Aquaporine - Aquaporin

Aquaporine
Aquaporine-Sideview.png
Structure cristallographique de l'aquaporine 1 ( AQP1 ) PDB 1j4n
Identifiants
symbole Aquaporine
Pfam PF00230
InterPro IPR000425
PROSITE PDOC00193
SCOP2 1fx8 / SCOPe / SUPFAM
TCDB 1.A.8
superfamille OPM 7
protéine OPM 2zz9

Les aquaporines , également appelées canaux d'eau , sont des protéines de canal d'une famille plus large de protéines intrinsèques majeures qui forment des pores dans la membrane des cellules biologiques , facilitant principalement le transport de l' eau entre les cellules . Les membranes cellulaires de diverses bactéries , champignons , cellules animales et végétales contiennent des aquaporines à travers lesquelles l' eau peut entrer et sortir plus rapidement de la cellule qu'en diffusant à travers la bicouche phospholipidique. Les aquaporines ont six domaines alpha-hélicoïdaux transmembranaires avec des terminaisons carboxylique et amino du côté cytoplasmique. Deux boucles hydrophobes contiennent de l' asparagine - proline - alanine conservée ("motif NPA") qui forment un tonneau entourant une région centrale semblable à un pore qui contient une densité de protéines supplémentaire. Parce que les aquaporines sont généralement toujours ouvertes et sont répandues dans à peu près tous les types de cellules, cela conduit à une idée fausse selon laquelle l'eau traverse facilement la membrane cellulaire vers le bas de son gradient de concentration. L'eau peut traverser la membrane cellulaire par simple diffusion car c'est une petite molécule, et par osmose , dans les cas où la concentration d'eau à l'extérieur de la cellule est supérieure à celle de l'intérieur. Cependant, l'eau étant une molécule polaire, ce processus de diffusion simple est relativement lent et la majorité de l'eau passe à travers l'aquaporine.

Le prix Nobel de chimie 2003 a été décerné conjointement à Peter Agre pour la découverte des aquaporines et à Roderick MacKinnon pour ses travaux sur la structure et le mécanisme des canaux potassiques .

Des anomalies génétiques impliquant les gènes de l' aquaporine ont été associées à plusieurs maladies humaines, notamment le diabète insipide néphrogénique et la neuromyélite optique .

Histoire

Le mécanisme de transport facilité de l'eau et l'existence probable de pores d'eau attirent les chercheurs depuis 1957. Dans la plupart des cellules, l'eau entre et sort par osmose à travers le composant lipidique des membranes cellulaires. En raison de la perméabilité à l'eau relativement élevée de certaines cellules épithéliales , on a longtemps soupçonné l'existence d'un mécanisme supplémentaire pour le transport de l'eau à travers les membranes. Solomon et ses collègues ont effectué des travaux pionniers sur la perméabilité à l'eau à travers la membrane cellulaire à la fin des années 1950. Au milieu des années 1960, une hypothèse alternative (le « modèle de partition-diffusion ») cherchait à établir que les molécules d'eau se partageaient entre la phase aqueuse et la phase lipidique puis diffusaient à travers la membrane, la traversant jusqu'à l'interphase suivante où elles laissaient la lipide et remis en phase aqueuse. Les études de Parisi, Edelman, Carvounis et al. accentué non seulement l'importance de la présence de canaux d'eau mais aussi la possibilité de réguler leurs propriétés de perméabilité. En 1990, les expériences de Verkman ont démontré l'expression fonctionnelle des canaux d'eau, indiquant que les canaux d'eau sont effectivement des protéines.

Découverte

Ce n'est qu'en 1992 que la première aquaporine, « l'aquaporine-1 » (à l'origine connue sous le nom de CHIP 28), a été signalée par Peter Agre , de l'Université Johns Hopkins . En 1999, avec d'autres équipes de recherche, Agre a rapporté les premières images à haute résolution de la structure tridimensionnelle d'une aquaporine, à savoir l'aquaporine-1. D'autres études utilisant des simulations de superordinateur ont identifié la voie de l'eau lorsqu'elle se déplaçait dans le canal et ont démontré comment un pore peut permettre à l'eau de passer sans le passage de petits solutés. La recherche pionnière et la découverte ultérieure de canaux d'eau par Agre et ses collègues ont valu à Agre le prix Nobel de chimie en 2003. Agre a déclaré avoir découvert les aquaporines "par hasard". Il avait étudié les antigènes du groupe sanguin Rh et avait isolé la molécule Rh, mais une deuxième molécule, de 28 kilodaltons (et donc appelée 28K) continuait à apparaître. Au début, ils pensaient qu'il s'agissait d'un fragment de molécule Rh, ou d'un contaminant, mais il s'est avéré qu'il s'agissait d'un nouveau type de molécule avec une fonction inconnue. Il était présent dans des structures telles que les tubules rénaux et les globules rouges, et lié à des protéines d'origines diverses, telles que le cerveau de la mouche des fruits , les bactéries, le cristallin et les tissus végétaux.

