Aquaporine: Vorkommen, Funktion und Klinik

Aquaporine spielen als spezialisierte Membranproteine, die den Transport von Wasser ermöglichen, eine zentrale Rolle bei der Regulation des Wasserhaushalts in Organismen und sind an essenziellen physiologischen Prozessen wie der Urinkonzentration, Tränen- und Speichelproduktion sowie der Regulierung des Hirndrucks beteiligt. Ihre Bedeutung reicht von der Grundlagenforschung bis hin zu klinischen Anwendungen, da Dysfunktionen dieser Proteine mit verschiedenen Krankheiten in Verbindung gebracht werden. In diesem Artikel geht es um das Vorkommen, die Funktion und klinische Bedeutung dieser Kanäle.

Aquaporine – Definition

Bei Aquaporinen handelt es sich um Kanäle in der Zellmembran, die den Transport von Wassermolekülen über die Membran erleichtern. Es gibt verschiedene Subtypen, die in unterschiedlichen Organsystemen vorkommen. Funktional dienen sie zu großen Anteilen der Regulation des Wasser- und Elektrolythaushalts.

Aquaporine – Vorkommen und Typen

Die Aquaporine sind weit verbreitet und kommen in nahezu allen Lebewesen von Bakterien bis hin zu Säugetieren vor. Beim Menschen gibt es mehrere bekannte Aquaporine, die in verschiedenen Geweben und Organen verteilt sind und spezifische Funktionen erfüllen.

Aquaporine in der Niere

In den verschiedenen Tubuli der Niere, die Teil des Nephrons sind, werden verschiedene Stoffe und vor allem Wasser nach der Filtration im Glomerulus wieder zurückresorbiert. Das Tubulussystem eines Nephrons besteht aus dem beginnenden proximalen Tubulus, dem Intermediärtubulus mit Henle-Schleife, und dem distalen Tubulus. Letzterer mündet dann über den Verbindungstubulus ins Sammelrohr.

Die Henle-Schleife des Tubulussystems der Niere besitzt einen aufsteigenden Teil, der wasserundurchlässig ist und einen absteigenden Teil, der wasserdurchlässig ist. Das Wasser, das im absteigenden Teil der Henle-Schleife rückresorbiert wird, gelangt durch Aquaporine des Typs 1 (AQP1).

Auf der apikalen Seite der Hauptzellen des Sammelrohrs sind Aquaporine des Typs 2 (AQP2) eingebaut, um so die Retention von Wasser im Tubulussystem der Niere zu verstärken. Je mehr Aquaporine in die Zellmembran eingebaut werden, desto mehr Wasser kann auch aus dem Tubulussystem rückresorbiert werden. Die AQP2 ermöglichen dem Wasser ein Transport aus dem Sammelrohr in die Hauptzelle. Um aus den Zellen in die Blutgefäße zu gelangen, sind auf der basalen Seite der Zelle Aquaporine des Typs 3 und 4 (AQP3/4) eingebaut, die es den Wassermolekülen ermöglichen ins Gewebe der Niere und daraufhin ins Blut zu gelangen.

Die AQP2 liegen gespeichert in Membranen von Vesikeln unter der Zellmembran vor. Durch Aktivierung bestimmter Rezeptoren durch das antidiuretische Hormon (ADH), wird in der Zelle eine Kaskade in Lauf gebracht, bei der der second messenger cAMP vermehrt synthetisiert wird. Hohe cAMP-Spiegel führen dann zur Aktivierung des Enzyms Proteinkinase A (PKA), welche die Aquaporine der Vesikel an bestimmten Stellen mit Phosphatresten verbindet. Dieser Prozess löst nun die Fusion der Vesikel mit der Zellmembran der Hauptzellen aus, wodurch die AQP2 mit der Plasmamembran verbunden sind.

Aquaporine in der Blut-Hirn-Schranke

Die Blut-Hirn-Schranke ist eine hochselektive Barriere, die die Blutversorgung des Gehirns vom zentralen Nervensystem trennt. Sie spielt eine entscheidende Rolle beim Schutz des Gehirns vor potenziell schädlichen Substanzen aus dem Blut, ermöglicht jedoch den Transport von lebenswichtigen Nährstoffen und Molekülen.

Endothelzellen kleiden die Kapillaren im Gehirn aus und sind durch dichte Tight Junctions eng miteinander verbunden. Diese Verbindungen blockieren den Transport zwischen den Zellen hindurch (parazellulärer Transport) und gewährleisten die Selektivität der Barriere. Eine dünne Schicht aus extrazellulärer Matrix, die die Endothelzellen umgibt und strukturelle Unterstützung bietet, ist die Basalmembran. Sie dient auch als zusätzliche Filterschicht. Fortsätze von Astrozyten, einer Art von Gliazellen, umhüllen die Kapillaren und unterstützen die Funktion und Integrität der Endothelzellen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Signalübertragung und Versorgung der BHS. Aquaporine des Typs 4 (AQP4) sitzen in der Membran dieser Astrozyten-Füße und bestimmen den selektiven Transport von Wasser in das zentrale Nervensystem und wieder heraus.

Aquaporine – Funktionelle Bedeutung

Die Aquaporine haben eine entscheidende funktionelle Bedeutung in der Regulation des Wasserhaushalts und der Osmose in verschiedenen Geweben und Organen. Des weiteren ist es von wichtiger Bedeutung, dass sie weitestgehend undurchlässig für kleinere Ionen und Protonen sind, um wichtige Gradienten nicht zu zerstören, da diese wegen ihrer Funkion in der Zellkommunikation von überlebenswichtiger Bedeutung sind.

Aquaporine – Klinik

Bestimmte Aquaporine können unselektiv von Quecksilber-, Gold-, und Silberionen gehemmt werden. Unter anderem deshalb können diese Metalle giftig sein.

Die Zerstörung der AQP4 im zentralen Nervensystem durch das eigene Immunsystem trägt zur Entstehung der sogenannten Neuromyelitis-optica-Spektrum-Erkrankungen bei. Es kommt zu neurologischen Symptomen, die vor allem das Rückenmark und den Sehnerven betreffen. So sind zum Beispiel eine Querschnittslähmung und Erblindung möglich. Diagnostisch können in 70 Prozent der Fälle Antikörper, die sich gegen die AQP4 richten, im Serum der Patienten gefunden werden. Differenzialdiagnostisch ist auch eine Multiple Sklerose abzuklären.