Funkcje, struktura i rodzaje akwaporyn



The akwaporyny, znane również jako kanały wodne, są cząsteczkami o charakterze białkowym, które przekraczają błony biologiczne. Są one odpowiedzialne za pośredniczenie w szybkim i skutecznym przepływie wody do iz komórek, zapobiegając oddziaływaniu wody z częściami hydrofobowymi typowymi dla dwuwarstw fosfolipidowych..

Białka te przypominają beczkę i mają bardzo szczególną strukturę molekularną, składającą się głównie z helis. Są one szeroko rozpowszechnione w różnych liniach, w tym od drobnych mikroorganizmów do zwierząt i roślin, gdzie są obfite.

Indeks

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

Perspektywa historyczna

Mając podstawową wiedzę z zakresu fizjologii i mechanizmów, które substancje rozpuszczone poruszają się przez membrany (aktywne i pasywne), możemy wyczuć, że transport wody nie zakłada żadnego problemu, wchodząc i wychodząc z komórki przez prostą dyfuzję.

Ten pomysł był obsługiwany przez wiele lat. Jednak niektórzy badacze dostrzegli istnienie jakiegoś kanału transportu wody, ponieważ w niektórych typach komórek o wysokiej przepuszczalności wody (takich jak na przykład nerka), dyfuzja nie byłaby wystarczająca, aby wyjaśnić transport wody.

Lekarz i badacz Peter Agre odkrył te kanały białkowe w 1992 r., Pracując z błoną erytrocytów. Dzięki temu odkryciu wygrał (wraz ze swoimi kolegami) Nagrodę Nobla w 2003 r. Ten pierwszy akwaporyn nosił nazwę „Aquaporin 1”.

Struktura

Kształt akwaporyny przypomina klepsydrę, z dwiema symetrycznymi połówkami zorientowanymi w przeciwnych kierunkach. Ta struktura przecina podwójną błonę lipidową komórki.

Należy wspomnieć, że postać akwaporynowa jest bardzo szczególna i nie przypomina żadnego innego rodzaju białek, które przechodzą przez błonę.

Sekwencje aminokwasowe są głównie polarne. Białka transbłonowe charakteryzują się tym, że mają segment bogaty w segmenty helikalne alfa. Jednak akwaporynom brakuje takich regionów.

Dzięki zastosowaniu obecnych technologii możliwe było szczegółowe wyjaśnienie struktury porynowej: są to monomery od 24 do 30 KDa składające się z sześciu spiralnych segmentów z dwoma małymi segmentami, które otaczają cytoplazmę i są połączone małym poriem.

Monomery te są połączone w grupę czterech jednostek, chociaż każda z nich może działać niezależnie. W małych śmigłach występują pewne konserwatywne motywy, w tym NPA.

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

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

Funkcje

Funkcja akwaporyn polega na pośredniczeniu w transporcie wody do wnętrza komórki w odpowiedzi na gradient osmotyczny. Nie wymaga żadnej dodatkowej siły ani pompowania: woda wchodzi i opuszcza komórkę przez osmozę, w której pośredniczy akwaporyna. Niektóre warianty zawierają także cząsteczki glicerolu.

Aby przeprowadzić ten transport i znacznie zwiększyć przepuszczalność wody, błona komórkowa jest wypełniona cząsteczkami akwaporyny, w kolejności gęstości 10 000 mikrometrów kwadratowych.

Funkcje u zwierząt

Transport wody jest niezbędny dla organizmów. Weźmy punktualny przykład nerek: powinni codziennie filtrować ogromne ilości wody. Jeśli ten proces nie nastąpi prawidłowo, konsekwencje byłyby śmiertelne.

Oprócz stężenia moczu, akwaporyny są zaangażowane w ogólną homeostazę płynów ustrojowych, czynności mózgu, wydzielania gruczołów, nawilżenia skóry, płodności u mężczyzn, wzroku, słuchu - by wymienić tylko kilka procesów biologiczny.

W eksperymentach przeprowadzonych na myszach stwierdzono, że uczestniczą one również w migracji komórek, roli, która jest daleko od transportu wodnego.

Funkcje w roślinach

Akwaporyny są głównie zróżnicowane w królestwie roślin. W tych organizmach pośredniczą w kluczowych procesach, takich 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 objętości powierzchni drobnoustrojów zakłada szybką równowagę osmotyczną (niepotrzebne akwaporyny), a badania delecji mikrobiologicznych nie dały wyraźnego fenotypu.

Spekuluje się jednak, że akwaporyny mogą zapewnić pewną ochronę przed kolejnymi zdarzeniami zamrażania i rozmrażania, utrzymując przepuszczalność wody w membranach w niskich temperaturach.

Typy

Cząsteczki akwaporyny są znane w różnych liniach, zarówno w roślinach i zwierzętach, jak iw mniej złożonych organizmach, i te ściśle do siebie przypominają - zakładamy więc, że pojawiły się one na początku ewolucji.

W roślinach znaleziono około 50 różnych cząsteczek, podczas gdy ssaki mają tylko 13, rozmieszczonych przez różne tkanki, takie jak tkanka nabłonkowa i śródbłonkowa nerek, płuc, gruczołów zewnątrzwydzielniczych i narządów związanych z trawieniem.

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

W błonie grzybów są bakterie (jak E. coli) oraz w błonach organelli, takich jak chloroplasty i mitochondria.

Patologie medyczne związane z akwaporynami

U pacjentów, którzy mają jakąś wadę w sekwencji akwaporyny 2 obecnej w komórkach nerki, muszą wziąć więcej niż 20 litrów wody, aby zachować nawodnienie. W tych przypadkach medycznych nie ma odpowiedniej koncentracji moczu.

Przeciwny przypadek prowadzi również do interesującego przypadku klinicznego: wytwarzanie nadmiaru akwaporyny 2 prowadzi do nadmiernego zatrzymywania płynów u pacjenta.

W okresach ciąży wzrasta synteza akwaporyn. Fakt ten wyjaśnia częste zatrzymywanie płynów u przyszłych matek. Podobnie, brak akwaporyny 2 jest związany z pojawieniem się pewnego rodzaju cukrzycy.

Referencje

  1. Brown, D. (2017). Odkrycie kanałów wodnych (akwaporyny). Annals of Nutrition and Metabolism, 70(Suppl 1), 37-42.
  2. Campbell A, N. i Reece, J. B. (2005). Biologia. Od redakcji Panamericana Medical.
  3. Lodish, H. (2005). Biologia komórkowa i molekularna. Od redakcji Panamericana Medical.
  4. Park, W., Scheffler, B.E., Bauer, P.J., i Campbell, B.T. (2010). Identyfikacja rodziny genów akwaporyn i ich ekspresji 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 koncentrujący się na jelitach różnych gatunków. Międzynarodowe czasopismo nauk molekularnych, 17(8), 1213.
  6. Sadava, D. i Purves, W. H. (2009). Życie: nauka biologii. Od redakcji Panamericana Medical.
  7. Verkman, A. S. (2012). Akwaporyny w medycynie klinicznej. Roczny przegląd medycyny, 63, 303-316.
  8. Verkman, A. S., i Mitra, A. K. (2000). Struktura i funkcja akwaporynowych kanałów wodnych. American Journal of Physiology-Renal Physiology, 278(1), F13-F28.
  9. Verkman, A.S. (2013). Akwaporyny. Aktualna biologia, 23 (2), R52-5.