Οι λειτουργίες του Aquaporins, η δομή και οι τύποι



Το aquaporins, επίσης γνωστά ως κανάλια νερού, είναι μόρια πρωτεϊνικής φύσης που διασχίζουν τις βιολογικές μεμβράνες. Είναι υπεύθυνοι για τη μεσολάβηση της ταχείας και αποτελεσματικής ροής του νερού μέσα και έξω από τα κύτταρα, εμποδίζοντας το να αλληλεπιδράσει το νερό με τα υδρόφοβα τμήματα που είναι τυπικά για τις διπλοστοιβάδες των φωσφολιπιδίων..

Αυτές οι πρωτεΐνες μοιάζουν με βαρέλι και έχουν πολύ ιδιαίτερη μοριακή δομή, αποτελούμενη κυρίως από έλικες. Διανέμονται ευρέως σε διαφορετικές γενεές, μεταξύ άλλων από μικρούς μικροοργανισμούς μέχρι ζώα και φυτά, όπου είναι άφθονα.

Ευρετήριο

  • 1 Ιστορική προοπτική
  • 2 Δομή
  • 3 Λειτουργίες
    • 3.1 Λειτουργίες στα ζώα
    • 3.2 Λειτουργίες σε φυτά
    • 3.3 Λειτουργίες σε μικροοργανισμούς
  • 4 Τύποι
  • 5 Ιατρικές παθολογίες σχετιζόμενες με aquaporins
  • 6 Αναφορές

Ιστορική προοπτική

Με μια βασική κατανόηση στην φυσιολογία και τους μηχανισμούς που κινούνται διαλυμένων ουσιών μέσα από τη μεμβράνη (ενεργητικής και παθητικής), θα μπορούσαμε να την αίσθηση ότι τη μεταφορά νερού δεν είναι ένα πρόβλημα, και έξω από το κύτταρο με απλή διάχυση.

Αυτή η ιδέα αντιμετωπίστηκε εδώ και πολλά χρόνια. Ωστόσο, μερικοί ερευνητές είδαμε την ύπαρξη οποιασδήποτε μεταφοράς νερού κανάλι, δεδομένου ότι σε ορισμένους τύπους κυττάρου με υψηλές διαπερατότητες σε νερό (όπως νεφρό, για παράδειγμα), η διάχυση δεν είναι αρκετά ικανοποιητικό μηχανισμό για να εξηγήσει την μεταφορά νερού.

Ο γιατρός και ο ερευνητής Peter Agre ανακάλυψε αυτά τα κανάλια πρωτεΐνης το 1992, ενώ εργαζόταν με τη μεμβράνη των ερυθροκυττάρων. Χάρη σε αυτή την ανακάλυψη, κέρδισε (μαζί με τους συναδέλφους του) το βραβείο Νόμπελ το 2003. Αυτή η πρώτη aquaporin ονομάστηκε "Aquaporin 1".

Δομή

Το σχήμα της aquaporin μοιάζει με κλεψύδρα, με δύο συμμετρικά μισά προσανατολισμένα προς αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτή η δομή διασχίζει τη διπλή λιπιδική μεμβράνη του κυττάρου.

Είναι απαραίτητο να αναφέρουμε ότι η μορφή της ακρορπορίνης είναι πολύ ιδιαίτερη και δεν μοιάζει με κανένα άλλο τύπο πρωτεϊνών που διασχίζουν τη μεμβράνη.

Οι αλληλουχίες αμινοξέων είναι κατά κύριο λόγο πολικές. Οι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες χαρακτηρίζονται από το ότι έχουν ένα τμήμα πλούσιο σε άλφα ελικοειδή τμήματα. Ωστόσο, aquaporins έλλειψη τέτοιων περιοχών.

Χάρη στην χρησιμοποιώντας τις τρέχουσες τεχνολογίες, κατέστη δυνατό να διευκρινίσει λεπτομερώς τη δομή της πορίνη: μονομερών είναι από 24 σε 30 KDa που αποτελείται από έξι helicoids segmentes δύο μικρά τμήματα που περιβάλλει το κυτταρόπλασμα και συνδέονται με ένα μικρό πόρου.

