AKWAPORYNY: FUNKCJE, BUDOWA I RODZAJE - BIOLOGIA - 2026

W akwaporyny , znane także jako kanały wodne są cząsteczki białkowe, które przechodzą przez błony biologiczne. Odpowiadają za pośrednictwo 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, składającą się głównie z helis. Są szeroko rozpowszechnione w różnych liniach, w tym od małych mikroorganizmów po zwierzęta i rośliny, gdzie są liczne.

Źródło: María Quezada Aranda, źródło Wikimedia Commons

Perspektywa historyczna

Mając podstawową wiedzę z zakresu fizjologii i mechanizmów poruszania się substancji rozpuszczonych przez błony (czynne i bierne), można było domyślić się, że transport wody nie stanowi żadnego problemu, wchodząc i wychodząc z komórki na drodze prostej dyfuzji.

Ten pomysł istnieje od wielu lat. Jednak niektórzy badacze wykryli 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 Z wody.

Lekarz i badacz Peter Agre odkrył te kanały białkowe w 1992 roku, pracując z błoną erytrocytów. Dzięki temu odkryciu zdobył (wraz z kolegami) w 2003 roku Nagrodę Nobla. Ten pierwszy akwaporyn otrzymał nazwę „akwaporyna 1”.

Struktura

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

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

Sekwencje aminokwasowe 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 spiralnych segmentów z dwoma małymi segmentami, które otaczają cytoplazmę i są połączone małym porem.

Te monomery są zebrane w grupę czterech jednostek, chociaż każda z nich może działać niezależnie. W małych helisach zachowały się motywy, w tym NPA.

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

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

Źródło: przez: Nie podano autora do odczytu maszynowego. Założono, że DanielMCR (na podstawie roszczeń dotyczących praw autorskich). , za pośrednictwem Wikimedia Commons

cechy

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 wypełniona cząsteczkami akwaporyny o gęstości rzędu 10 000 mikrometrów kwadratowych.

Funkcje u zwierząt

Transport wody jest niezbędny dla organizmów. Weźmy konkretny przykład nerek: codziennie muszą 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 męskiej, wzroku, słuchu - żeby wymienić tylko kilka procesów biologiczny.

W eksperymentach przeprowadzonych na myszach wyciągnięto wniosek, że biorą one również udział w migracji komórek, której rola jest daleka od transportu wody.

Funkcje w roślinach

Akwaporyny są przeważnie 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 implikuje szybką równowagę osmotyczną (czyniąc akwaporyny niepotrzebnymi), a badania delecji w drobnoustrojach nie przyniosły wyraźnego fenotypu.

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

Rodzaje

Cząsteczki akwaporyny są znane z różnych linii, zarówno u roślin, jak iu zwierząt oraz w organizmach mniej złożonych 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 nabłonkowa i śródbłonkowa 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, na przykład w astrocytach 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 takich przypadkach 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 jest powiązany z rozwojem pewnego typu cukrzycy.

Bibliografia

1. Brown, D. (2017). Odkrycie kanałów wodnych (akwaporyny). Annals of Nutrition and Metabolism, 70 (Dodatek 1), 37-42.
2. Campbell A, N. i Reece, JB (2005). Biologia. Artykuł redakcyjny Médica Panamericana.
3. Lodish, H. (2005). Biologia komórkowa i molekularna. Artykuł redakcyjny Médica Panamericana.
4. Park, W., Scheffler, BE, Bauer, PJ i Campbell, BT (2010). Identyfikacja rodziny genów akwaporyn i ich ekspresja w bawełnie wyżynnej (Gossypium hirsutum L.). BMC plant biology, 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, WH (2009). Życie: nauka biologii. Artykuł redakcyjny Médica Panamericana.
7. Verkman, AS (2012). Akwaporyny w medycynie klinicznej. Coroczny przegląd medycyny, 63, 303-316.
8. Verkman, AS i Mitra, AK (2000). Budowa i funkcja kanałów wodnych akwaporyny. American Journal of Physiology-Renal Physiology, 278 (1), F13-F28.
9. Verkman, AS (2013). Akwaporyny. Current biology, 23 (2), R52-5.