Funkce, struktura a typy aquaporinů

The aquaporiny, Také známé jako vodní kanály, jsou to molekuly proteinové povahy, které procházejí biologickými membránami. Jsou odpovědné za zprostředkování rychlého a účinného toku vody dovnitř a ven z buněk a zabraňují interakci vody s typickými hydrofobními částmi fosfolipidových dvojvrstev..

Tyto proteiny připomínají hlaveň a mají velmi zvláštní molekulární strukturu složenou převážně ze šroubovic. Jsou široce distribuovány v různých liniích, včetně od malých mikroorganismů po zvířata a rostliny, kde jsou hojné..

Rejstřík článků

• 1 Historická perspektiva
• 2 Struktura
• 3 funkce
  • 3.1 Funkce u zvířat
  • 3.2 Funkce v rostlinách
  • 3.3 Funkce v mikroorganismech
• 4 typy
• 5 Lékařské patologie spojené s aquaporiny
• 6 Reference

Historická perspektiva

Se základními znalostmi z fyziologie a mechanismů, které se soluty pohybují membránami (aktivní i pasivní), bychom mohli hádat, že vodní doprava nepředstavuje žádný problém, vstup a výstup z buňky jednoduchou difúzí.

Tato myšlenka existuje už mnoho let. Někteří vědci však objevili existenci nějakého vodního transportního kanálu, protože u určitých typů buněk s vysokou permeabilitou pro vodu (například ledviny) by difúze nebyla dostatečným mechanismem k vysvětlení transportu vody..

Lékař a výzkumník Peter Agre objevil tyto proteinové kanály v roce 1992 při práci s membránou erytrocytů. Díky tomuto objevu získal (společně se svými kolegy) Nobelovu cenu v roce 2003. Tento první aquaporin získal název „aquaporin 1“.

Struktura

Tvar aquaporinu připomíná přesýpací hodiny se dvěma symetrickými polovinami orientovanými proti sobě. Tato struktura prochází dvojitou lipidovou membránou buňky.

Stojí za zmínku, že tvar aquaporinu je velmi konkrétní a nepodobá se žádnému jinému typu proteinů překlenujících membránu..

Aminokyselinové sekvence jsou převážně polární. Transmembránové proteiny jsou charakterizovány tím, že mají segment bohatý na alfa spirálové segmenty. Aquaporiny však takové regiony postrádají..

Díky použití současných technologií byla struktura porinu podrobně objasněna: jsou to monomery od 24 do 30 KDa, které se skládají ze šesti šroubovicových segmentů se dvěma malými segmenty, které obklopují cytoplazmu a jsou spojeny malým pórem..

Tyto monomery jsou sestaveny do skupiny čtyř jednotek, i když každá z nich může fungovat samostatně. U malých vrtulí existují některé konzervované motivy, včetně NPA.

U některých aquaporinů nalezených u savců (AQP4) dochází k vyšším agregacím, které tvoří supramolekální krystalová uspořádání.

Za účelem transportu vody je vnitřek proteinu polární a vnějšek nepolární, na rozdíl od běžných globulárních proteinů..

Funkce

Úlohou aquaporinů je zprostředkovat transport vody do buňky v reakci na osmotický gradient. Nepotřebuje žádnou další sílu ani čerpání: voda vstupuje a opouští buňku osmózou zprostředkovanou aquaporinem. Některé varianty také nesou molekuly glycerolu.

K provedení tohoto transportu a podstatnému zvýšení propustnosti pro vodu je buněčná membrána plná molekul aquaporinu v řádu hustoty 10 000 čtverečních mikrometrů..

Funkce u zvířat

Přeprava vody je pro organismy životně důležitá. Vezměte si konkrétní příklad ledvin: musí každý den filtrovat obrovské množství vody. Pokud k tomuto procesu nedojde správně, následky by byly fatální.

Kromě koncentrace moči jsou aquaporiny zapojeny do celkové homeostázy tělesných tekutin, funkce mozku, sekrece žláz, hydratace pokožky, mužské plodnosti, zraku, sluchu - stačí zmínit několik biologických procesů.