Αυτά τα μονομερή συναρμολογούνται σε μια ομάδα τεσσάρων μονάδων, αν και το καθένα μπορεί να λειτουργεί ανεξάρτητα. Στις μικρές έλικες, υπάρχουν μερικά διατηρημένα μοτίβα, συμπεριλαμβανομένου του NPA.

Σε μερικές aquaporins που απαντώνται σε θηλαστικά (AQP4) εμφανίζονται υψηλότερες συσσωματώσεις που σχηματίζουν υπερμοριακές κρυσταλλικές διευθετήσεις.

Προκειμένου να μεταφερθεί το νερό, το εσωτερικό της πρωτεΐνης είναι πολικό και το εξωτερικό είναι απολιτικό, αντίθετα με τις κοινές σφαιρικές πρωτεΐνες.

Λειτουργίες

Η λειτουργία των aquaporins είναι να μεσολαβεί η μεταφορά νερού στο εσωτερικό του κυττάρου σε απόκριση σε μια οσμωτική κλίση. Δεν χρειάζεται κανενός είδους πρόσθετη δύναμη ή άντληση: το νερό εισέρχεται και φεύγει από την κυψέλη με όσμωση, με τη μεσολάβηση του aquaporin. Μερικές παραλλαγές φέρουν επίσης μόρια γλυκερόλης.

Για να πραγματοποιηθεί αυτή η μεταφορά και να αυξηθεί ουσιαστικά η υδατοδιαπερατότητα, η κυτταρική μεμβράνη είναι γεμάτη με μόρια aquaporin, με μια σειρά πυκνότητας 10.000 τετραγωνικών μικρομέτρων.

Λειτουργίες σε ζώα

Η μεταφορά νερού είναι ζωτικής σημασίας για τους οργανισμούς. Ας πάρουμε το ακριβές παράδειγμα των νεφρών: θα πρέπει να φιλτράρουν τις τεράστιες ποσότητες νερού καθημερινά. Εάν η διαδικασία αυτή δεν συμβεί σωστά, οι συνέπειες θα ήταν θανατηφόρες.

Εκτός από την συγκέντρωση των ούρων, οι ακουαπορινών εμπλέκονται στη συνολική ομοιόσταση των σωματικών υγρών στη λειτουργία του εγκεφάλου, την έκκριση των αδένων, την ενυδάτωση του δέρματος, την ανδρική γονιμότητα, όρασης, ακοής απλά για να αναφέρουμε μερικά διεργασίες βιολογικά.

Σε πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε ποντίκια, συμπεραίνεται ότι συμμετέχουν επίσης στη μετανάστευση κυττάρων, έναν ρόλο που απέχει πολύ από τη μεταφορά νερού.

Λειτουργίες σε φυτά

Οι Aquaporins είναι κυρίως ποικίλες στο φυτικό βασίλειο. Σε αυτούς τους οργανισμούς μεσολαβούν κρίσιμες διεργασίες όπως η εφίδρωση, η αναπαραγωγή, ο μεταβολισμός.

Επιπλέον, διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο ως προσαρμοστικός μηχανισμός σε περιβάλλοντα των οποίων οι περιβαλλοντικές συνθήκες δεν είναι οι βέλτιστες.

Λειτουργεί σε μικροοργανισμούς

Παρόλο που οι aquaporins είναι παρούσες σε μικροοργανισμούς, δεν έχει βρεθεί ακόμα κάποια συγκεκριμένη λειτουργία.

Κυρίως για δύο λόγους: ο λόγος υψηλού επιφανειακού όγκου των μικροβίων προϋποθέτει μια γρήγορη οσμωτική ισορροπία (καθιστώντας περιττή την αβαπορίνη) και οι μελέτες των μικροβιακών διαγραφών δεν απέδωσαν σαφή φαινότυπο.

Ωστόσο, πιστεύεται ότι οι aquaporins μπορούν να προσφέρουν κάποια προστασία έναντι διαδοχικών συμβάντων κατάψυξης και απόψυξης, διατηρώντας τη διαπερατότητα του νερού στις μεμβράνες σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Τύποι

Τα μόρια Aquaporin είναι γνωστά σε διάφορες γενεές, τόσο σε φυτά και ζώα όσο και σε λιγότερο περίπλοκους οργανισμούς, και αυτά μοιάζουν πολύ μεταξύ τους - υποθέτουμε ότι εμφανίστηκαν νωρίς στην εξέλιξη.

