Les mécanismes intimes de filtration des aquaporines dévoilés

Des chercheurs allemands ont réussi à mettre en évidence, à l’échelle atomique grâce une simulation informatique, le fonctionnement des aquaporines, ces protéines membranaires qui régulent les flux des molécules d’eau entre les cellules. L’aquaporine formerait un canal de 2 nm de long sur 0,3 nm de large au travers de la membrane cellulaire, une ouverture juste suffisante pour le passage d’une molécule d’eau. Son passage induirait l’exclusion spécifique de toute autre molécule. Cette spécificité serait apportée par deux régions protéiques conservées des aquaporines.

Les aquaporines sont à l’origine de l’homéostasie hydrique dans l’organisme, empêchant les cellules de se déshydrater ou au contraire de se lyser lorsque le milieu extérieur est soit trop riche soit appauvri en sels (régulation osmotique). Elles régulent également, entre autres, les flux d’eau au niveau rénal.

Malgré leur haut degré de sélectivité, les aquaporines assurent tout de même le passage de plus de trois millions de molécules d’eau par seconde et par unité. Une membrane cellulaire permet le filtrage de 1 litre d’eau en sept secondes.

Devant cette hyperspécificité fonctionnelle, Bert de Groot et Helmut Grubmüller, du Max Planck Institut (Göttingen, Allemagne), ont cherché à savoir les mécanismes moléculaires sous-jacents au rôle fondamental des aquaporines dans l’organisme.

Les chercheurs se sont appuyés sur un modèle de l’aquaporine1 (AQP1) réalisé à l’aide de la microscopie électronique, avec l’aide d’un groupe japonais. La structure a révélé que la dimension de l’aquaporine était de 2x0,3 nm (Lxl), une taille permettant aux molécules d’eau de passer, et évitant aux molécules plus importantes de s’infiltrer.

Il restait à comprendre pourquoi les aquaporines laissaient exclusivement passer l’eau et non les autres molécules plus petites, comme les protons H+ ou d’autres ions.

En utilisant une simulation informatique de la résolution atomique de l’aquaporine, les chercheurs ont pu suivre en temps réel le passage virtuel d’une molécule d’eau au travers du canal formé par l’aquaporine.

La simulation a révélé que la molécule d’eau se faufile en deux temps au travers du tunnel formé par la structure de l’aquaporine. Un motif très conservé de cette dernière (N-P-A) fixe de manière spécifique la molécule d’eau, puis un second motif (acide aminé aromatique-R), une fois la molécule d’eau passée, sert de filtre à protons, en brisant les liaisons hydrogène. Cette sélectivité de passage est apportée par une rotation de la molécule d’eau (qui se comporte comme un dipôle) induisant l’interdiction de passage des ions.

Source : Science 14 décembre 2001;294:23537.