V experimentech prováděných na myších se dospělo k závěru, že se také účastní buněčné migrace, což je role, která je daleko od transportu vody.

Funkce v rostlinách

Aquaporiny jsou v rostlinné říši většinou rozmanité. V těchto organismech zprostředkovávají klíčové procesy, jako je pot, reprodukce, metabolismus.

Kromě toho hrají důležitou roli jako adaptivní mechanismus v prostředích, jejichž podmínky prostředí nejsou optimální..

Funkce v mikroorganismech

Ačkoli jsou aquaporiny přítomny v mikroorganismech, dosud nebyla nalezena jejich specifická funkce.

Hlavně ze dvou důvodů: vysoký poměr povrchu k objemu mikrobů předpokládá rychlou osmotickou rovnováhu (což činí aquaporiny zbytečnými) a studie delecí v mikrobech nepřinesly jasný fenotyp.

Předpokládá se však, že aquaporiny mohou nabídnout určitou ochranu proti postupnému mrznutí a rozmrazování při zachování propustnosti vody v membránách při nízkých teplotách..

Typy

Molekuly aquaporinu jsou známy z různých linií, a to jak u rostlin, zvířat, tak u méně složitých organismů, a ty se navzájem velmi podobají - předpokládáme tedy, že se objevily na počátku evoluce.

V rostlinách bylo nalezeno asi 50 různých molekul, zatímco savci jen 13, distribuovaných v různých tkáních, jako jsou epiteliální a endoteliální tkáně ledvin, plic, exokrinních žláz a orgánů souvisejících s trávením..

Avšak aquaporiny mohou být také exprimovány ve tkáních, které nemají zjevný a přímý vztah s transportem tekutin v těle, jako jsou astrocyty centrálního nervového systému a v určitých oblastech oka, jako je rohovka a řasnatý epitel..

Aquaporiny jsou dokonce i v membráně hub, bakterií (např E-coli) a v membránách organel, jako jsou chloroplasty a mitochondrie.

Lékařské patologie spojené s aquaporiny

U pacientů, kteří mají poruchu v sekvenci aquaporinu 2 přítomného v ledvinových buňkách, musí vypít více než 20 litrů vody, aby zůstali hydratovaní. V těchto lékařských případech není adekvátní koncentrace moči..

Opačný případ vede také k zajímavému klinickému případu: nadměrná produkce aquaporinu 2 vede k zadržování nadměrné tekutiny u pacienta.

Během těhotenství dochází ke zvýšení syntézy aquaporinů. Tato skutečnost vysvětluje běžnou retenci tekutin u nastávajících matek. Podobně byla absence aquaporinu 2 spojena s výskytem určitého typu cukrovky.

Reference

1. Brown, D. (2017). Objev vodních kanálů (aquaporiny). Annals of Nutrition and Metabolism, 70(Příloha 1), 37-42.
2. Campbell A, N., & Reece, J. B. (2005). biologie. Panamerican Medical Editorial.
3. Lodish, H. (2005). Buněčná a molekulární biologie. Panamerican Medical Editorial.
4. Park, W., Scheffler, B. E., Bauer, P. J. a Campbell, B. T. (2010). Identifikace rodiny genů aquaporinu a jejich exprese v horské bavlně (Gossypium hirsutum L.). Biologie rostlin BMC, 10(1), 142.
5. Pelagalli, A., Squillacioti, C., Mirabella, N., & Meli, R. (2016). Zdraví a nemoci aquaporiny: Přehled zaměřený na střeva různých druhů. Mezinárodní žurnál molekulárních věd, 17(8), 1213.
6. Sadava, D., & Purves, W. H. (2009). Life: The Science of Biology. Panamerican Medical Editorial.
7. Verkman, A. S. (2012). Aquaporiny v klinické medicíně. Každoroční přezkum léku, 63, 303-316.
8. Verkman, A. S., a Mitra, A. K. (2000). Struktura a funkce vodních kanálů aquaporinu. American Journal of Physiology-Renal Physiology, 278(1), F13-F28.
9. Verkman, A.S. (2013). Aquaporiny. Aktuální biologie, 23 (2), R52-5.