CC BY
186
УДК 612.792
Аквапорины кожных покровов и их роль в транспорте воды
Гоженко А.ИД Цепколенко В.АД Зацерклянный А.МД Колиев В.ИД Лебедева Т.Л.*
^ГП Украинский НИИ медицины транспорта МЗ Украины, Одесса * Украинский институт пластической хирургии и косметологии «Виртус», Одесса
АКВАПОРИНИ ШК1РИ ТА 1ХНЯ РОЛЬ У ТРАНСПОРТ ВОДИ
Гоженко А.1., Цепколенко В.О., Зацерк-лянний О.М., Колпв В.Й., Лебедева Т.Л.
Систематизовано дан щодо мехашзмлв транспорту води у шюр^ описано будову, функ^ю та регуляцiю аквапоринiв шкiри. Показано особливост розподiлу аквапоринiв по структурних елементах шгари, що обу-мовлюе характернi риси транспорту води у них. Представлено вщмшносп класичних та сучасних уявлень щодо транспорту води пщ час утворення поту.
THE HUMAN SKIN AQUAPORINS AND THEIR ROLE IN WATER TRANSPORT Gozhenko A.I., Tsepkolenko V.O., Zatserk-lianiy O.M., Koliyiv V.Yi., Lebedeva T.L.
The information on the mechanisms of water transport in the skin has been analyzed. The structure, function and regulation of skin aquaporines have been described. The features of aquaporines distribution round the structural elements of skin, which stipulates the characteristic properties of water transport in it, have been revealed. The distinctions of classical and modern conceptions of water transport during sweat formation have been described too.
Как часть целостного организма, кожа принимает активное участие в регуляции обмена веществ, в том числе воды. Кожа является одним из основных депо воды, занимая второе место, уступая первое только мышцам. В кожных покровах взрослого мужчины массой 70 кг в норме содержится около 7 л воды; половина этого объема приходится на интерстициальную жидкость [15]. Вода, сосредоточенная в дерме, связана с гиалуроновой кислотой, глюкозами-ногликанами и протеогликанами. От содержания воды в кожных покровах зависит тургор, растяжимость и эластичность кожи.
Основной транспорт воды кожи осуществляется преимущественно потовыми железами. Потовые железы представляют собой типичные простые трубчатые неразветвленные железы, вырабатывающие и выделяющие пот. Общее число потовых желез у человека - 2-5 млн. В зависимости от механизма секреции различают потовые железы :
- эккринные (мерокринные, выделительные, или малые), секреция которых происходит без гибели секреторных элементов;
- апокринные (большие), у которых в момент
3-4 (11)' 2008
секреции разрушается часть секреторной клетки [2, 4-6, 11, 20, 39].
В большом количестве эккринные потовые железы расположены в коже почти повсеместно, за исключением красной каймы губ, кожи малых половых губ, клитора, головки полового члена и крайней плоти [2, 4-6, 35-36]. Особенно много их содержится на коже ладоней и подошв, а также лба, груди, живота [1, 5, 18, 20, 31, 34]. На 1 см2 кожи приходится 143-330 потовых желез (в коже ладоней и подошв - до 400-500 на 1 см2) [4]. Общее количество эккрин-ных потовых желез примерно 2,5 млн. [1, 18]. У детей их плотность в несколько раз больше, чем у взрослых, что объясняется меньшей поверхностью кожи. Объем одной эккринной потовой железы у новорожденного равен 0,00260,0046 мм3, у взрослого - 0,012-0,018 мм3. Суммарный объем всех потовых желез взрослого человека составляет 34 см3 [4, 11, 18, 20].
Железа состоит из концевого (секреторного) отдела, или тела, находящегося глубоко в сетчатом слое дермы на границе с подкожной клетчаткой (или в самой гиподерме), и выводного протока, открывающегося в виде поры, кото-
рый обвивает секреторный отдел, а затем, спирально изгибаясь, проходит через толщу дермы и эпидермиса перпендикулярно к поверхности кожи [2, 4-6].
Секреторный отдел эккринной потовой железы представляет собой спирально закрученный клубочек, выстланный одним слоем крупных слабобазофильных эпителиальных клеток кубической или призматической формы (в зависимости от стадии секреции) [3, 5]. Этот отдел окружен интенсивно васкуляризованной стро-мой с большим количеством широко анастомо-зирующих капилляров.
Концевой отдел эккринной потовой железы построен из трех типов клеток: светлых, темных и миоэпителиальных (контрактильных элементов).
Светлые экзокриноциты имеют крайне неровные контуры в зонах контакта с соседними клетками и, особенно, с базальной мембраной, которая, в свою очередь, образует здесь множество складок. Основания этих клеток шире верхушек. Между этими клетками имеются межклеточные канальцы, открывающиеся в просвет секреторного отдела. В цитоплазме много гликогена, секреторных и липидных гранул, митохондрий и рибосом; хорошо развиты пластинчатый комплекс и цитоплазматическая сеть; в ядрах равномерно распределен хроматин [2, 4, 5].
