АКВАПОРИНЫ: ФУНКЦИИ, СТРОЕНИЕ И ВИДЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

В аквапориных , также известные как водные каналы являются молекулами , которые белковые проходят через биологические мембраны. Они отвечают за обеспечение быстрого и эффективного потока воды в клетки и из них, предотвращая взаимодействие воды с типичными гидрофобными частями фосфолипидных бислоев.

Эти белки напоминают бочку и имеют очень специфическую молекулярную структуру, состоящую в основном из спиралей. Они широко распространены в различных линиях, в том числе от мелких микроорганизмов до животных и растений, где их много.

Источник: Мария Кесада Аранда, Wikimedia Commons.

Историческая перспектива

Обладая базовыми знаниями физиологии и механизмов, посредством которых растворенные вещества перемещаются через мембраны (активные и пассивные), мы могли предположить, что перенос воды не является проблемой, входя и выходя из клетки путем простой диффузии.

Эта идея существует уже много лет. Однако некоторые исследователи обнаружили существование некоего канала переноса воды, поскольку в некоторых типах клеток с высокой проницаемостью для воды (например, в почках) диффузия не может быть достаточным механизмом для объяснения переноса. воды.

Врач и исследователь Питер Агре обнаружил эти белковые каналы в 1992 году, работая с мембраной эритроцитов. Благодаря этому открытию он (вместе со своими коллегами) получил Нобелевскую премию 2003 года. Этот первый аквапорин был назван «аквапорин 1».

Структура

Форма аквапорина напоминает песочные часы с двумя симметричными половинками, ориентированными друг напротив друга. Эта структура пересекает двойную липидную мембрану клетки.

Следует отметить, что форма аквапорина очень специфическая и не похожа ни на один другой тип мембранных белков.

Аминокислотные последовательности преимущественно полярны. Трансмембранные белки характеризуются наличием сегмента, богатого альфа-спиральными сегментами. Однако у аквапоринов таких участков нет.

Благодаря использованию современных технологий структура порина была подробно выяснена: это мономеры от 24 до 30 кДа, которые состоят из шести спиральных сегментов с двумя небольшими сегментами, которые окружают цитоплазму и соединены небольшой порой.

Эти мономеры собраны в группу из четырех единиц, хотя каждая из них может функционировать независимо. В маленьких спиралях есть консервативные мотивы, в том числе NPA.

В некоторых аквапоринах, обнаруженных у млекопитающих (AQP4), встречаются более высокие скопления, которые образуют супрамолекулярные кристаллические структуры.

Для транспортировки воды внутренняя часть белка является полярной, а внешняя - неполярной, в отличие от обычных глобулярных белков.

Источник: Автор не предоставлен машиночитаемым автором. Предполагается, что DanielMCR (на основании требований об авторских правах). , через Wikimedia Commons

Характеристики

Роль аквапоринов заключается в обеспечении переноса воды в клетку в ответ на осмотический градиент. Для этого не требуется дополнительная сила или перекачка: вода входит и выходит из клетки посредством осмоса, опосредованного аквапорином. Некоторые варианты также несут молекулы глицерина.

Чтобы осуществить этот транспорт и существенно увеличить проницаемость для воды, клеточная мембрана заполнена молекулами аквапорина с плотностью порядка 10 000 квадратных микрометров.

Функции у животных

Водный транспорт жизненно необходим для организмов. Возьмем конкретный пример почек: они должны ежедневно фильтровать огромное количество воды. Если этот процесс не произойдет должным образом, последствия будут фатальными.

Помимо концентрации в моче, аквапорины участвуют в общем гомеостазе жидкости организма, работе мозга, секреции желез, увлажнении кожи, мужской фертильности, зрении, слухе - и это лишь некоторые процессы. биологические.

В экспериментах, проведенных на мышах, был сделан вывод, что они также участвуют в миграции клеток, роль которой далека от водного транспорта.

Функции в растениях

Аквапорины наиболее разнообразны в царстве растений. У этих организмов опосредуются важные процессы, такие как потоотделение, размножение, обмен веществ.

Кроме того, они играют важную роль в качестве адаптивного механизма в средах, условия которых не являются оптимальными.

Функции в микроорганизмах

Хотя аквапорины присутствуют в микроорганизмах, их конкретная функция еще не обнаружена.

В основном по двум причинам: высокое соотношение поверхности к объему микробов предполагает быстрое осмотическое равновесие (делая аквапорины ненужными), а исследования делеций у микробов не дали четкого фенотипа.

Однако предполагается, что аквапорины могут обеспечивать некоторую защиту от последовательных событий замерзания и оттаивания, поддерживая проницаемость воды в мембранах при низких температурах.

Типы

Известно, что молекулы аквапоринов принадлежат к разным линиям, как у растений и животных, так и у менее сложных организмов, и они очень похожи друг на друга - тогда мы предполагаем, что они появились на ранней стадии эволюции.

У растений было обнаружено около 50 различных молекул, в то время как у млекопитающих их всего 13, распределенных по различным тканям, таким как эпителиальная и эндотелиальная ткань почек, легких, экзокринных желез и органов, связанных с пищеварением.

Однако аквапорины также могут экспрессироваться в тканях, которые не имеют очевидной и прямой связи с транспортом жидкости в организме, например, в астроцитах центральной нервной системы и в определенных областях глаза, таких как роговица и ресничный эпителий.

Аквапорины есть даже в мембранах грибов, бактерий (например, кишечной палочки) и в мембранах органелл, таких как хлоропласты и митохондрии.

Медицинские патологии, связанные с аквапоринами

У пациентов с нарушением последовательности аквапорина 2, присутствующего в клетках почек, они должны выпивать более 20 литров воды, чтобы оставаться гидратированными. В этих медицинских случаях нет адекватной концентрации в моче.

Противоположный случай также приводит к интересному клиническому случаю: избыточное производство аквапорина 2 приводит к задержке избыточной жидкости в организме пациента.

Во время беременности происходит усиление синтеза аквапоринов. Этот факт объясняет частую задержку жидкости у будущих мам. Точно так же отсутствие аквапорина 2 связано с развитием определенного типа диабета.

Ссылки

1. Браун, Д. (2017). Открытие водных каналов (Аквапорины). Анналы питания и метаболизма, 70 (Приложение 1), 37-42.
2. Кэмпбелл А., Н. и Рис, Дж. Б. (2005). Биология. От редакции Médica Panamericana.
3. Лодиш, Х. (2005). Клеточная и молекулярная биология. От редакции Médica Panamericana.
4. Парк, В., Шеффлер, Б. Е., Бауэр, П. Дж., И Кэмпбелл, Б. Т. (2010). Идентификация семейства генов аквапоринов и их экспрессия в хлопчатнике высокогорных районов (Gossypium hirsutum L.). Биология растений BMC, 10 (1), 142.
5. Пелагалли А., Скиллациоти К., Мирабелла Н. и Мели Р. (2016). Аквапорины в здоровье и болезнях: обзор кишечника разных видов. Международный журнал молекулярных наук, 17 (8), 1213.
6. Садава Д. и Пурвес WH (2009). Жизнь: Наука биологии. От редакции Médica Panamericana.
7. Веркман, А.С. (2012). Аквапорины в клинической медицине. Ежегодный обзор медицины, 63, 303-316.
8. Веркман, А.С., и Митра, А.К. (2000). Строение и функция водных каналов аквапоринов. Американский журнал физиологии-физиологии почек, 278 (1), F13-F28.
9. Веркман, А.С. (2013). Аквапоринов. Текущая биология, 23 (2), R52-5.