Cependant, le premier rapport sur le transport de l'eau par les protéines à travers les membranes a été rédigé par Gheorghe Benga et d'autres en 1986, avant la première publication d'Agre sur le sujet. Cela a conduit à une controverse selon laquelle le travail de Benga n'avait pas été suffisamment reconnu ni par Agre ni par le Comité du prix Nobel.

Fonction

Illustration de la molécule d'aquaporine

Les aquaporines sont « le système de plomberie des cellules ». L'eau se déplace à travers les cellules de manière organisée, le plus rapidement dans les tissus qui ont des canaux d'eau aquaporine. Pendant de nombreuses années, les scientifiques ont supposé que l'eau fuyait à travers la membrane cellulaire, et une partie de l'eau le fait. Cependant, cela n'expliquait pas comment l'eau pouvait se déplacer si rapidement à travers certaines cellules.

Les aquaporines conduisent sélectivement les molécules d' eau à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule, tout en empêchant le passage des ions et autres solutés . Aussi connues sous le nom de canaux d'eau, les aquaporines sont des protéines des pores membranaires intégrales. Certaines d'entre elles, appelées aquaglycéroporines , transportent également d'autres petites molécules dissoutes non chargées, notamment l'ammoniac, le CO 2 , le glycérol et l'urée. Par exemple, le canal aquaporine 3 a une largeur de pores de 8 à 10 Ångströms et permet le passage de molécules hydrophiles comprises entre 150 et 200 Da . Cependant, les pores de l'eau bloquent complètement les ions dont les protons , indispensables pour conserver la différence de potentiel électrochimique de la membrane .

Les molécules d'eau traversent le pore du canal en file indienne. La présence de canaux d'eau augmente la perméabilité de la membrane à l'eau. Ceux-ci sont également essentiels pour le système de transport de l'eau dans les plantes et la tolérance à la sécheresse et aux stress salins.

Structure

Diagramme schématique de la structure 2D de l'aquaporine 1 ( AQP1 ) représentant les six hélices alpha transmembranaires et les cinq régions de boucle interhélicoïdale AE
La structure 3D de l'aquaporine Z mettant en évidence le canal d'eau en forme de « sablier » qui traverse le centre de la protéine

Les protéines d'aquaporine sont composées d'un faisceau de six hélices transmembranaires . Ils sont incrustés dans la membrane cellulaire. Les extrémités amino et carboxyle font face à l'intérieur de la cellule. Les moitiés amino et carboxyle se ressemblent, répétant apparemment un motif de nucléotides. Certains chercheurs pensent que cela a été créé par le doublement d'un gène autrefois demi-taille. Entre les hélices se trouvent cinq régions (A - E) qui se bouclent dans ou hors de la membrane cellulaire, deux d'entre elles hydrophobes (B, E), avec un motif asparagine-proline-alanine ("motif NPA"). Ils créent une forme de sablier distinctive, rendant le canal d'eau étroit au milieu et plus large à chaque extrémité.

Un autre endroit encore plus étroit dans le canal est le « filtre de sélectivité ar/R », un amas d'acides aminés permettant à l'aquaporine de laisser passer ou de bloquer sélectivement le passage de différentes molécules.

Les aquaporines forment des amas en quatre parties (tétramères) dans la membrane cellulaire, chacun des quatre monomères agissant comme un canal d'eau. Différentes aquaporines ont des canaux d'eau de tailles différentes, les plus petits types ne laissant passer que de l'eau.