Темные клетки характеризуются широкой апикальной поверхностью с множеством микровыростов и отличаются одна от другой по своему строению (по-видимому, в связи со стадиями секреторного процесса). Плазмолемма этих клеток имеет относительно ровные контуры с многочисленными выростами и микроворсинками. В цитоплазме хорошо развиты цито-плазматическая сеть, пластинчатый комплекс и присутствуют вакуоли разных размеров со светлым содержимым, митохондрии, липидные гранулы, лизосомы, микротрубочки и центриоли. Их ядра неправильной формы с уплотнениями хроматина на периферии [2, 4, 6]. В местах соединения этих клеток имеются канальцы и специализированные контакты типа запирающей зоны. Гистохимически в этих клетках выявляются большое количество РНК, а также активность [5]:
- кислой фосфатазы;
- карбоксилазы;
- моноаминоксидазы;
- фосфорилазы;
- Р-глюкуронидазы;
- аминопептидазы;
- неспецифических эстераз;
- АТФазы;
- ферментов энергетического обмена.
Слой миоэпителиальных клеток веретенообразной формы выполняет сократительную функцию, способствуя продвижению секрета [2, 3]. Контрактильные элементы лежат между основанием экзокриноцитов и базальной мембраной. Их ядра - удлиненной формы, с неровными контурами, расположены в апикальной части клетки; органоиды располагаются в пери-нуклеарном пространстве. Особенностью этих клеток является наличие в их цитоплазме большого количества миофиламентов [5].
Выводной проток эккринной потовой железы имеет дермальную и эпидермальную части. Проток проходит по спирали через все слои к поверхности кожи, перфорируя эпидермис, где открывается потовой порой на вершине гребешка. Диаметр потовой поры - 60-80 мкм, а просвета - 14-16 мкм. Дермальная часть протока состоит из двух слоев кубического эпителия с базофильной цитоплазмой, лежащего на базальной мембране. Клетки поверхностного слоя соединяются одна с другой десмосомами, структура которых аналогична структуре таковых в эпидермисе. Ядра клеток - неправильной формы; в цитоплазме, кроме органоидов, содержатся гликоген, лизосомы, микротрубочки. В апикальной части - большое количество тонофиламентов. Базальные клетки - удлиненные, лежат параллельно базальной мембране, соединяются с поверхностными клетками дес-мосомами. Эпидермальная часть протока выстлана одним слоем внутренних, или люминар-ных, клеток и несколькими слоями наружных, соединяющихся между собой десмосомами. Клетки того и другого слоя имеют аналогичную структуру и соответствуют, в основном, структуре клеток дермальной части протока, отличаясь наличием в них тонофиламентов; а по мере приближения их к поверхности в них появляются кератиносомы и кератогиалиновые гранулы. На уровне зернистого слоя внутренние клетки полностью кератинизированы. Гистохимические и ультраструктурные особенности клеток, выстилающих потовые протоки, указывают на их метаболическую активность и участие в абсорбции веществ из секрета концевых частей потовых желез [2-6].
Апокринные потовые железы локализуют-
ся в подмышечных впадинах, в перианальнои, перигенитальной и околососковоИ областях. Апокринная железа, так же как и эккринная, состоит из глубоколежащего извитого трубчатого концевого отдела, дермальной и эпидермаль-ной частей протока. К рождению спирально скрученный секреторный отдел расположен в подкожной жировой клетчатке, окружен соединительнотканной капсулой и еще не функционирует. Апокринные железы остаются относительно недифференцированными длительное время после рождения до полового созревания.
Концевые отделы получают развитие в пубертатном периоде; отвечают на гормональные воздействия. В секреторном отделе апокринной потовой железы различимы два типа клеток: миоэпителиальные и секреторные. И те, и другие ориентированы параллельно длинной оси канальца и содержат в цитоплазме миофила-менты, фосфолипидные и железосодержащие гранулы, часто ассоциированные с мелкими пигментными гранулами желтого цвета. Просвет секреторной части апокринной потовой железы в 10 раз превышает просвет эккринной железы и заполнен клеточным детритом. Секреторные клетки - крупные, высота их варьирует в зависимости от стадии секреторного цикла. Под электронным микроскопом определяется большое количество микровилей, удлиненные ядра и выраженные органоиды, среди которых находятся секреторные гранулы различных размеров и электронной плотности, окруженные мембраной. В клетках хорошо развит пластинчатый комплекс.
Выводные протоки имеют двухслойную эпителиальную выстилку, открываются в волосяную воронку выше устья сальных желез [1, 2, 4, 5].
Примерно 10 % апокринных желез выделяет пот с характерным сильным запахом; эти железы получили название осмидрических. Концевые отделы этих желез содержат крупные секреторные клетки с большим количеством секреторных гранул и имеют более длинный выводной проток. Железы, выделяющие пот без запаха (аносмидрические), имеют более короткий выводной проток и небольшого размера секреторные клетки с меньшим количеством секреторных гранул [1].
В нормальных условиях кожа выводит из организма около одной трети воды, а при высокой внешней температуре - значительно больше. Кожа взрослого человека содержит 6-8 % воды
тела. Часть воды образуется в самой коже при окислении различных органических соединений; особенно много её образуется при окислении жиров, большая же её часть поступает в кожу из кровеносных сосудов.
Содержание воды в коже (без подкожной жировой клетчатки) колеблется в пределах 62-71 % от ее веса - это содержание находится в прямой зависимости от возраста человека, топографии и толщины кожи. Содержание воды в верхних слоях дермы на 2-3 % выше, чем в нижних.
