Akwaporyny, czyli białka przenoszące wodę przez błonę

W poprzednim odcinku napisałem jak umarł Bruce Lee, i co oficjalnie było przyczyną zgonu. Bezsprzecznie miał kłopoty z nerkami. Wydaje się, że zbyt silnie zagęszczał mocz, przez co w jego osoczu stężenie sodu było zbyt niskie. A co jest fundamentem prawidłowego zagęszczania moczu, czyli także transportu wody w nerkach? Błony komórkowe są niepolarne, więc stanowią zaporę dla wody, która jest polarna. Niewielka jej ilość może przenikać przez błony w wyniku dyfuzji, ale do transportu większej ilości potrzebne są specjalne białka transportujące wodę nazywane akwaporynami. Te białka są odpowiednikami kanalizacji burzowej w miastach. Mały deszcz może wsiąknąć w ziemię. Ale przy dużej ulewie mogą nas uratować tylko kanały burzowe, które mogą odprowadzić dużą ilość wody.

U człowieka znanych jest 9 akwaporyn, kodowanych przez geny AQP1 – AQP11. Ich łańcuch polipeptydowy przebija błonę komórkową 6 razy. Powstaje w ten sposób hydrofilowy, wewnętrzny kanał, przez który woda przenika bez przeszkód. Wszystkie akwaporyny mają podobną sekwencję aminokwasową (Ryc. 1).

Trochę historii

Od dawna podejrzewano, że białka transportujące wodę przez błonę komórkową istnieją, ale nikt nie mógł wpaść na ich trop. Dobrym  modelem okazała się ropucha. Kiedy przemieszkuje w wodzie, absorbuje wodę przez skórę i gromadzi ją w pęcherzu moczowym. Kiedy wyjdzie na ląd, używa tej wody do nawadniania organizmu. Można powiedzieć, że ropucha nosi przy sobie zapas butelkowanej wody, tylko zamiast butelki ma własny pęcherz. W 1958 r. wykazano, że cały proces jest regulowany przez hormon o nazwie wazotocina, która jest odpowiednikiem wazopresyny. Wniosek? Ten hormon w jakiś sposób wymusza pojawienie się w komórkach pęcherza nieznanych białek, które przenoszą wodę.

Ich szukanie zajęło 30 lat. W 1988 r. Peter Agre z Johns Hopkins University w Baltimore odkrył, że w oczyszczanym przez niego preparacie białka Rh(D) z krwinek (pisałem na ten temat) jest stale obecne dodatkowe białko o nieznanej funkcji. Takie samo białko znaleziono w kanalikach nerkowych. W 1992 r. udało się wykazać, że ma ono zdolność do przenoszenia wody przez błonę komórkową.  Peter Agre nazwał je akwaporyną, a 10 lat później odebrał w Sztokholmie Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za odkrycie białek przenoszących wodę.

Gdzie są akwaporyny?

Na wszystkich komórkach naszego ciała, bo każda komórka musi prowadzić gospodarkę wodną. Ale najwięcej jest ich w nerkach, bo tam ruch wody jest największy. W kanalikach proksymalnych  jest głównie akwaporyna 1 (AQP1), i to ona odpowiada za odzyskiwanie 90% wody z moczu pierwotnego. Są też akwaporyny 7, 8 i 11. W kanalikach dystalnych i zbiorczych najwięcej jest akwaporyny 2 (AQP2), plus akwaporyny 3, 4, 5 i 6. Akwaporyna 2 jest wyjątkiem wśród akwaporyn, ponieważ jej aktywność jest regulowana przez wazopresynę. Właśnie ona odpowiada za fakultatywne zagęszczanie moczu: działa tylko wtedy, gdy stężenie soli rośnie i każda kropla wody się liczy. Jej aktywność jest uruchamiana w wyniku związania się wazopresyny do receptora dla wazopresyny (V2R), który jest obecny na komórkach kanalików zbiorczych (Ryc. 2).

Akwaporyny i grupy krwi

Oprócz nerek, akwaporyny 1 i 3 są obecne w większej ilości na krwinkach. Wchodzą tam w skład szkieletu komórkowego i tworzą kompleks m.in. z białkami układów grupowych Rh i RhAG. Właśnie dlatego Peter Agre zauważył, że istnieją.

