AQUAPORINI: FUNKCIJE, ZGRADBA IN VRSTE - BIOLOGIJA - 2025

V akvaporinov , znan tudi kot korit so proteinske molekule, ki gredo skozi biološke membrane. Odgovorni so za posredovanje hitrega in učinkovitega pretoka vode v celice in iz njih ter preprečujejo, da bi voda vplivala na značilne hidrofobne dele fosfolipidnih plasti.

Ti proteini spominjajo na sod in imajo zelo posebno molekularno strukturo, sestavljeno predvsem iz vijačnic. Široko so razširjene v različnih rodovih, tudi od majhnih mikroorganizmov do živali in rastlin, kjer jih je v izobilju.

Vir: avtor María Quezada Aranda, iz Wikimedia Commons

Zgodovinska perspektiva

Z osnovnim znanjem o fiziologiji in mehanizmih, ki se topilo gibljejo skozi membrane (aktivne in pasivne), bi lahko ugibali, da transport vode ne predstavlja nobenega problema, vstop in izstop iz celice s preprosto difuzijo.

Ta ideja obstaja že vrsto let. Nekateri raziskovalci pa so zaznali obstoj nekaj vodnega transportnega kanala, saj pri določenih vrstah celic z visoko prepustnostjo za vodo (kot je na primer ledvica) difuzija ne bi bila zadosten mehanizem za razlago prevoza od vode.

Zdravnik in raziskovalec Peter Agre je te proteinske kanale odkril leta 1992, medtem ko je delal z membrano eritrocitov. Zahvaljujoč temu odkritju je leta 2003 skupaj s kolegi osvojil Nobelovo nagrado. Ta prvi akvaporin se je imenoval "akvaporin 1".

Struktura

Oblika akvaporina spominja na pešce, z dvema simetričnima polovicama, ki sta usmerjeni drug proti drugemu. Ta struktura prečka dvojno lipidno membrano celice.

Treba je omeniti, da je oblika akvaporina zelo posebna in ne spominja na nobeno drugo vrsto proteinov, ki se širijo iz membran.

Zaporedja aminokislin so pretežno polarna. Za transmembranske proteine ​​je značilno, da imajo segment, bogat z alfa spiralnimi segmenti. Vendar pa akvaporini nimajo takšnih regij.

Zahvaljujoč uporabi trenutnih tehnologij je bila struktura porina podrobno razjasnjena: gre za monomere od 24 do 30 KDa, ki so sestavljeni iz šestih spiralnih segmentov z dvema majhnima segmentoma, ki obdajata citoplazmo in sta povezana z majhnimi porami.

Ti monomeri so sestavljeni v skupino štirih enot, čeprav lahko vsak deluje neodvisno. V majhnih helikopterjih je nekaj ohranjenih motivov, med njimi tudi NPA.

V nekaterih akvaporinih, ki jih najdemo pri sesalcih (AQP4), se pojavljajo višje agregacije, ki tvorijo supramolekalne kristalne ureditve.

Za prevoz vode je notranja stran beljakovin polarna, zunanja pa nepolarna, v nasprotju z običajnimi krogličnimi beljakovinami.

Vir: Avtor ni predložil strojno berljivega avtorja. DanielMCR prevzel (na podlagi trditev o avtorskih pravicah). , prek Wikimedia Commons

Lastnosti

Vloga akvaporinov je posredovanje prenosa vode v celico kot odgovor na osmotski gradient. Ne potrebuje dodatne sile ali črpanja: voda vstopi in zapusti celico z osmozo, ki jo posreduje akvaporin. Nekatere različice nosijo tudi molekule glicerola.

Da bi izvedli ta transport in znatno povečali prepustnost za vodo, je celična membrana napolnjena z molekulami akvaporina, in sicer v gostoti 10.000 kvadratnih mikrometrov.

Funkcije pri živalih

Vodni transport je ključnega pomena za organizme. Vzemimo poseben primer ledvic: vsak dan morajo filtrirati ogromne količine vode. Če se ta postopek ne odvija pravilno, bi bile posledice usodne.

Poleg koncentracije v urinu so akvaporini vključeni v splošno homeostazo tekočine v telesu, delovanje možganov, izločanje žlez, hidratacijo kože, plodnost moških, vid, sluh - če omenimo le nekaj procesov biološki.

