Funkcje, budowa i rodzaje akwaporyn

Plik akwaporyny, Znane również jako kanały wodne, są cząsteczkami o charakterze białkowym, które przechodzą przez błony biologiczne. Odpowiadają za pośredniczenie w szybkim i wydajnym przepływie wody do iz komórek, zapobiegając interakcji wody z typowymi hydrofobowymi częściami dwuwarstw fosfolipidowych..

Białka te przypominają beczkę i mają bardzo szczególną strukturę molekularną, złożoną głównie z helis. Są szeroko rozpowszechnione w różnych liniach, w tym od małych mikroorganizmów po zwierzęta i rośliny, gdzie są liczne..

Indeks artykułów

• 1 Perspektywa historyczna
• 2 Struktura
• 3 Funkcje
  • 3.1 Funkcje u zwierząt
  • 3.2 Funkcje w roślinach
  • 3.3 Funkcje w mikroorganizmach
• 4 rodzaje
• 5 Patologie medyczne związane z akwaporynami
• 6 Odnośniki

Perspektywa historyczna

Mając podstawową wiedzę z zakresu fizjologii i mechanizmów poruszania się substancji rozpuszczonych przez błony (czynne i bierne), możemy się domyślać, że transport wody nie stanowi żadnego problemu, wchodzenie i wychodzenie z komórki poprzez prostą dyfuzję.

Ten pomysł istnieje od wielu lat. Jednak niektórzy badacze odkryli istnienie jakiegoś kanału transportu wodnego, ponieważ w niektórych typach komórek o wysokiej przepuszczalności wody (takich jak na przykład nerki) dyfuzja nie byłaby wystarczającym mechanizmem do wyjaśnienia transportu. Wody..

Lekarz i badacz Peter Agre odkrył te kanały białkowe w 1992 roku podczas pracy z błoną erytrocytów. Dzięki temu odkryciu zdobył (wraz z kolegami) Nagrodę Nobla w 2003 roku. Ta pierwsza akwaporyna otrzymała nazwę „akwaporyna 1”.

Struktura

Kształt akwaporyny przypomina klepsydrę, z dwiema symetrycznymi połówkami zorientowanymi naprzeciw siebie. Ta struktura przecina podwójną błonę lipidową komórki.

Warto wspomnieć, że kształt akwaporyny jest bardzo szczególny i nie przypomina żadnego innego typu białek tworzących błonę..

Sekwencje aminokwasów są przeważnie polarne. Białka transbłonowe charakteryzują się tym, że posiadają segment bogaty w alfa-helikalne segmenty. Jednak akwaporyny nie mają takich regionów..

Dzięki zastosowaniu współczesnych technologii szczegółowo wyjaśniono strukturę porin: są to monomery o masie od 24 do 30 KDa, które składają się z sześciu helikalnych segmentów z dwoma małymi segmentami, które otaczają cytoplazmę i są połączone niewielkimi porami..

Te monomery są zebrane w grupę czterech jednostek, chociaż każda z nich może działać niezależnie. W małych śmigłach zachowało się kilka motywów, w tym NPA.

W niektórych akwaporynach występujących u ssaków (AQP4) występują wyższe agregacje, które tworzą supramolejkowe układy kryształów.

Aby transportować wodę, wnętrze białka jest polarne, a strona zewnętrzna jest niepolarna, w przeciwieństwie do zwykłych białek globularnych..

funkcje

Rolą akwaporyn jest pośrednictwo w transporcie wody do komórki w odpowiedzi na gradient osmotyczny. Nie wymaga dodatkowej siły ani pompowania: woda wpływa i wypływa z komórki na drodze osmozy, w której pośredniczy akwaporyna. Niektóre warianty zawierają również cząsteczki glicerolu.

Aby przeprowadzić ten transport i znacznie zwiększyć przepuszczalność wody, błona komórkowa jest pełna cząsteczek akwaporyny o gęstości rzędu 10 000 mikrometrów kwadratowych..

Funkcje u zwierząt

Transport wody jest niezbędny dla organizmów. Weźmy konkretny przykład nerki: muszą codziennie filtrować ogromne ilości wody. Jeśli ten proces nie przebiegnie prawidłowo, konsekwencje będą fatalne.

Oprócz stężenia moczu akwaporyny biorą udział w ogólnej homeostazie płynów ustrojowych, funkcjonowaniu mózgu, wydzielaniu gruczołów, nawilżeniu skóry, płodności u mężczyzn, wzroku, słuchu - żeby wymienić tylko kilka procesów biologicznych.