Les profils aux rayons X montrent que les aquaporines ont deux entrées coniques. Cette forme de sablier pourrait être le résultat d'un processus de sélection naturelle vers une perméabilité optimale. Il a été montré que des entrées coniques avec un angle d'ouverture approprié peuvent en effet fournir une grande augmentation de la perméabilité hydrodynamique du canal.

motif NPA

Les canaux d'aquaporine apparaissent dans les simulations pour ne laisser passer que l'eau, car les molécules font effectivement la queue en file indienne. Guidé par le champ électrique local de l'aquaporine, l'oxygène de chaque molécule d'eau est tourné vers l'avant à l'entrée, tournant à mi-chemin et repartant avec l'oxygène tourné vers l'arrière. Pourquoi cette rotation se produit n'est pas encore tout à fait clair. Certains chercheurs ont identifié un champ électrostatique généré par les deux demi-hélices d'aquaporine HB et HE comme raison. D'autres ont suggéré que les liaisons hydrogène entre les acides aminés de l' asparagine dans les deux régions NPA et l'oxygène dans l'eau provoquent la rotation. On ne sait toujours pas si la rotation des molécules d'eau a une signification biologique. Les premières études ont émis l'hypothèse que l'orientation "bipolaire" des molécules d'eau bloque le flux de protons via le mécanisme de Grotthuss . Des études plus récentes remettent en question cette interprétation et mettent l'accent sur une barrière électrostatique comme raison du blocage des protons. Dans ce dernier point de vue, la rotation des molécules d'eau n'est qu'un effet secondaire de la barrière électrostatique. À l'heure actuelle (2008), l'origine du champ électrostatique fait débat. Alors que certaines études ont principalement considéré le champ électrique généré par les demi-hélices HB et HE de la protéine, d'autres ont mis l'accent sur les effets de désolvatation lorsque le proton pénètre dans le pore étroit de l'aquaporine.

filtre de sélectivité ar/R

Représentation schématique du mouvement de l'eau à travers le filtre de sélectivité étroit du canal d'aquaporine

Le filtre de sélectivité aromatique/arginine ou "ar/R" est un groupe d'acides aminés qui aident à se lier aux molécules d'eau et excluent d'autres molécules qui peuvent essayer d'entrer dans le pore. C'est le mécanisme par lequel l'aquaporine est capable de lier sélectivement les molécules d'eau (et donc de les laisser passer) et d'empêcher d'autres molécules d'entrer. Le filtre ar/R est constitué de deux groupes d'acides aminés des hélices B (HB) et E (HE) et de deux groupes de la boucle E (LE1, LE2), des deux côtés du motif NPA. Sa position habituelle est de 8 Å sur la face externe du motif NPA ; il s'agit généralement de la partie la plus étroite du canal. Son étroitesse affaiblit les liaisons hydrogène entre les molécules d'eau, permettant aux arginines, qui portent une charge positive, d'interagir avec les molécules d'eau et de filtrer les protons indésirables.

Répartition des espèces

Chez les mammifères

Il existe treize types connus d'aquaporines chez les mammifères, et six d'entre eux sont localisés dans le rein, mais l'existence de bien d'autres est suspectée. Les aquaporines les plus étudiées sont comparées dans le tableau suivant :

Taper Emplacement Fonction
Aquaporine 1 Réabsorption d'eau
Aquaporine 2 Réabsorption d'eau en réponse à l' ADH
Aquaporine 3 Réabsorption d'eau et perméabilité au glycérol
Aquaporine 4 Réabsorption d'eau

Dans les plantes

Chez les plantes, l'eau est extraite du sol par les racines, où elle passe du cortex aux tissus vasculaires. Il existe trois voies pour que l'eau s'écoule dans ces tissus, appelées voies apoplastique, symplasique et transcellulaire. Plus précisément, les aquaporines se trouvent dans la membrane vacuolaire, en plus de la membrane plasmique des plantes ; la voie transcellulaire implique le transport de l'eau à travers le plasma et les membranes vacuolaires. Lorsque les racines des plantes sont exposées au chlorure mercurique , qui est connu pour inhiber les aquaporines, le débit d'eau est fortement réduit alors que le débit d'ions ne l'est pas, soutenant l'idée qu'il existe un mécanisme de transport de l'eau indépendant du transport des ions : les aquaporines .

En plus du maintien d'une osmolarité cytosolique normale, les aquaporines peuvent jouer un rôle majeur dans la croissance en extension en permettant un afflux d'eau dans les cellules en expansion - un processus nécessaire pour soutenir le développement des plantes.

Les aquaporines végétales sont également importantes pour la nutrition minérale et la détoxification ionique qui sont toutes deux essentielles à l'homéostasie du bore, du silicium, de l'arsenic et du bicarbonate.

