Comment ça marche?

• Mécanisme 

L'eau liquide est constituée de molécules d'eau significativement liées les unes aux autres par des liaisons chimiques entre atomes d'oxygène et d'hydrogène ("liaison hydrogène"). 

Comme on a pu le voir précédemment, les aquaporines sont capables de transporter les molécules d'H₂O individuellement, d'où la comparaison avec un sablier qui laisse passer une à une les molécules. (voir figure 1A)

Figure 1. L'eau passe mais les protons ne passent pas.
A. Les charges partielles au niveau des dipôles de chaque hélice réorientent les molécules d'eau qui traversent la chicane de constriction.
B, C. Liaison d'une molécule d'eau aux résidus Asn76 et/ou Asn192 dont les groupements amides font protrusion dans le canal à l'eau.

Quand les molécules entrent dans le canal hydrique, elles sont progressivement alignées au fur et à mesure que le pore se réduit. Les molécules d'eau sont alors positionnées dans la même position avec l'atome d'oxygène en premier via des forces électrostatiques faibles résultant de la configuration interne. Arrivée au centre du canal, au niveau du motif (NPA), chaque molécule d'eau est individuellement saisie par l'attraction chimique de certains acides aminés qui tapissent l'intérieur du pore. Elle est ensuite retournée sur elle-même (par interaction avec deux asparagines (Asn76 et Asn192) présentes à l'entrée de l'étranglement) (voir figures 1B et 1C). Ce retournement brutal de la molécule casse pour un instant la liaison hydrogène, isole la molécule de la file des molécules d'eau et la pousse vers la sortie du pore (cette fois les atomes d'hydrogène situés vers la sortie). 
Seules les molécules d'eau et certains solutés traversent l'aquaporine. 
Les protons (H+) utilisent en temps normal le dos des molécules d'eau pour se déplacer par un "sentier à protons" or l'aquaporine interrompt ce sentier au niveau des arginines, les protons ne peuvent donc plus avancer et ils repartent d'où ils viennent. 

Pourquoi?
Les cellules ont besoin de protons pour être en quelque sorte "chargées" afin de conserver leur potentiel électrochimique. 

Ce système est très efficace : en une seconde, un milliard de molécules d’eau traverse ainsi la membrane sans laisser s’échapper un seul proton ! 

On dit que les molécules d'eau se déplacent dans la direction du gradient osmotique, c'est-à-dire qu'elles vont vers là où la concentration en soluté est plus élevée. Ainsi le flux d’eau assure un équilibre hydrique.

Cette vidéo, faite par nos soins, résume le fonctionnement des aquaporines simplement :

NB : Suite à des commentaires, des précisions doivent être apportées à cette vidéo. Les molécules d’eau traversent en file indienne (l'oxygène est orienté ver le bas et les hydrogènes vers le haut) par des liaisons hydrogène entre les molécules d’eau (ligne en pointillé dans la figure 1B). A ce niveau il n’y a pas de « contact » entre le pore et l’eau. C’est au niveau des arginines que cette liaison entre les molécules d’eau est brisée et transitoirement remplacée par une liaison entre oxygène (négative) et arginine (positive). Puis l’eau se détache mais l’orientation a changé, l'oxygène est orienté vers le haut et les hydrogènes vers le bas. Apparemment, ce fonctionnement évite le co-transport des protons (ils ne peuvent pas resté avec l’eau au niveau des arginines. 

•  Fonction

Les aquaporines expliquent la plus ou moins grande perméabilité à l'eau (parfois urée et glycérol) des membranes cellulaires biologiques. Elles permettent aux cellules des organes d'absorber, conserver ou excréter l'eau et jouent un rôle majeur dans le contrôle de l'hydratation des organismes vivants et dans la circulation de l'eau entre différents organes ou différentes parties d'une cellule. Elles autorisent l'eau à entrer et/ou sortir d'une cellule, sans laisser passer d'autres molécules (qui peuvent être toxiques et à maintenir hors des cellules ou au contraire principales aux cellules et à maintenir dans celles-ci). 
L’expression des aquaporines dans la membrane plasmique est régulée par des hormones (nous traiterons seulement la vasopressine dans ce blog) mais son fonctionnement peut être inhibé par certains agents toxiques (comme le mercure qui bloque le canal). 

Les aquaporines sont essentielles à l'activité d'organes tel que le rein (dont les cellules comportent 3 sortes d'aquaporines différentes : l'aquaporine 2, l'aquaporine 3 et l'aquaporine 4) et leurs dysfonctionnement sont liés à certaines maladies. 

Nous nous intéresserons ici à l'aquaporine 2, dont la mutation est responsable d'une maladie nommée diabète insipide, qui correspond à un dysfonctionnement de l'équilibre hydrique (rendez-vous sur la page "diabète insipide" pour en savoir plus). Pour connaître les conséquences d'une mutation sur une aquaporine, rendez vous au tableau du bas de la page "A quoi ça rime l'aquaporine?".