В коже человека на общее количество всех минеральных составных частей приходится 0,69-1 % ее сухого веса. Подкожная жировая клетчатка содержит минеральных веществ примерно в два раза меньше, чем собственно кожа, а хлористого натрия - в 5-8 раз меньше, чем в дерме. В сосочковом слое хлористого натрия больше, чем в сетчатом. Содержание солей в эпидермисе почти в два раза выше, чем в собственно коже. В различных местах кожи также имеется неодинаковое количество минеральных веществ. Так, кожа живота менее богата солями, чем кожа разгибательных поверхностей конечностей.
Кожа также является основным депо для натрия и калия. Натрий и хлор, как правило, лишь в небольших количествах проникают в клетки, а в основном находятся во внеклеточных жидкостях; калий, фосфор и кальций, наоборот, содержатся главным образом во внутриклеточной жидкости. Особенности в распределении натрия и калия между внутриклеточными и внеклеточными жидкостями имеют большое значение для водного обмена.
Ионы натрия, как известно, усиливают способность белков тканей связывать воду; ионы же калия и особенно кальция производят противоположный эффект. Поскольку ионов натрия во внеклеточном пространстве значительно больше, чем ионов калия и кальция, то и изменения в содержании ионов натрия возникают легче и быстрее, чем изменения содержания ионов калия и кальция. Натрию принадлежит основная роль в регуляции обмена воды между внутриклеточными и внеклеточными пространствами, а также регуляция выделения воды из организма.
Чрезвычайно важно подчеркнуть, что транспорт воды в потовых железах, согласно классическим представлениям, происходит по межклеточным путям; в целом вышеизложенное в виде схемы представлено на рис. 1.
Пот
Симпатическая нервная система
Парасимпатическая нервная система
Капилляр
Рисунок 1. Классические представления об образовании пота.
Однако, ситуация коренным образом изменилась, когда были открыты аквапорины и установлено, что основным путем движения воды является её прохождение через клетку по специальным белковым каналам, аквапоринам.
Ранее мы подразделяли все органы на специализированные и неспециализированные в отношении транспорта воды. Приведенные выше
данные позволяют рассматривать кожу как орган, осуществляющий специализированный транспорт воды благодаря деятельности потовых желез. Вместе с тем, можно предположить, что в транспорте воды в потовых железах важную роль должны играть аквапорины.
Аквапорины - белки водных каналов (рис. 2). На сегодняшний день у млекопитающих об-
Рисунок 2. Аквапорин.
наружено 13 аквапоринов (AQP0 - AQP12) [8].
Всё семейство аквапоринов, с учетом их водной селективности, субстратной специфичности, аминокислотного состава, делится на две группы, или подсемейства. Внутри группы между аквапоринами отмечается максимальное подобие аминокислотной последовательности.
Большинство представителей первой группы (собственно аквапорины) пропускают только воду. Эта группа включает аквапорины AQP0, AQP1, AQP2, AQP4, AQP5, AQP6 и AQP8 [29]. Аквапорины AQP6 и AQP8 схожи по аминокислотному составу, в силу чего отнесены в эту группу. Дело в том, что AQP6 проницаем не только к воде, но и к некоторым анионам, и при низких значениях рН может транспортировать хлориды [16]. Аквапорин AQP8 проницаем также к мочевине [27].
Во вторую группу входят водные каналы AQP3, AQP7, AQP9 и AQP10, получившие название акваглицеропорины, так как в разной степени проницаемы не только для воды, но и для глицерина, а также для некоторых других небольших нейтральных молекул.
Открытый недавно белок AQP11 достаточно близок по своей структуре к аквапоринам, однако он не способен проводить ни воду, ни глицерин. Возможно, этот аквапорин, как и AQP12, является представителем нового подкласса суперсемейства аквапоринов [7].
Строение аквапоринов и механизм переноса воды заключается в следующем: аквапорины
образуют в мембране тетрамеры, мономеры которых представлены полипептидными цепочками, состоящими примерно из 270 аминокислот [35]. Полипептидная цепочка мономера формирует шесть внутримембранных а-спираль-ных доменов (рис. 3); пронизывая 6 раз плазматическую мембрану, она образует также три внеклеточные (А, С, Е) и две внутриклеточные (В, П) петли. При этом как Ы-, так и С- концевые остатки полипептида остаются обращенными внутрь клетки [7].
В петлях В, Е содержатся высококонсервативные участки, которые содержат консенсус-ный мотив с аминокислотной последовательностью:
аспарагин - пролин - аланин.
Обе петли, каждая с противоположной стороны, погружены в мембрану. В толще мембраны они перекрываются с образованием структуры собственно трансмембранного канала [13]. Все мономеры аквапорина функционируют, как независимые водные каналы. В отличие от ионных каналов, собственно водный канал ак-вапорина расположен не в центре тетрамера, а в каждом мономере. Собственно канал переноса воды формирует внутриклеточная петля В и внеклеточная петля Е.
Транспорт воды через мономеры одинаково легко осуществляется в обоих направлениях. Направление водного потока определяется ориентацией осмотического или гидростатического
Рисунок 3. Строение мономера аквапорина , представленного в виде развернутой двухмерной структуры.
градиента. Проницаемость мономеров к воде не изменяется при их ассоциации в тетрамер.
Пространственная модель аквапорина разработана на основе ранних исследований молекулярных рекомбинантов. Такая структура образуется, когда две петли сближаются в фосфо-липидной мембране и, окруженные трансмембранными доменами, формируют канал переноса воды через неё. Данная модель аквапорина получила название песочных часов [28].