Les aquaporines des plantes sont séparées en cinq sous-familles ou groupes homologues principaux :

  • Protéine Intrinsèque de la Membrane Plasma (PIP)
  • Tonoplast Protéine Intrinsèque (TIP)
  • Noduline-26 comme la protéine intrinsèque (NIP)
  • Petite protéine intrinsèque basique (SIP)
  • X Protéine Intrinsèque (XIP)

Ces cinq sous-familles ont ensuite été divisées en sous-groupes évolutifs plus petits en fonction de leur séquence d'ADN. Les PIP se regroupent en deux sous-groupes, PIP1 et PIP2, tandis que les TIP se regroupent en 5 sous-groupes, TIP1, TIP2, TIP3, TIP4 et TIP5. Chaque sous-groupe est à nouveau divisé en isoformes, par exemple PIP1;1, PIP1;2. Comme la nomenclature des isoformes est historiquement basée sur des paramètres fonctionnels plutôt qu'évolutifs, plusieurs nouvelles propositions sur les aquaporines végétales ont été soulevées avec l'étude des relations évolutives entre les différentes aquaporines. Au sein de la sélection variée d'isoformes d'aquaporine dans les plantes, il existe également des modèles uniques d'expression spécifique aux cellules et aux tissus.

Lorsque les aquaporines végétales sont réduites au silence, la conductance hydraulique et la photosynthèse de la feuille diminuent.

Lorsque le blocage des aquaporines végétales se produit, il arrête le flux d'eau à travers les pores de la protéine. Cela peut se produire pour un certain nombre de raisons, par exemple lorsque la plante contient de faibles quantités d'eau cellulaire en raison de la sécheresse. La gating d'une aquaporine est réalisée par une interaction entre un mécanisme de gating et l'aquaporine, qui provoque un changement 3D dans la protéine de sorte qu'elle bloque le pore et, ainsi, empêche l'écoulement de l'eau à travers le pore. Chez les plantes, il existe au moins deux formes d'aquaporing : la gating par déphosphorylation de certains résidus de sérine, en réponse à la sécheresse, et la protonation de résidus d' histidine spécifiques , en réponse à l'inondation. La phosphorylation d'une aquaporine est impliquée dans l'ouverture et la fermeture des pétales en réponse à la température.

Chez les archées, les eubactéries et les champignons

Certaines bactéries et de nombreux autres organismes expriment également des aquaporines.

Des aquaporines ont également été découvertes dans les champignons -  Saccharomyces cerevisiae  (levure),  Dictyostelium ,  Candida  et  Ustilago  et les protozoaires -  Trypanosoma  et  Plasmodium .

Signification clinique

L'aquaporine-1 (AQP1) se trouve dans le plexus choroïde , contribue à la production de LCR et l'AQP4 se trouve sur les cellules périvasculaires et épendymaires.

Il y a eu deux exemples clairs de maladies identifiées comme résultant de mutations dans les aquaporines :

Un petit nombre de personnes ont été identifiées avec une carence sévère ou totale en aquaporine-1. Ils sont, en général, sains, mais présentent un défaut dans la capacité de concentrer les solutés dans l'urine et de conserver l'eau lorsqu'ils sont privés d'eau potable. Les souris avec des délétions ciblées dans l'aquaporine-1 présentent également une déficience dans la conservation de l'eau en raison d'une incapacité à concentrer les solutés dans la moelle du rein par multiplication à contre-courant .

En plus de leur rôle dans le diabète insipide néphrogénique génétiquement déterminé, les aquaporines jouent également un rôle clé dans les formes acquises de diabète insipide néphrogénique (troubles qui entraînent une augmentation de la production d'urine). L'aquaporine 2 est régulée par la vasopressine qui, lorsqu'elle est liée au récepteur de surface cellulaire, active la voie de signalisation de l'AMPc. Cela se traduit par des vésicules contenant de l'aquaporine-2 pour augmenter l'absorption d'eau et retourner à la circulation. La mutation du récepteur de l'aquaporine 2 vasopressine est une cause de diabète insipide acquis. Chez le rat, le diabète insipide néphrogénique acquis peut être causé par une altération de la régulation de l'aquaporine-2 en raison de l'administration de sels de lithium , de faibles concentrations de potassium dans le sang ( hypokaliémie ) et de fortes concentrations de calcium dans le sang ( hypercalcémie ).

Les réactions auto-immunes contre l' aquaporine 4 chez l'homme produisent la maladie de Devic . Si l'aquaporine pouvait être manipulée, cela pourrait potentiellement résoudre des problèmes médicaux tels que la rétention d'eau dans les maladies cardiaques et l'œdème cérébral après un AVC.

Les références

Liens externes