erklären?

Eine bestimmte Anordnung von hydrophoben und ionisierbaren Aminosäuren bedingt eine passende Ausrichtung der Wasser-Moleküle. Die ionisierbaren Aminosäuren können dann nacheinander Wasserstoff-Brücken zu den Wasser-Molekülen ausbilden und kontrollieren so ihre Bewegung und gleichzeitig eine exakte Orientierung im Kanal. Diese präzise Steuerung des Durchgangs der Wasser-Moleküle führt zu hohen Durchflussraten.

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Abb.1

Die sechs transmembranen Helices des AQP-1. Die grauen Bereiche sind die Sequenzmotive NPA mit den Aminosäuren Asn 192 und Asn 76 in den Schleifen HB und HE.

Abb.2

Die eine Seite der Pore kleiden vier hydrophobe Aminosäuren aus (Ile, Phe, Leu, Val). Auf der anderen Seite der Pore befinden sich zwei Asparagin-Seitenketten.

Wie funktioniert der selektive Ausschluss von Protonen beim Wassertransport durch die Pore?

Protonen werden durch das Lösungsmittel Wasser über die Wasserstoff-Brücken übertragen, die kontinuierlich zwischen den Wasser-Molekülen gebildet und wieder gelöst werden. Um die Wasserstoff-Brücken um ein Wasser-Molekül herum zu lösen, ist eine Zufuhr von Dehydratationsenergie notwendig. Damit dieser endotherme Prozess möglich ist, müssen dem Wasser-Molekül alternative Bindungspartner angeboten werden.

Protonensprung-Mechanismus im Wasser

Abb.3
Protonenfilter-Region im Aquaporin-1

Zwei bestimmte Regionen der Pore verhindern den Durchfluss der Protonen. Sie enthalten positiv geladene Aminosäuren (Arg 195 oder Asn 192, Asn 76), die gegenüber unpolaren Aminosäureresten angeordnet sind. Diese Bereiche im Kanal fungieren als Protonenfilter.

Durch die genaue Ausrichtung der Wasser-Moleküle werden hier die zwischenmolekularen Wasserstoff-Brücken gelöst; es bilden sich nun ebenso starke H-Brücken zwischen den Wasser-Molekülen und den Aminosäuren aus. Dadurch ist der Weg durch den Kanal für die Protonen unterbrochen.

Literatur

de Groot, B. L.; Grubmüller, H. (2001): Water Permeation Across Biological Membranes. In: Science. 294 , 2353-2357
Heymann, J. B.; Engel, A. (1999): Aquaporins; Phylogeny, Structure, and Physiology of Water Channels. In: News Physiol. Sci.. 14 , 187-193
Murata, K.; Mitsuoka, K.; Hirai, T.; Walz, T.; Agre, P.; Heymann, J. B.; Engel, A.; Fujiyoshi, Y. (2000): Structural determinants of water permeation through aquaporin-1. In: Nature. 407 , 599-605

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