Для обнаружения возможных межвидовых различий, в качестве объектов исследования были взяты AQP1 из эритроцитов человека и бычий AQP1. Сравнительные исследования, проведенные с применением криоэлектронной кристаллографией AQP1 из эритроцитов человека, рентгеноструктурный анализ кристаллов бычьего AQP1 подтвердили укладку доменов в форме песочных часов [33].
Каждый конец собственно проводящего воду канала в мономере аквапорина AQP1 имеет воронкообразное преддверие, открывающееся соответственно во внутриклеточное или внеклеточное пространство. Преддверие переходит в узкий тоннель, по которому вода селективно перемещается к центру мономера и далее - в воронкообразный выход противоположного конца канала. Тоннель на большем своем протяжении гидрофобен.
Исследования показывают, что скорость прохождения воды через AQP1 составляет примерно 3-109 молекул воды/с, что значительно выше, чем активность известных ионных каналов
[40].
Еще до открытия аквапоринов было известно, что соединения ртути тормозят транспорт воды через эритроцитарную мембрану. Большинство аквапоринов млекопитающих, за исключением AQP4, чувствительны к действию соединений ртути. Место связывания ртути в молекуле аквапорина представлено тиольными группами цистеина. Ингибирование соединениями ртути происходит вследствие образования меркаптидной ковалентной связи с остатком цистеина, расположенного в области петли Е, формирующей собственно пору водного канала, в результате чего терялась активность аква-порина. Такое ингибирование водных каналов рассматривается как наиболее вероятный механизм, по которому соединения ртути, включая ртутные диуретики, вызывают полиурию или диурез.
Все приемы разрыва ковалентной связи, со-
провождающиеся освобождением тиольной группы, восстанавливают активность аквапорина. Ртутное ингибирование обратимо под действием хелатных соединений, например -ß-меркаптоэтанола. К ингибиторам активности аквапорина, не содержащим ртуть, относится тетраэтиламмоний [42].
Исследование селективности аквапоринов показало, что они не обладают способностью проводить протоны. Строго говоря, наличие протонной проводимости у аквапоринов означало бы биологическую катастрофу. При обрушивании протонного градиента наступает разобщение окислительного фосфорилирования, прекращается выработка АТФ, нарушаются активные транспортные процессы. Аналогичный механизм исключения протона реализуются и в других водных каналах.
Структура канала AQP1 отличается двумя основными особенностями, препятствующими образованию непрерывной цепочки молекул воды, связанных водородными связями (рис. 4).
Первый барьер на пути протона локализован в самой узкой части канала, где его стенка сформирована боковыми цепями Arg-195, Phe-56 и His-180. На этом уровне в формировании стенки канала принимают также участие скелетные карбонильные углеродные атомы, принадлежащие G/y-188 и Cys-189. Диаметр канала здесь суживается до 2,8 Ангстрема, т.е. соответствует среднему Ван-дер-Ваальсовскому диаметру молекулы воды. Аминокислотный остаток в месте сужения, относящийся к Arg-195, является консервативной структурой практически всех представителей суперсемейства аквапоринов. На нем сосредоточен большой положительный заряд, который отталкивает протонированную воду (H3O+). Водородные связи водной цепочки в области, примыкающей к Arg-195, разрываются.
Структура аквапоринов обладает рядом особенностей, которые в совокупности обеспечивают непроницаемость водных каналов к протону (рис. 5); к таковым относятся:
- биполярная ориентация диполей воды, при которой молекулы в центре каналов не могут образовывать водородные связи;
- неспецифические десольватационные эффекты в гидрофобной части канала;
- электростатический барьер в области NPA-сайта, генерируемый микродиполями спиралей В и Е.
Рисунок 5. Схематическое изображение водного канала, где представлены факторы, препятствующие прохождению протона.
Рисунок 4. Строение аквапорина.
Сильный диполь, образованный двумя укороченными витками канала с мотивом NPA в положении, где петли полуканала соединяется в центре поры AQP1, представляет еще один барьер для проницаемости протона. Эти парциальные заряды вызывают переориентацию диполей воды с разрывом водородной связи, что делает транспорт протонов через канал энергетически не выгодным и исключает их проведение [26].
В клетках выделяют апикальную, латеральную и базальную области плазматической мембраны; аквапорины могут локализоваться соответственно в каждой из них. Водные каналы апикальной и базолатеральной мембран встречаются в различных сочетаниях, включающих как аквапорины, так и акваглицеропорины; например (рис. 6):
- в клетке А обе мембраны несут один и тот же аквапорин;
- в мембранах В присутствуют аквапорины и акваглицеропорины;
- клетка С в апикальной и базолатеральной экспрессирует различные гомологи аквапори-нов.
Рисунок 6. Схема расположения аквапоринов в мембранах клеток.
Некоторые аквапорины (AQP2 и AQP5) в неактивном состоянии накапливаются в субапикальном депо и активируются при посадке на мембрану.
В клетках кожи могут быть выборочно экс-прессированы 6 различных аквапоринов (AQP1, AQP3, AQP5, AQP7, AQP9, AQP10). Принимая во внимание, что AQP1 и AQP5 - исключительно водные каналы, AQP3, AQP7, AQP9, AQP10 принадлежат группе акваглицеропоринов [10].