Krwinki są bardzo wrażliwe na zmiany osmolalności. Akwaporyny chronią je przed zniszczeniem, np. w nerkach, gdzie w kłębuszkach nerkowych osmolalność zmienia się bardzo szybko. Dwie główne akwaporyny krwinek to akwaporyna 1 i 3. Na akwaporynie 1 znajdują się antygeny układu grupowego krwi Colton (Co). Różnice między antygenami Colton to pojedyncze reszty aminokwasowe niewpływające na aktywność białka. Ale u niewielkiej liczby ludzi (mniej niż 0,01%) stwierdza się fenotyp Colton_null: polega on na braku akwaporyny 1. Osoby takie mają obniżoną zdolność do zagęszczaniu moczu. Ma to duże znaczenie w warunkach małej dostępności wody, np. w czasie wędrówki przez pustynię, bo grozi szybkim odwodnieniem. Osoby takie są zdrowe, muszą tylko pamiętać o odpowiednim nawadnianiu się w czasie upałów.

Na akwaporynie 3 znajdują się antygeny układu grupowego Gill. Tu też, podobnie jak w przypadku układu Colton, niewielkie różnice w sekwencji aminokwasowej nie wpływają na aktywność białka. Osoby z fenotypem Gill_null, u których akwaporyna 3 jest nieaktywna, mają obniżoną zdolność do transportu glicerolu przez błonę komórkową krwinek. Poza tym nie mają żadnych patologicznych objawów. Może poza suchością skóry, bo to główna akwaporyna skóry. Ale na to wystarczą odpowiednie kremy nawilżające. Dba o to przemysł kosmetyczny.

Akwaporyny: konieczne do życia czy jednak nie?

Oprócz nerek i krwinek, akwaporyny są obecne na komórkach splotu naczyniówkowego mózgu, gdzie pełnią ważną rolę w utrzymaniu stałej osmolalności płynu mózgowo-rdzeniowego. Są też w płucach, gdzie biorą udział w transporcie wody przez błonę komórkową pęcherzyków płucnych. Ważną rolę pełnią w oku, gdzie m.in. regulują ciśnienie wewnątrz gałki ocznej.

Paradoksalnie, mutacje w większości genów kodujących akwaporyny na ogół nie mają poważnych skutków. Jest tak prawdopodobnie dlatego, że mamy 9 rodzajów akwaporyn, które mogą się nawzajem zastępować. Wyjątkiem jest akwaporyna 2: ta, której aktywność jest regulowana przez wazopresynę. Jeżeli nie jest aktywna, to kanaliki zbiorcze w nerkach są praktycznie nieprzepuszczalne dla wody. Skutkiem może być moczówka prosta, choroba, w której nerki wydzielają duże ilości rozcieńczonego moczu (nawet do 25 litrów dziennie). Grozi to wzrostem poziomu sodu (hipernatremią) i uszkodzeniem krążenia. Z kolei nadmierna ekspresja akwaporyny 2 grozi hiponatremią, czyli obniżeniem poziomu sodu, która też może mieć poważne konsekwencje.

Dlaczego Bruce Lee miał problemy z gospodarką wodną?

Jego śmierć w wyniku hiponatremii i obrzęku mózgu pozostaje zagadką. Należy raczej wykluczyć wpływ marihuany (znaleziono bardzo małą ilość), czy reakcję na środek przeciwbólowy, bo czuł się źle jeszcze przed jego zażyciem. Nie miał też raczej fenotypu  Colton_null (brak akwaporyny 1), bo wtedy nie zagęszczałby moczu, czyli tracił dużo wody. Skutkiem byłaby hipernatremia, czyli nadmierne stężenie sodu (powyżej 145 mmol/l). A u niego sodu było za mało.

Głównym podejrzanym jest akwaporyna 2. Jeżeli jest jej zbyt dużo, mocz ulega silnemu zagęszczeniu, czemu towarzyszy utrata sodu. W rezultacie wydalamy mało moczu o wysokim stężeniu sodu. A jednocześnie osmolalność naszego osocza (czyli także stężenie sodu) spada.

