AQUAPORINY: FUNKCE, STRUKTURA A TYPY - BIOLOGIE - 2025

Tyto aquaporiny, také známý jako vodní kanály jsou proteinové molekuly, které procházejí biologické membrány. Jsou odpovědné za zprostředkování rychlého a účinného proudění vody do a z buněk, což zabraňuje interakci vody s typickými hydrofobními částmi fosfolipidových dvojvrstev.

Tyto proteiny připomínají barel a mají velmi zvláštní molekulární strukturu, tvořenou hlavně helixy. Jsou široce distribuovány v různých liniích, včetně malých mikroorganismů po zvířata a rostliny, kde jsou hojné.

Zdroj: María Quezada Aranda, z Wikimedia Commons

Historická perspektiva

Se základními znalostmi fyziologie a mechanismů, které se soluty pohybují přes membrány (aktivní a pasivní), bychom mohli hádat, že vodní transport není problém, vstup a výstup z buňky jednoduchou difúzí.

Tato myšlenka existuje již mnoho let. Někteří vědci však objevili existenci nějakého vodního dopravního kanálu, protože v určitých typech buněk s vysokou permeabilitou pro vodu (například ledviny) by difúze nebyla dostatečným mechanismem pro vysvětlení transportu. z vody.

Lékař a vědec Peter Agre objevil tyto proteinové kanály v roce 1992, zatímco pracoval s membránou erytrocytů. Díky tomuto objevu získal v roce 2003 (společně se svými kolegy) Nobelovu cenu. Tento první aquaporin se jmenoval „aquaporin 1“.

Struktura

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

Je třeba zmínit, že tvar aquaporinu je velmi specifický a nepodobá se žádnému jinému typu proteinů, které překlenují membránu.

Aminokyselinové sekvence jsou převážně polární. Transmembránové proteiny se vyznačují tím, že mají segment bohatý na alfa helikální 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 spirálových 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 nezávisle. V malých helixech existují některé konzervované motivy, včetně NPA.

U některých akvaporinů vyskytujících se u savců (AQP4) se vyskytují vyšší agregace, které vytvářejí supramolequální krystalová uspořádání.

Pro transport vody je vnitřek proteinu polární a vnější je nepolární, na rozdíl od běžných globulárních proteinů.

Zdroj: Autor Nebyl poskytnut žádný strojově čitelný autor. DanielMCR předpokládá (na základě nároků na autorská práva)., prostřednictvím Wikimedia Commons

Funkce

Role akvaporinů 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.

Aby se tento transport uskutečnil a aby se podstatně zvýšila propustnost pro vodu, je buněčná membrána plná molekul aquaporinu v hustotě 10 000 čtverečních mikrometrů.

Funkce u zvířat

Vodní doprava je pro organismy životně důležitá. Vezměme si konkrétní příklad ledvin: musí filtrovat obrovské množství vody každý den. Pokud tento proces nenastane správně, následky by byly fatální.

Kromě koncentrace moči se aquaporiny podílejí také na homeostáze tělesných tekutin, mozkových funkcích, sekreci žláz, hydrataci kůže, mužské plodnosti, zraku, sluchu - abychom zmínili několik procesů biologický.

Při pokusech prováděných na myších byl učiněn závěr, že se také účastní migrace buněk, což je role, která je daleko od vodní dopravy odstraněna.

Funkce v rostlinách

Aquaporiny jsou v rostlinné říši většinou rozmanité. V těchto organismech zprostředkovávají zásadní 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 aquaporiny jsou přítomny v mikroorganismech, konkrétní funkce dosud nebyla nalezena.

Hlavně ze dvou důvodů: vysoký poměr povrchu k objemu mikrobů znamená rychlou osmotickou rovnováhu (zbytečnost akvaporinů) a studie delecí v mikrobech nepřinesly jasný fenotyp.

Předpokládá se však, že aquaporiny mohou nabídnout určitou ochranu před následnými zmrazovacími a rozmrazovacími událostmi a udržovat propustnost vody v membránách při nízkých teplotách.

Typy

Molekuly Aquaporinu jsou známé z různých linií, a to jak u rostlin a zvířat, tak u méně složitých organismů, které se velmi podobají sobě - ​​předpokládáme, že se objevily na počátku evoluce.

V rostlinách bylo nalezeno asi 50 různých molekul, zatímco savci mají pouze 13 distribuovaných v různých tkáních, jako je epiteliální a endoteliální tkáň ledvin, plic, exokrinních žláz a orgánů souvisejících se trávením.

Aquaporiny však mohou být také exprimovány ve tkáních, které nemají zřejmý a přímý vztah k transportu tekutin v těle, jako jsou astrocyty centrálního nervového systému a v určitých oblastech oka, jako je rohovka a ciliární epitel.

Aquaporiny existují dokonce i v membráně hub, bakterií (jako je E. coli) a v membránach 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 pít více než 20 litrů vody, aby zůstali hydratovaní. V těchto lékařských případech není dostatečná koncentrace moči.

Opačný případ také vede k zajímavému klinickému případu: produkce nadměrného množství aquaporinu 2 vede k zadržování nadbytečné tekutiny v pacientovi.

Během těhotenství dochází ke zvýšení syntézy aquaporinů. Tato skutečnost vysvětluje běžné zadržování tekutin u nastávajících matek. Podobně nepřítomnost aquaporinu 2 souvisí s vývojem určitého typu diabetu.

Reference

1. Brown, D. (2017). Objev vodních kanálů (Aquaporins). Annals of Nutrition and Metabolism, 70 (Suppl. 1), 37-42.
2. Campbell A, N., & Reece, JB (2005). Biologie. Editorial Médica Panamericana.
3. Lodish, H. (2005). Buněčná a molekulární biologie. Editorial Médica Panamericana.
4. Park, W., Scheffler, BE, Bauer, PJ a Campbell, BT (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). Aquaporiny ve zdraví a nemoci: Přehled zaměřený na střeva různých druhů. Mezinárodní žurnál molekulárních věd, 17 (8), 1213.
6. Sadava, D., a Purves, WH (2009). Life: The Science of Biology. Editorial Médica Panamericana.
7. Verkman, AS (2012). Aquaporiny v klinické medicíně. Roční přehled medicíny, 63, 303-316.
8. Verkman, AS, a Mitra, AK (2000). Struktura a funkce vodních kanálů aquaporinu. American Journal of Physiology-Renal Physiology, 278 (1), F13-F28.
9. Verkman, AS (2013). Aquaporiny. Aktuální biologie, 23 (2), R52-5.