Φυτά που βρέθηκαν σε περίπου 50 διαφορετικά μόρια, ενώ τα θηλαστικά κατέχουν μόνο 13, που διανέμεται από διάφορους ιστούς συμπεριλαμβανομένων των ενδοθηλιακών επιθηλιακού ιστού και των νεφρών, των πνευμόνων, εξωκρινείς αδένες και τα όργανα που σχετίζονται με την πέψη.

Ωστόσο, ακουαπορινών εκφράζονται επίσης σε ιστούς που δεν έχουν προφανή και άμεση σύνδεση με την μεταφορά ρευστών στο σώμα, όπως σε αστροκύτταρα στο κεντρικό νευρικό σύστημα και σε ορισμένες περιοχές του οφθαλμού, όπως τον κερατοειδή χιτώνα και του βλεφαρικού επιθηλίου.

Υπαρχουν υγραρομετρες στην μυκητιακη μεμβρανη, βακτηριδια (ως Ε. Coli) και στις μεμβράνες οργανιδίων, όπως οι χλωροπλάστες και τα μιτοχόνδρια.

Ιατρικές παθολογίες που συνδέονται με aquaporins

Σε ασθενείς που παρουσιάζουν κάποιο ελάττωμα στην αλληλουχία του aquaporin 2 που υπάρχει στα κύτταρα των νεφρών, πρέπει να πάρουν περισσότερα από 20 λίτρα νερού για να διατηρηθούν ενυδατωμένα. Σε αυτές τις ιατρικές περιπτώσεις, δεν υπάρχει επαρκής συγκέντρωση ούρων.

Η αντίθετη περίπτωση καταλήγει επίσης σε μια ενδιαφέρουσα κλινική περίπτωση: η παραγωγή περίσσειας ακουαπορίνης 2 οδηγεί σε υπερβολική κατακράτηση υγρών στον ασθενή.

Κατά τη διάρκεια περιόδων εγκυμοσύνης, παρατηρείται αύξηση της σύνθεσης των ακοπορινινών. Αυτό το γεγονός εξηγεί την κοινή κατακράτηση υγρών στις μελλοντικές μητέρες. Παρομοίως, η απουσία της aquaporin 2 έχει συνδεθεί με την εμφάνιση ενός συγκεκριμένου τύπου διαβήτη.

Αναφορές

  1. Brown, D. (2017). Η ανακάλυψη καναλιών νερού (Aquaporins). Χρονικά της Διατροφής και του Μεταβολισμού, 70(Suppl 1), 37-42.
  2. Campbell Α, Ν., & Reece, J. Β. (2005). Βιολογία. Συντάκτης Panamericana Medical.
  3. Lodish, Η. (2005). Κυτταρική και μοριακή βιολογία. Συντάκτης Panamericana Medical.
  4. Park, W., Scheffler, Β.Ε., Bauer, Ρ. J. & Campbell, Β.Τ. (2010). Ταυτοποίηση της οικογένειας γονιδίων aquaporin και έκφρασή τους σε ορεινό βαμβάκι (Gossypium hirsutum L.). BMC φυτικής βιολογίας, 10(1), 142.
  5. Pelagalli, Α., Squillacioti, C., Mirabella, Ν. & Meli, R. (2016). Aquaporins στην υγεία και την ασθένεια: Μια επισκόπηση που εστιάζει στο έντερο διαφόρων ειδών. Διεθνές περιοδικό μοριακών επιστημών, 17(8), 1213.
  6. Sadava, D., & Purves, W. Η. (2009). Ζωή: Η επιστήμη της βιολογίας. Συντάκτης Panamericana Medical.
  7. Verkman, Α. (2012). Aquaporins στην κλινική ιατρική. Ετήσια επισκόπηση του φαρμάκου, 63, 303-316.
  8. Verkman, Α. S. & Mitra, Α. Κ. (2000). Δομή και λειτουργία των αγωγών ύδρευσης της αγωγιμότητας. American Journal of Physiology-Νεφρική Φυσιολογία, 278(1), F13-F28.
  9. Verkman, A.S. (2013). Aquaporins. Τρέχουσα βιολογία, 23 (2), R52-5.