W eksperymentach przeprowadzonych na myszach stwierdzono, że biorą one również udział w migracji komórek, której rola jest bardzo odległa od transportu wody.

Funkcje w roślinach

Akwaporyny są najbardziej zróżnicowane w królestwie roślin. W tych organizmach pośredniczą kluczowe procesy, takie jak pocenie się, rozmnażanie, metabolizm.

Ponadto odgrywają ważną rolę jako mechanizm adaptacyjny w środowiskach, w których warunki środowiskowe nie są optymalne..

Funkcje w mikroorganizmach

Chociaż akwaporyny są obecne w mikroorganizmach, nie znaleziono jeszcze określonej funkcji.

Głównie z dwóch powodów: wysoki stosunek powierzchni do objętości drobnoustrojów zakłada szybką równowagę osmotyczną (czyniąc akwaporyny niepotrzebnymi), a badania delecji w drobnoustrojach nie dały wyraźnego fenotypu.

Jednak spekuluje się, że akwaporyny mogą stanowić pewną ochronę przed kolejnymi zdarzeniami zamarzania i rozmrażania, utrzymując przepuszczalność wody w membranach w niskich temperaturach..

Rodzaje

Cząsteczki akwaporyny są znane z różnych linii, zarówno u roślin i zwierząt, jak i u mniej złożonych organizmów i te bardzo do siebie przypominają - zakładamy wówczas, że pojawiły się one na wczesnym etapie ewolucji.

W roślinach znaleziono około 50 różnych cząsteczek, podczas gdy u ssaków tylko 13, rozmieszczonych w różnych tkankach, takich jak tkanka nabłonka i śródbłonka nerek, płuc, gruczołów zewnątrzwydzielniczych i narządów związanych z trawieniem..

Jednak akwaporyny mogą również ulegać ekspresji w tkankach, które nie mają oczywistego i bezpośredniego związku z transportem płynów w organizmie, takich jak astrocyty ośrodkowego układu nerwowego oraz w niektórych obszarach oka, takich jak rogówka i nabłonek rzęskowy..

Akwaporyny występują nawet w błonie grzybów, bakterii (np E coli) oraz w błonach organelli, takich jak chloroplasty i mitochondria.

Patologie medyczne związane z akwaporynami

Pacjenci, którzy mają defekt w sekwencji akwaporyny 2 obecnej w komórkach nerkowych, muszą wypić ponad 20 litrów wody, aby zachować nawodnienie. W tych przypadkach medycznych nie ma odpowiedniego stężenia moczu..

Odwrotny przypadek skutkuje również interesującym przypadkiem klinicznym: nadmierna produkcja akwaporyny 2 prowadzi do zatrzymania nadmiaru płynu u pacjenta.

W czasie ciąży następuje wzrost syntezy akwaporyn. Fakt ten wyjaśnia powszechne zatrzymywanie płynów u kobiet w ciąży. Podobnie brak akwaporyny 2 został powiązany z pojawieniem się pewnego rodzaju cukrzycy.

Bibliografia

1. Brown, D. (2017). Odkrycie kanałów wodnych (akwaporyny). Roczniki odżywiania i metabolizmu, 70(Dodatek 1), 37-42.
2. Campbell A, N. i Reece, J. B. (2005). biologia. Panamerican Medical Editorial.
3. Lodish, H. (2005). Biologia komórkowa i molekularna. Panamerican Medical Editorial.
4. Park, W., Scheffler, B. E., Bauer, P. J. i Campbell, B. T. (2010). Identyfikacja rodziny genów akwaporyn i ich ekspresja w bawełnie wyżynnej (Gossypium hirsutum L.). Biologia roślin BMC, 10(1), 142.
5. Pelagalli, A., Squillacioti, C., Mirabella, N. i Meli, R. (2016). Akwaporyny w zdrowiu i chorobie: przegląd skupiający się na jelitach różnych gatunków. Międzynarodowe czasopismo nauk molekularnych, 17(8), 1213.
6. Sadava, D. i Purves, W. H. (2009). Life: The Science of Biology. Panamerican Medical Editorial.
7. Verkman, A. S. (2012). Akwaporyny w medycynie klinicznej. Coroczny przegląd medycyny, 63, 303-316.
8. Verkman, A. S. i Mitra, A. K. (2000). Budowa i funkcja akwaporynowych kanałów wodnych. American Journal of Physiology-Renal Physiology, 278(1), F13-F28.
9. Verkman, A.S. (2013). Akwaporyny. Current biology, 23 (2), R52-5.