Functies, structuur en typen van Aquaporins

de aquaporines, ook bekend als waterkanalen, zijn moleculen van een eiwitaard die de biologische membranen kruisen. Ze zijn verantwoordelijk voor het mediëren van de snelle en efficiënte stroming van water in en uit cellen, waardoor wordt voorkomen dat water interageert met de hydrofobe gedeelten die kenmerkend zijn voor fosfolipide dubbellaag..

Deze eiwitten lijken op een vat en hebben een zeer specifieke moleculaire structuur, voornamelijk samengesteld uit helices. Ze zijn wijd verspreid in verschillende geslachten, waaronder van kleine micro-organismen tot dieren en planten, waar ze overvloedig aanwezig zijn.

index

• 1 Historisch perspectief
• 2 Structuur
• 3 functies
  • 3.1 Functies bij dieren
  • 3.2 Functies in planten
  • 3.3 Functies in micro-organismen
• 4 soorten
• 5 Medische pathologieën geassocieerd met aquaporines
• 6 Referenties

Historisch perspectief

Met een basiskennis in de fysiologie en in de mechanismen dat de opgeloste stoffen door de membranen bewegen (actief en passief), kunnen we veronderstellen dat het transport van water geen enkel probleem veronderstelt, het binnenkomen en verlaten van de cel door eenvoudige diffusie.

Dit idee werd jarenlang aangepakt. Sommige onderzoekers zagen echter het bestaan ​​van een of ander watertransportkanaal, aangezien in bepaalde celtypen met hoge waterdoorlatendheid (zoals de nier bijvoorbeeld) diffusie niet voldoende zou zijn om het transport te verklaren van water.

De arts en onderzoeker Peter Agre ontdekte deze eiwitkanalen in 1992, terwijl hij werkte met het membraan van erythrocyten. Dankzij deze ontdekking won hij (samen met zijn collega's) de Nobelprijs in 2003. Deze eerste aquaporine werd "Aquaporin 1" genoemd.

structuur

De vorm van de aquaporine lijkt op een zandloper, met twee symmetrische helften die in tegenovergestelde richtingen zijn georiënteerd. Deze structuur doorkruist het dubbele lipidemembraan van de cel.

Het is noodzakelijk om te vermelden dat de aquaporinevorm zeer specifiek is en niet lijkt op enig ander type proteïne dat het membraan passeert.

De aminozuursequenties zijn overwegend polair. Transmembraaneiwitten worden gekenmerkt door een segment dat rijk is aan alfa-helixvormige segmenten. Aquaporinen missen dergelijke regio's echter.

Dankzij de huidige technologieën is het mogelijk om te verduidelijken in detail de structuur van porine: monomeren 24-30 KDa van zes helicoids segmentes twee kleine segmenten rond het cytoplasma en zijn verbonden door een kleine poriën.

Deze monomeren worden samengevoegd in een groep van vier eenheden, hoewel elk onafhankelijk kan werken. In kleine propellers zijn er enkele geconserveerde motieven, waaronder de NPA.

In sommige aquaporines gevonden in zoogdieren (AQP4) treden hogere aggregaties op die supramoleculaire kristalstructuren vormen.

Om water te transporteren, is het binnenste van het eiwit polair en is de buitenkant apolair, in tegenstelling tot gewone bolvormige eiwitten.

functies

De functie van aquaporines is om het transport van water naar het binnenste van de cel te bemiddelen als reactie op een osmotische gradiënt. Het heeft geen extra kracht of pompen nodig: water komt binnen en verlaat de cel door osmose, gemedieerd door aquaporine. Sommige varianten bevatten ook glycerolmoleculen.

Om dit transport uit te voeren en de waterdoorlatendheid aanzienlijk te vergroten, is het celmembraan vol met aquaporinemoleculen, in een orde van dichtheid van 10.000 vierkante micrometer..

Functies bij dieren

Het transport van water is van levensbelang voor organismen. Laten we het punctuele voorbeeld van de nieren nemen: ze zouden dagelijks enorme hoeveelheden water moeten filteren. Als dit proces niet goed verloopt, zijn de gevolgen fataal.

Naast de concentratie van de urine, zijn aquaporins betrokken bij het algemene homeostase van lichaamsvloeistoffen in de hersenfunctie, afscheiding van de klieren, hydratatie van de huid, de mannelijke vruchtbaarheid, gezichtsvermogen, gehoor gewoon om wat processen te noemen biologisch.