В плазматических мембранах клеток кожи в наибольшем количестве представлены аква-порин АQP1 и акваглицеропорин АQP3. АQP1 экспрессируется в эндотелии капилляров дермы (рис. 7). AQP1 также обнаружен в кожных фибробластах и меланоцитах.
В культуре кератиноцитов, помимо AQP3, обнаружены AQP9 и AQP10. AQP9 найден в
Рисунок 7. Аквапорины кожи и их локализация (ОС - ороговевающий слой).
моноцитах (клетки Лангерганса). Моноциты также экспрессировали AQP10. Наконец, AQP9 также обнаружен в преадипоцитах, в то время как дифференцированные преадипоциты экспрессировали AQP7.
AQP5 экспрессируется в клетках потовых желез [9]. В опытах на мышах и крысах показано, что в работе потовых желез участвует аква-порин AQP5. Известно, что AQP5 представляет
собой канал, специфичный к воде. AQP5 локализуется на апикальной мембране секреторных эпителиальных клеток в потовых железах (рис. 8).
При исследованиях было обнаружено, что, подобно АQP2, АQP5, накапливающийся во внутриклеточных компартаментах, под действием ацетилхолина перемещается из внутриклеточной мембранной фракции во фракцию
Рисунок 8. Современные представления об образовании пота.
апикальных мембран. Помимо потовых желез, AQP5 экспрессируется также в слёзных, слюнных и подслизистых железах дыхательных путей.
В исследованиях было установлено, что потовые железы вовлекают транспорт соли и воды в просвет секреторного отдела потовой железы. Вместе с тем при исследовании роли нервных механизмов в регуляции потоотделения у крыс установлено, что белок AQP5 необходим для потовой секреции и что экспрессия AQP5 в потовых желёзах крысы независима от симпатической иннервации.
Высказано предположение о том, что другие, пока еще необнаруженные аквапорины экспрес-сируются вместе с AQP5 в потовых железах, т.к. удаление AQP5 не очень уменьшало осмотическую водную проницаемость [30]. Однако, наряду с участием аквапоринов в специализированном транспорте воды в потовых железах, они также играют определяющую роль в обмене воды в других клетках кожи, т.е. в неспециализированном транспорте.
Поверхностный (ороговевающий) слой эпидермиса представлен дифференцированными уплощенными кератиноцитами (корнеоцита-ми) [12], которые происходят из активно про-лифирирующих кератиноцитов глубоких слоев эпидермиса (базальных, отростчатых и гранулезных клеток) и включают ламеллярные ли-
пидные прослойки [24]. Эпителиальные клетки связаны плотными контактами, что важно как для реализации барьерной функции, так и для ограничения потери воды [19]. Ороговевающий слой представляет собой главный барьер проницаемости кожи, препятствующей потере воды и защищающий кожу от ультрафиолетового света, оксидантов, антигенов, токсических агентов и др. [12, 14].
Уменьшение гидратации ороговевающего слоя наблюдается при старении и заболеваниях кожи, например при атопическом дерматите, экземе, псориазе, сенильном ксерозе, наследственном ихтиозе.
Межвидовые исследования показали, что AQP3 экспрессируется в кератиноцитах эпидермиса человека, мышей и крыс. AQP3 - главный белок, вовлеченный в гидратацию кожи [30]. Иммуноцитохимические исследования позволили установить, что как у человека, так и у мышей AQP3 преимущественно локализуется в плазматической мембране клеток базального и промежуточного слоев эпидермиса. Несмотря на то, что толщина эпителия в разных участках кожи варьирует, картина распределения этого канала сохраняется. Пространственное распределение AQP3 коррелирует с водным содержанием:
- базальных и супрабазальных слоев - 75 %;
- рогового слоя - 10-15 %.
Точно так же pH поверхности кожи - около 5 и увеличивается под роговым слоем до 7. По мере дифференцировки эпидермальных клеток и их перемещения к поверхности, содержание чувствительного к pH AQP3 в них постепенно снижается. Проведенные исследования показали, что отсутствие AQP3 в коже млекопитающих приводит к сухости кожи, уменьшению гидратации рогового слоя, уменьшению эластичности кожи и задерживает восстановление барьерной функции.
AQP3 представлен и в таких образованиях, как волосяные фолликулы и сальные железы. Так, он обнаруживается во внешней корневой оболочке волосяного фолликула и сальной железе, включая мейбомиевую железу век.
Вместе с AQP3, аквапорин AQP1 определяется также в неонатальной коже человека [32]. У плода человека к 4-й неделе формируется двойной слой эпидермальных клеток. Орогове-вающий слой начинает формироваться к 24-й неделе и окончательно формируется к 34-й неделе [12].
Барьерная функция кожи, измеряемая по величине трансэпидермальной потери воды, и у человека и у животных (мыши, крысы, кролики) формируется лишь в поздние сроки внутриутробного развития [25].
Амниотическая жидкость, особенно в ранние сроки беременности, по своему составу близка к интерстициальной жидкости плода. В этот период осуществляется свободный обмен жидкости и растворенных веществ через фетальную кожу, особенно в первой половине беременности. В фетальной коже плода овцы значительная экспрессия AQP3 отмечается в средние сроки беременности.
