АКВАПОРИНИ: ФУНКЦИИ, СТРУКТУРА И ВИДОВЕ - БИОЛОГИЯ - 2025

На аквапорини, известен също като водни канали са протеинови молекули, които преминават през биологичните мембрани. Те са отговорни за посредничеството на бързия и ефективен поток на вода в и извън клетките, предотвратявайки взаимодействието на водата с типичните хидрофобни части на фосфолипидните двуслойни.

Тези протеини приличат на варел и имат много специфична молекулна структура, съставена предимно от спирали. Те са широко разпространени в различни линии, включително от малки микроорганизми до животни и растения, където те са в изобилие.

Източник: От Мария Кезада Аранда, от Wikimedia Commons

Историческа перспектива

С основни познания по физиология и механизмите, по които разтворите се движат през мембраните (активни и пасивни), бихме могли да предположим, че водният транспорт не представлява никакъв проблем, влизането и излизането от клетката чрез проста дифузия.

Тази идея съществува от много години. Някои изследователи обаче са установили съществуването на някакъв воден транспортен канал, тъй като при някои видове клетки с висока пропускливост към вода (като бъбреците например) дифузията не би била достатъчен механизъм за обяснение на транспорта от вода.

Лекарят и изследователят Питър Агре открива тези протеинови канали през 1992 г., докато работи с мембраната на еритроцитите. Благодарение на това откритие той спечели (заедно с колегите си) Нобеловата награда през 2003 г. Този първи аквапорин беше наречен "аквапорин 1".

структура

Формата на аквапорина напомня на часовник, с две симетрични половини, ориентирани една срещу друга. Тази структура пресича двойната липидна мембрана на клетката.

Трябва да се спомене, че формата на аквапорин е много особена и не прилича на друг вид протеини, обхващащи мембраната.

Последователностите на аминокиселините са предимно полярни. Трансмембранните протеини се характеризират с това, че имат сегмент, богат на алфа-спирални сегменти. Аквапорините обаче нямат такива региони.

Благодарение на използването на съвременните технологии структурата на porin е изяснена подробно: те са мономери от 24 до 30 KDa, които се състоят от шест спирални сегмента с два малки сегмента, които обграждат цитоплазмата и са свързани с малка пора.

Тези мономери са събрани в група от четири единици, въпреки че всеки от тях може да функционира независимо. В малки спирали има някои запазени мотиви, включително NPA.

В някои аквапорини, открити в бозайници (AQP4), се наблюдават по-високи агрегации, които образуват надмолекви кристални разположения.

За да транспортира вода, вътрешността на протеина е полярна, а външната - неполярна, за разлика от обикновените кълбовидни протеини.

Източник: Не е предоставен машинно четим автор. DanielMCR прие (въз основа на претенции за авторски права)., чрез Wikimedia Commons

Характеристика

Ролята на аквапорините е да медиират транспортирането на вода в клетката в отговор на осмотичен градиент. Тя не се нуждае от допълнителна сила или изпомпване: водата влиза и напуска клетката чрез осмоза, медиирана от аквапорин. Някои варианти също носят молекули глицерол.

За да извършат този транспорт и да увеличат съществено пропускливостта за вода, клетъчната мембрана е пълна с молекули аквапорин в порядък на плътност от 10 000 квадратни микрометра.

Функции при животни

Водният транспорт е жизненоважен за организмите. Вземете конкретния пример за бъбреците: те трябва да филтрират огромни количества вода всеки ден. Ако този процес не протича правилно, последствията биха били фатални.

Освен концентрацията на урина, аквапорините участват в общата хомеостаза на телесните течности, мозъчната функция, секрецията на жлезите, хидратацията на кожата, фертилитета при мъжете, зрението, слуха - само да спомена няколко процеса биологичен.

В експериментите, проведени върху мишки, беше заключено, че те също участват в миграцията на клетките, роля, която е далеч от водния транспорт.

Функции в растенията

Аквапорините са най-разнообразни в растителното царство. В тези организми посредничат важни процеси като изпотяване, размножаване, метаболизъм.

Освен това те играят важна роля като адаптивен механизъм в среди, чиито условия в околната среда не са оптимални.

Функции в микроорганизмите

Въпреки че аквапорините присъстват в микроорганизмите, специфична функция все още не е намерена.

Главно по две причини: високото съотношение повърхност към обем на микробите предполага бързо осмотично равновесие (което прави ненужни аквапорините) и проучванията на делециите в микробите не дават ясен фенотип.

Въпреки това се спекулира, че аквапорините могат да осигурят известна защита срещу последователни събития на замръзване и размразяване, поддържайки пропускливостта на водата в мембраните при ниски температури.

Видове

Молекулите на аквапорина са известни от различни родове, както в растенията и животните, така и в по-малко сложните организми и те са много сходни помежду си - предполагаме тогава, че са се появили в началото на еволюцията.

В растенията са открити около 50 различни молекули, докато бозайниците имат само 13, разпределени в различни тъкани, като епителната и ендотелната тъкан на бъбреците, белите дробове, екзокринните жлези и органите, свързани с храносмилането.

Въпреки това, аквапорините могат да се експресират в тъкани, които нямат очевидна и пряка връзка с транспортирането на течности в тялото, като например в астроцитите на централната нервна система и в определени области на окото, като роговицата и цилиарния епител.

Има аквапорини дори в мембраната на гъбички, бактерии (като Е. coli) и в мембраните на органелите, като хлоропласти и митохондрии.

Медицински патологии, свързани с аквапорини

При пациенти, които имат дефект в последователността на аквапорин 2 в бъбречните клетки, те трябва да пият повече от 20 литра вода, за да останат хидратирани. В тези медицински случаи няма адекватна концентрация в урината.

Обратният случай също води до интересен клиничен случай: производството на аквапорин 2 в излишък води до задържане на излишна течност при пациента.

По време на бременността се наблюдава увеличаване на синтеза на аквапорини. Този факт обяснява честото задържане на течности при бременни майки. По подобен начин отсъствието на аквапорин 2 е свързано с развитието на определен тип диабет.

Препратки

1. Браун, Д. (2017). Откриването на водни канали (Aquaporins). Анали на храненето и метаболизма, 70 (Доп. 1), 37-42.
2. Campbell A, N., & Reece, JB (2005). Биология. Редакция Médica Panamericana.
3. Лодиш, Х. (2005). Клетъчна и молекулярна биология. Редакция Médica Panamericana.
4. Park, W., Scheffler, BE, Bauer, PJ, & Campbell, BT (2010). Идентифициране на семейството на аквапориновите гени и тяхната експресия в памук от горния край (Gossypium hirsutum L.). Растителна биология на BMC, 10 (1), 142.
5. Pelagalli, A., Squillacioti, C., Mirabella, N., & Meli, R. (2016). Аквапорини в здравето и болестите: Преглед, фокусиран върху червата на различни видове. Международно списание за молекулярни науки, 17 (8), 1213.
6. Садава, D., & Purves, WH (2009). Живот: Науката за биологията. Редакция Médica Panamericana.
7. Verkman, AS (2012). Аквапорини в клиничната медицина. Годишен преглед на медицината, 63, 303-316.
8. Verkman, AS, & Mitra, AK (2000). Структура и функция на водните канали на аквапорин. American Journal of Physiology-бъбречна физиология, 278 (1), F13-F28.
9. Verkman, AS (2013). Аквапорини. Текуща биология, 23 (2), R52-5.