In experimenten uitgevoerd bij muizen werd geconcludeerd dat ze ook deelnemen aan celmigratie, een rol die ver verwijderd is van watertransport.

Functies in planten

Aquaporinen zijn meestal divers in het plantenrijk. In deze organismen bemiddelen cruciale processen zoals transpiratie, voortplanting, metabolisme.

Bovendien spelen ze een belangrijke rol als een adaptief mechanisme in omgevingen waarvan de omgevingsomstandigheden niet optimaal zijn.

Functies in micro-organismen

Hoewel aquaporinen in micro-organismen aanwezig zijn, is er nog geen specifieke functie gevonden.

Hoofdzakelijk om twee redenen: de hoge oppervlakte-volumeverhouding van de microben veronderstelt een snel osmotisch evenwicht (waardoor aquaporinen overbodig worden) en studies van microbiële deleties hebben geen duidelijk fenotype opgeleverd.

Er wordt echter gespeculeerd dat aquaporinen enige bescherming kunnen bieden tegen opeenvolgende bevriezings- en ontdooi- gebeurtenissen, waarbij de waterdoorlatendheid in de membranen op lage temperaturen wordt gehandhaafd..

type

Aquaporinemoleculen zijn bekend in verschillende afstammingslijnen, zowel in planten en dieren als in minder complexe organismen, en deze lijken sterk op elkaar - we nemen toen aan dat ze vroeg in de evolutie verschenen.

In planten zijn ongeveer 50 verschillende moleculen gevonden, terwijl zoogdieren er slechts 13 hebben, verdeeld door verschillende weefsels, zoals het epitheliale en endotheliale weefsel van de nieren, long, exocriene klieren en organen die verband houden met de spijsvertering.

Echter aquaporins ook tot expressie in weefsels die geen duidelijke en direct bij het vervoer van vloeistoffen in het lichaam hebben, zoals in astrocyten centrale zenuwstelsel en in bepaalde gebieden van het oog, zoals de cornea en het ciliaire epitheel.

Er zijn aquaporines in het schimmelmembraan, van bacteriën (als E. coli) en in de membranen van organellen, zoals chloroplasten en mitochondriën.

Medische pathologieën geassocieerd met aquaporines

Bij patiënten die een defect vertonen in de volgorde waarin aquaporine 2 in de cellen van de nieren aanwezig is, moeten zij meer dan 20 liter water innemen om zichzelf gehydrateerd te houden. In deze medische gevallen is er geen voldoende concentratie van urine.

Het tegenovergestelde geval resulteert ook in een interessante klinische casus: de productie van overtollige aquaporine 2 leidt tot overmatige vochtretentie bij de patiënt.

Tijdens zwangerschapsperioden neemt de synthese van aquaporines toe. Dit feit verklaart de vochtretentie die bij toekomstige moeders voorkomt. Evenzo is de afwezigheid van aquaporine 2 in verband gebracht met het verschijnen van een bepaald type diabetes.

referenties

1. Brown, D. (2017). De ontdekking van waterkanalen (Aquaporins). Annalen van voeding en metabolisme, 70(Suppl 1), 37-42.
2. Campbell A, N., & Reece, J. B. (2005). biologie. Editorial Panamericana Medical.
3. Lodish, H. (2005). Cellulaire en moleculaire biologie. Editorial Panamericana Medical.
4. Park, W., Scheffler, B.E., Bauer, P.J., & Campbell, B.T. (2010). Identificatie van de familie van aquaporinegenen en hun expressie in hoogland katoen (Gossypium hirsutum L.). BMC plantenbiologie, 10(1), 142.
5. Pelagalli, A., Squillacioti, C., Mirabella, N., & Meli, R. (2016). Aquaporins in gezondheid en ziekte: een overzicht dat zich richt op de darm van verschillende soorten. Internationaal tijdschrift voor moleculaire wetenschappen, 17(8), 1213.
6. Sadava, D., & Purves, W.H. (2009). Leven: de wetenschap van de biologie. Editorial Panamericana Medical.
7. Verkman, A. S. (2012). Aquaporins in de klinische geneeskunde. Jaarlijks overzicht van medicijnen, 63, 303-316.
8. Verkman, A. S., & Mitra, A.K. (2000). Structuur en functie van aquaporin waterkanalen. American Journal of Physiology-Renal Physiology, 278(1), F13-F28.
9. Verkman, A.S. (2013). aquaporines. Huidige biologie, 23 (2), R52-5.