У недоношенных новорожденных скорость трансэпидермальной потери воды очень высока, и они подвержены риску дегидратации. Величина трансэпидермального переноса воды у плода крысы становится достаточно высокой уже к 18-му дню внутриутробного развития; при этом уровни мРНК аквапорина AQP3 фе-тальной кожи крысы выше, чем у половозрелой особи.
Повышенная экспрессия белка AQP1 и AQP3 в эпидермисе и дерме имеет место при токсической эритеме новорожденных [32]. Экспрессия этих аквапоринов при токсической эритеме новорожденных служит косвенным доказательством их участия в иммунных процессах кожи.
Большой объем важной информации о роли
аквапоринов в физиологии кожи был получен на специально выведенной линии аквапорин-нулевых мышей. Исключение AQP3 приводит примерно к 4-кратному уменьшению осмотической водной проницаемости эпидермальных кератиноцитов, а вследствие этого - к сухости кожи, уменьшению гидратации рогового слоя, уменьшению эластичности кожи и задерживанию восстановления барьерной функции. Аква-глицеропорин AQP3 транспортирует также глицерин, и у AQP3-нулевых мышей уменьшается поглощение меченого глицерина [23].
При нормальном содержании глицерина в дерме и сыворотке крови его концентрация в ороговевающем слое эпидермиса у мышей с дефицитом AQP3 была понижена. Это свидетельствует о торможении переноса глицерина из крови в эпидермис через базальные керати-ноциты, плазматические мембраны которых у AQP3-нулевых мышей лишены AQP3.
Обмену глицерина в коже и его нарушениям придается большое значение. Считается, что изменение фенотипа кожи у AQP3-нулевых мышей связано с падением содержания глицерина в ороговевающем слое эпидермиса. Кроме того, глицерин участвует в процессах увлажнения кожи, и уменьшение его содержания в орого-вевающем слое приводит к снижению ее гидратации и эластичности. Глицерин важен для нормального протекания процессов биосинтеза: при снижении его содержания нарушается барьерная функция кожи и процессы регенерации. У мышей с дефицитом AQP3 отмечается сухая кожа, гидратация ороговевающего слоя уменьшена, понижена эластичность, нарушены процессы биосинтеза.
Снижение эластичности кожи, задержка заживления кожных ран, наблюдаемые у AQP3-нулевых животных, объясняются потерей глицерина [22]. Интересно отметить, что все эти нарушения полностью устранялись при его оральном введении AQPЗ-нулевым мышам. Глицерин не мог быть замещен другими осмо-литами, например ксилитолом, эритритолом, пропандиолом, что указывает на специфическую функцию этой молекулы в поддержании нормального состояния кожи.
AQP3 экспрессируется в сальных железах и может играть определенную роль в их физиологии. Глицерин, образующийся в этих железах, вносит свой вклад в гидратацию ороговевающе-го слоя [17].
Все эти данные указывают на важную роль
АQP3 и глицерина в обеспечении нормальной функции кожи и дают научное обоснование давно сложившейся практике включения глицерина в косметические средства и препараты для лечения кожных болезней.
В кератиноцитах АQP3 локализован совместно с фосфолипазой Б2. Предполагается, что синтез фосфатидилглицерина связан с глицерин-транспортной функцией аквапорина АQP3 и активностью фосфолипазы Б2 [41]. Фосфо-липиды, включая фосфатидилглицерин, вовлечены в эпидермальный процесс биосинтеза ли-пидов, которые необходимы для поддержания ламеллярной структуры липидов и обеспечения барьерной функции ороговевающего слоя.
Соединения ртути ингибируют водную проницаемость кожи человека и реконструированного эпидермиса, что было показано при измерении светорассеяния в сочетании с методом остановленного потока. Эти наблюдения принимаются как доказательство того, что транспорт воды в эпидермисе человека реализуется при участии водных каналов.
Исследования, выполненные в различных лабораториях, показали, что увлажнение кожи человека сопровождается многократным увеличением скорости поглощения кислорода. Активация поглощения кислорода наступает сразу же после увлажнения кожи.
Экспрессия АQP1 в эндотелии микрососудов кожи обеспечивает быстрый обмен воды между кровью и интерстициальным пространством дермы и эпидермиса. Согласно осцилляторному механизму, вода является переносчиком кислорода, и увеличение ее содержания в ороговева-ющем слое активирует собственно массопере-нос кислорода к дышащим клеткам [38].
Транспорт воды при участии АQP3 выполняет важную функцию гидратации слоев эпидермиса, располагающихся под кератинизирован-ным слоем. У АQP3-нулевых мышей наблюдается уменьшение проницаемости эпидермиса к воде и глицерину.
Исследование электропроводимости керати-низированного слоя показывает значительное уменьшение содержания воды. Эти наблюдения непосредственно доказывают, что АQP3 критически важен для обеспечения гидратации эпидермиса, особенно для его кератинизированно-го слоя, в котором содержание воды и глицерина уменьшено вдвое по сравнению с контрольной дикой линией животных [22]. При этом содер-
3-4 (11)' 2008
жание ионов и низкомолекулярных соединений (мочевины, глюкозы и молочной кислоты) не изменялось. Это не относилось к глицерину, содержание которого в эпидермисе и кератини-зированном слое у AQP3-нулевых мышей избирательно уменьшалось за счет снижения его транспорта в эти слои.