Dlaczego więc Bruce Lee gromadził wodę i wydalał sód, co skończyło się obrzękiem mózgu? Prawdopodobnie akwaporyny 2 w jego kanalikach nerkowych było za dużo. Co mogło rozregulować aktywność akwaporyny 2? Zaburzenia w wydzielaniu wazopresyny, spowodowane np. problemami z podwzgórzem lub przysadką mózgową. Mamy wtedy do czynienia z zespołem Schwartza-Barttera (zespół nieprawidłowego wydzielania hormonu antydiuretycznego (SIADH,  syndrome of inappropriate antidiuretic hormone secretion). Zbyt duża ilość wazopresyny powoduje nadmierną ekspresji akwaporyny 2, a to z kolei powoduje hiponatremię. Skąd nadmierna ilość wazopresyny? Jest wiele możliwych przyczyn: nowotwory, stan zapalny organizmu, nadwrażliwość na niektóre leki, a także zatrucie litem. Sekcja zwłok niczego podobnego nie wykazała.

Inną możliwością są  mutacje w genie kodującym receptor dla wazopresyny. Gen ten znajduje się na chromosomie X, który u mężczyzn występuje w pojedynczej kopii. Mężczyzna dziedziczy chromosom X zawsze po matce. Jeżeli będzie na nim gen z mutacją, to ta mutacja może dać znać o sobie, chociaż matka mogła być całkiem zdrowa. Opisano wiele mutacji w genie kodującym ten receptor, w tym wiele wpływających na aktywność akwaporyny 2. Jak było u Bruce’a Lee? Tego już się nie dowiemy.

Literatura dodatkowa

Historia badań nad akwaporynami:

https://www.karger.com/Article/FullText/463061

Peter Agre, wykład noblowski:

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2003/agre/lecture/

Akwaporyny i gospodarka wodna:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304416513005291

Kim był?

Bruce Lee (1940-1973) był aktorem i mistrzem sztuk walki (Ryc. 1). Uważa się go za największego mistrza sztuk walki wszech czasów i ikonę popkultury XX wieku. Film z jego udziałem „Wejście Smoka” (Enter the Dragon) zarobił 400 milionów dolarów przy budżecie 850 000. Zmarł nagle w Hong Kongu w czasie nagrywania dźwięku do filmu „Wejście Smoka” w wieku 32 lat.

Dlaczego tak młodo umarł?

Jest na ten temat wiele hipotez. Oficjalnie przyczyną śmierci była nadwrażliwość na lek przeciwbólowy Equagesic, ale nie ma ten temat żadnego raportu toksykologicznego. Wśród fanów panuje przeświadczenie, że zginął od „ciosu wibrującej pięści” (Dim Mak), co miało być zemstą za ujawnienie tajemnic sztuk walki lub za groźby skierowane pod adresem mafii. Mówi się też o klątwie rodzinnej: syn Bruce’a Lee zginął w wieku 28 na planie filmu w wyniku przypadkowego strzału, a starszy brat zmarł w wieku 3 miesięcy w tajemniczych okolicznościach. Są też hipotezy o nadużyciu narkotyków (marihuana, kokaina), ale nie potwierdzają tego wyniki sekcji zwłok. Ponieważ wykazała ona obrzęk mózgu, zajmijmy się tym wątkiem.

Obrzęk mózgu i hiponatremia

Bruce Lee miał już w życiu epizod z obrzękiem mózgu: było to dwa miesiące przed śmiercią. Poczuł się słabo, miał bóle i zawroty głowy oraz trudności z chodzeniem. W końcu zwymiotował i stracił przytomność. W szpitalu w Hong Kongu stwierdzono znacznie podwyższony poziom mocznika we krwi, co sugerowało uszkodzenie nerek. Po wyrównaniu poziomów elektrolitów Bruce poczuł się lepiej i opuścił szpital.

Ale coś było nie w porządku, bo zaczął pić coraz więcej płynów. Stopniowo zmienił swoją dietę, która zaczęła składać się głównie z warzyw i soków owocowych. W ciągu dwóch miesięcy stracił 15% masy ciała. Wiadomo, że zażywał leki moczopędne (czyli odwadniające). Lubił też zapalić skręta (ślady marihuany znaleziono w jego żołądku w czasie sekcji). Dzień jego śmierci (20.07.1973) był bardzo upalny, nawet jak standardy Hong Kongu. Bruce pracował cały dzień przy nagrywaniu dźwięku do filmu, ale po południu zaczął się uskarżać na ból i zawroty głowy. O 19.30 zażył niesteroidowy lek przeciwbólowy Equagesic, wypił dużo wody i położył się do łóżka. O 21.30 jego przyjaciółka Ting Pei stwierdziła, że jest nieprzytomny. Wezwany lekarz próbował go reanimować, ale po przewiezieniu do szpitala stwierdzono zgon. Sekcja zwłok nie wykazała żadnych obrażeń wewnętrznych, ale masa mózgu była znacznie podwyższona (1575 g wobec 1400 g). Sugerowało to obrzęk mózgu, i taką przyczynę wpisano w akcie zgonu. Ale skąd obrzęk mózgu?  W najnowszych opracowaniach na temat jego śmierci pisze się, że prawdopodobną przyczyną obrzęku mózgu była hiponatremia, czyli zbyt niskie stężenie sodu (poniżej 135 mmol/l). Skąd z kolei hiponatremia? Tu trzeba wyjaśnić, jak nasz organizm gospodaruje wodą.