V poskusih, izvedenih na miših, je bilo sklenjeno, da sodelujejo tudi pri celični migraciji, vlogi, ki je daleč odmaknjena od vodnega prometa.

Funkcije v rastlinah

Akvaporini so v rastlinskem kraljestvu večinoma raznoliki. Ključni procesi, kot so potenje, razmnoževanje, presnova, posredujejo v teh organizmih.

Poleg tega imajo pomembno vlogo kot prilagodljivi mehanizem v okoljih, katerih okoljski pogoji niso optimalni.

Delovanje v mikroorganizmih

Čeprav so akvaporini prisotni v mikroorganizmih, specifične funkcije še niso našli.

V glavnem iz dveh razlogov: visoko razmerje med površino in volumnom mikrobov predvideva hitro osmotsko ravnovesje (zaradi česar so akvaporini nepotrebni) in študije delecij mikrobov niso prinesle jasnega fenotipa.

Vendar se domneva, da lahko akvaporini nudijo določeno zaščito pred zaporednimi zmrzovanjem in odtajevanjem, pri čemer ohranjajo prepustnost vode v membranah pri nizkih temperaturah.

Vrste

Molekule akvaporina so znane iz različnih rodov, tako v rastlinah kot pri živalih in v manj zapletenih organizmih, ki se med seboj zelo spominjajo - domnevamo, da so se pojavile že zgodaj v evoluciji.

V rastlinah najdemo približno 50 različnih molekul, sesalcev pa jih ima le 13, razporejenih po različnih tkivih, kot so epitelno in endotelno tkivo ledvic, pljuč, zunanjih žlez in organov, povezanih s prebavo.

Toda akvaporini se lahko izrazijo tudi v tkivih, ki nimajo očitnega in neposrednega razmerja s transportom tekočine v telesu, na primer v astrocitih centralnega živčnega sistema in v določenih predelih očesa, kot sta roženica in ciliarni epitelij.

Akvaporini so celo v membrani gliv, bakterij (kot je E. coli) in v membranah organelov, kot so kloroplasti in mitohondriji.

Medicinske patologije, povezane z akvaporini

Pri bolnikih, ki imajo okvaro zaporedja akvaporina 2 v ledvičnih celicah, morajo piti več kot 20 litrov vode, da ostanejo hidrirani. V teh medicinskih primerih ni ustrezne koncentracije urina.

Nasproten primer ima za posledico tudi zanimiv klinični primer: proizvodnja akvaporina 2 v presežku vodi do zadrževanja prekomerne tekočine pri pacientu.

Med nosečnostjo se poveča sinteza akvaporinov. To dejstvo razloži pogosto zadrževanje tekočine pri bodočih materah. Prav tako je odsotnost akvaporina 2 povezana z razvojem določene vrste sladkorne bolezni.

Reference

1. Brown, D. (2017). Odkritje vodnih kanalov (akvaporini). Anali prehrane in presnove, 70 (Suppl. 1), 37–42.
2. Campbell A, N., & Reece, JB (2005). Biologija. Uredništvo Médica Panamericana.
3. Lodish, H. (2005). Celična in molekularna biologija. Uredništvo Médica Panamericana.
4. Park, W., Scheffler, BE, Bauer, PJ, & Campbell, BT (2010). Identifikacija družine akvaporinskih genov in njihova ekspresija v gorskih bombažih (Gossypium hirsutum L.). Biološka rastlina BMC, 10 (1), 142.
5. Pelagalli, A., Squillacioti, C., Mirabella, N., & Meli, R. (2016). Akvaporini v zdravju in boleznih: pregled, ki se osredotoča na črevesje različnih vrst. Mednarodna revija za molekularne znanosti, 17 (8), 1213.
6. Sadava, D., & Purves, WH (2009). Življenje: Nauk o biologiji. Uredništvo Médica Panamericana.
7. Verkman, AS (2012). Akvaporini v klinični medicini. Letni pregled medicine, 63, 303–316.
8. Verkman, AS, in Mitra, AK (2000). Zgradba in funkcija vodnih kanalov akvaporina. American Journal of Physiology-Renal Physiology, 278 (1), F13-F28.
9. Verkman, AS (2013). Akvaporini. Trenutna biologija, 23 (2), R52-5.