В совокупности, полученные данные указывают на то, что аквапорин AQP3 критически важен для осуществления доставки глицерина в эпидермис. Оптимальное содержание глицерина в эпидермисе, в свою очередь, важно для обеспечения гидратации и поддержания нормального физиологического состояния кожных покровов [22].
Регуляция содержания AQP3 определяется его осмотическим окружением. В культурах клеток кератиноцитов человека увеличение осмотического давления в среде с сорбитолом, хлоридом натрия, маннитолом или сахарами приводило к увеличению мРНК и экспрессии белка AQP3 [37]. Эти данные говорят о том, что осмотический стресс включает генные механизмы активации экспрессии AQP3. Согласно этим представлениям, активация AQP3 или повышение уровня его экспрессии будет способствовать увеличению содержания воды в ороговеваю-щем слое, повышению его барьерной функции и улучшению регенеративных процессов кожи, ее внешнего вида. С другой стороны, ингиби-рование AQP3 может оказаться терапевтически полезным при некоторых кожных заболеваниях [23]. Следовательно, аквапорины в коже также обеспечивают основные транспортные потоки воды как в специализированных структурах - потовых железах, так и в неспециализированных трансмембранных потоках воды во всех клетках. В целом, современные представления о транспорте воды в коже иллюстрируются рис. 8.
Вышеизложенные материалы дают представления о механизмах транспорта воды в коже, основанные на классических и современных взглядах. Безусловно, трансмембранное движение воды на сегодняшний день не представляет собой завершенную систему знаний, что, в первую очередь, относится к системе аквапоринов. Однако, уже сейчас можно сказать, что модуляция и воздействие на эти белки являются одними из перспективных направлений в дерматологии и косметологии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ахтямов С.Н., Бутов Ю.С. Практическая дерматокосметология. - М.: Медицина, 2003.
- 400 с.
2. Гистология / Под ред. Э.Г.Улумбекова, Ю.А.Челышева. - М.: ГЭОТАР-МЕД, 2001.
- 672 с.
3. Клинико-морфологическая диагностика заболеваний кожи (атлас) / М.А. Пальцев, Н.Н. Потекаев, И.А. Казанцева и др. - М.: Медицина, 2005. - 432 с.
4. Кожа (строение, функция, общая патология и терапия) / Под ред. А.М.Чернуха, Е.П.Фролова. - М.: Медицина, 1982. - 338 с.
5. Кожные и венерические болезни: Руководство для врачей: В 2 т. / Под ред. Ю.К. Скрип-кина, В.Н. Мордовцева. - М.: Медицина, 1999. - Т. 1. - 880 с.
6. Хэм А., Кормак Д. Гистология: Пер. с англ. В 5 т. - М.: Мир, 1983. - Т. 4 - 245 с.
7. Agre P., Kozono D. Aquaporin water channels: molecular mechanisms for human diseases // FEBS Lett. - 2003. - Vol. 555. - P. 72-78.
8. Borgnia M., Nielsen S., Engel A., Agre P. Cellular and molecular biology of the aquaporin water channels // Annu. Rev. Biochem.- 1999.-Vol. 68. - P. 425-458.
9. Boury-JamotM., Sougrat R., TailhardatM. et al. Expression and function of aquaporins in human skin: Is aquaporin-3 just a glycerol transporter? // Biochim. Biophys. - 2006. - Vol. 1758. -P. 1034-1042.
10.Boury-Jamot M., Tailhardat M., Le Varlet B., Dumas M. et al. Expression of Aquaporins in Cells from Human Skin // Biophys. - 2005.
- Vol. 1635. - P. 1078-1082.
11.Bovell D.L., Clunes M.T., Elder H.Y. et al. Ultrastructure of the hyperhydrotic eccrine sweat gland // Br. J. Dermatol. - 2001. - Vol. 145, No 2. - P. 298-301.
12.Cartlidge P. The epidermal barrier // Semin. Neonatol. - 2000. - Vol. 5. - P. 273-280.
13.Cheng A., van Hoek A. N., Yeager M. et al. Three-dimensional organization of a human water channel // Nature (L.). - 1997. - Vol. 387. -P. 627-630.
14.Chuong C. M., Nickoloff B. J., Elias P. M. et al. What is the true function of skin? // Exp. Dermatol. - 2002. - Vol. 11. - P. 159-187.
15.Eisenbeiss C., Welzel J., Eicher W., Klotz K. Influence of body water distribution on skin thickness: measurements using high-frequency ultrasound // Br. J. Dermatol. - 2001. - Vol. 144. -P. 947-951.
16.Engel A., Fujiyohi Y., Agre P. The importance of aquaporin water channel protein structures // Embo. J. - 2000. -Vol. 19 - P. 800-806.
17. Fluhr J.W., Mao-Qiang M., Brown B.E. et al. Glycerol regulates stratum corneum hydratation in sebaceous gland deficient (asebia) mice // J. Invest. Dermatol. - 2003. - Vol. 120. -P. 728-737.
18. Fu X., Qu Z., Sheng Z. Potentiality of mes-enchymal stem cells in regeneration of sweat glands // J. Surg. Res. - 2006. - Vol. 136. - P. 204-208.
19. Furuse M., Hata M., Furuse K. et al. Claudin-based tight junctions are crucial for the mammalian epidermal barrier: a lesson from claudin-1-deficient mice // J. Cell Biol. - 2002. - Vol. 156.