Gospodarka wodna naszego organizmu

Woda to podstawa życia. Wprawdzie składamy się z 60% z wody, ale musimy nią rozsądnie gospodarować, żeby z jednej strony nie zgromadzić jej nadmiaru, a z drugiej strony nie odwodnić się. Przy czym stężenie soli (głównie chlorku sodu) musi utrzymywać się na stałym poziomie. Wodę wchłaniamy w postaci żywności i napojów (trochę też sami produkujemy), a wydalamy głównie w postaci moczu (60%). Tracimy ją też przez skórę (20%) i w ramach wymiany gazowej w płucach (12%). Ok. 8% wody tracimy w kale. Tak więc nasza gospodarka wodna zależy głównie od nerek. Jak działają?

Nerki i filtracja osocza

Nerki filtrują osocze w kłębuszkach nerkowych: krew z tętnicy nerkowej przepływa przez nie z prędkością 1,2 litra na minutę. Dzięki filtracji pozbywamy się produktów metabolicznych, szkodliwych lub w najlepszym razie bezużytecznych. Są to głównie związki azotu (mocznik, kwas moczowy, jony amonowe), a także barwniki żółciowe i urobilina (pochodna rozkładu hemoglobiny), które nadają moczowi kolor i zapach. W czasie filtracji powstaje tzw. mocz pierwotny, którego powstaje ok. 170 litrów na dobę. Ten mocz zostaje natychmiast zagęszczony w kanalikach nerkowych, i wtedy powstaje mocz wtórny (ten, który wydalamy). Jego dobowa produkcja to ok. 1,5 litra na dobę. Aby wytworzyć  mocz wtórny, musimy:

Oba te procesy podlegają ścisłej regulacji przez hormony. Najważniejsza jest wazopresyna, ale działa też renina, aldosteron, angiotensynę i przedsionkowy czynnik natriuretyczny (atrial natriuretic peptide, ANP).

Zagęszczanie moczu polega na odzyskiwaniu wody. Dzieje się to w kanalikach nerkowych, które można podzielić na proksymalne, dystalne i zbiorcze.  Ok. 90% wody odzyskiwane jest w kanalikach proksymalnych. Jest to tzw. resorpcja obligatoryjna. Pozostałe 10% jest odzyskiwane w kanalikach dystalnych i zbiorczych w ramach resorpcji fakultatywnej. Stopień odzyskania wody zależy tu od osmolalności osocza. Jest to stężenie substancji czynnych osmotycznie (głównie soli i glukozy). Miarą osmolalności jest osm: liczba moli substancji czynnych osmotycznie rozpuszczonych w 1 kg rozpouszczalnika. Osmolalność rośnie, kiedy jest gorąco i tracimy wodę, np. pocąc się. W odpowiedzi podwzgórze powoduje uczucie pragnienia (szukamy czegoś do picia), a jednocześnie (za pośrednictwem przysadki) wydziela hormon antydiuretyczny, zwany także wazopresyną. Ten hormon powoduje wchłanianie wody w kanalikach dystalnych i zbiorczych (Ryc. 2).

Niezdolność do zagęszczania moczu powoduje moczówkę prostą (diabetes insipidus). Choroba ta objawia się wydalaniem dużej ilości niezagęszczonego moczu (5 – 25 litrów dziennie), postępującym odwodnieniem i hiponatremią.

Jest całkiem możliwe, że Bruce Lee cierpiał na chorobę nerek, o której nie wiedział. Spowodowało to hiponatremię i obrzęk mózgu. W następnym odcinku napiszę, jaką rolę mogły odegrać białka przenoszące wodę przez błonę komórkową, czyli akwaporyny.

Literatura dodatkowa: hipoteza hiponatremii

https://academic.oup.com/ckj/article/15/12/2169/6546216