- P. 1099-1111.
20. Hales J.R., Fawcett A.A., Bennett J.W. Radioactive microsphere partitioning of blood flow between capillaries and arteriovenous anastomoses in skin of conscious sheep // Pflugers Arch. - 1978. - Vol. 376. - P. 87-91.
21.Hara M., Ma T., Verkman A.S. Selectively reduced glycerol in skin of aquaporin-3-deficient mice may account for impaired skin hydration, elasticity, and barrier recovery // J. Biol. Chem.
- 2002. - Vol. 277. - P. 46616-46621.
22.Hara M., Verkman A.S. Glycerol replacement corrects defective skin hydration, elasticity, and barrier function in aquaporin-3-deficient mice // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 2003. - Vol. 100.
- P. 7360-7365.
23.Hara-Chikuma M. Verkman A.S. Aquaporin-3 functions as a glycerol transporter in mammalian skin // Biol. Cell. - 2005. - Vol. 97. -P. 479-486.
24..Harding C. R. The stratum corneum: structure and function in health and disease // Dermatol. Ther. - 2004. - Vol. 17. - P. 6-15
25.Hardman M. J., Moore L., Ferguson M. W., Byrne C. Barrier formation in the human fetus is patterned // J. Invest. Dermatol. - 1999. - Vol. 113. - P. 1106-1113.
26.Hill A. E., Shachar-Hill B., Shachar-Hill Y. What Are Aquaporins For? // J. Membrane Biol.
- 2004. - Vol. 197. - P. 1-32.
27.Ishibashi K., Kuwahara M., Kageyama Y et al. Cloning and functional expression of a second new aquaporin abundantly expressed in testis // Biochem. Biophys. Res. Commun. - 1997.
- Vol. 237. - P. 714-718.
28.Jung J. S., Preston G. M., Smith B. L. et al. Molecular structure of the water channel through aquaporin CHIP. The hourglass model // J. Biol. Chem. 1994. - Vol. 269. - P. 14648-14654.
29.Landon S. K., Kozono D., Agre P. From structure to disease: the evolving tale of aquaporin biology // Cell Biol. - 2004. - Vol. 5. - P. 687.
30.Lene N.N., Agre P. C., Fumagalli O., Tae-Hwan Kwon et al. Functional requirement of aquapo-rin-5 in plasma membranes of sweat glands // Natl. Acad. Sci. USA. - 2002. - Vol. 2185. -P. 714-780.
31..Lusher T.J., Tanner F.C. Endothelial regulation of vascular tone and growth // Amer. J. Hyper-tens. - 1993. - Vol. 6, No 7. - P.283S-293S.
32.Marchini G., Stabi B., Kankes K. et al. AQP1 and AQP3, psoriasin, and nitric oxide synthases 1-3 are inflammatory mediators in erythema tox-icum neonatorum // Pediatr. Dermatol. - 2003.
- Vol. 20. - P. 377-384.
33.Mulders S. M., Knoers N. V., van Lieburg A. F. et al. New mutations in the AQP2 gene in neph-rogenic diabetes insipidus resalting in functional but misrouted water channels // J. Am. Soc. Nephrol. - 1997. - Vol. 8. - P. 242-248.
34.Nordgarden H., Storhaug K., Lyngstadaas S.P. et al. Salivary gland function in persons with ec-todermal dysplasias // Eur. J. Oral. Sci. - 2003.
- Vol. 111 (5). - P. 371-376.
35.Sato F., Soos G., Link C. et al. Cystic fibrosis transport regulator and its mRNA are expressed in human epidermis // J. Invest. Dermatol. -2002. - Vol. 119, No 6. - P. 1224-1230. 36.Sjodin A, Guo D., Hofer P.A. et al. Mamma-globin in normal human sweat glands and human sweat gland tumors // J. Invest. Dermatol.
- 2003. - Vol. 121. - P. 428-429.
37.Sugiyama Y., Ota Y., HaraM., Inoue S. Osmotic stress up-regulates aquaporin-3 gene expression in cultured human keratinocytes // Biochim. Biophys. Acta. - 2001. - Vol. 1522. - P. 82-88.
38.Titovets E. P., Stepanova T. S. Mathematical model for convective mechanism of brain oxygenation and edema and it's clinical implications // Proc. Intern. Conf. Adv. Inform. Telemed. Technol. for Health. - Minsk, 2005. - Vol. 1.
- P. 108-111.
39. Virag L., Szabo E., Bakondi E. et al. Nitric ox-ide-peroxynitrite-poly(ADP-ribose) polymerase pathway in the skin // Exp. Dermatol. - 2002.
- Vol. 11. - P. 189-202.
40.ZeidelM. L., Nielsen S., Smith B. L. et al. Ultrastructure, pharmacologic inhibition, and transport selectivity of aquaporins channel-forming integral protein in proteoliposomes // Biochem.
- 1994. - Vol. 33. - P. 1606-1615.
41.Zheng X., Bollag W. B. Aquaporin 3 colocates with phospholipase D2 in caveolin-rich membrane microdomains and is downregulated upon keratinocyte differentiation // J. Invest. Dermatol. - 2003. - Vol. 121. - P. 1487-1495.
42.Zhu M. J., WangX. C., Chen J., Du M. Advances in aquaporin research // Progr. Biochem. Biophys. - 1998 . - Vol. 25. - P. 508-512.
