AQUAPORINES: FUNCTIES, STRUCTUUR EN TYPEN - BIOLOGIE - 2025

De aquaporines , ook wel waterkanalen genoemd, zijn eiwitachtige moleculen die door biologische membranen gaan. Ze zijn verantwoordelijk voor het mediëren van de snelle en efficiënte stroom van water in en uit cellen, waardoor wordt voorkomen dat water in wisselwerking treedt met de typische hydrofobe delen van de fosfolipide dubbellaag.

Deze eiwitten lijken op een vat en hebben een heel bijzondere moleculaire structuur, die voornamelijk uit helices bestaat. Ze zijn wijd verspreid in verschillende geslachten, inclusief van kleine micro-organismen tot dieren en planten, waar ze overvloedig aanwezig zijn.

Bron: door María Quezada Aranda, van Wikimedia Commons

Historisch perspectief

Met een basiskennis van fysiologie en de mechanismen die opgeloste stoffen door membranen bewegen (actief en passief), zouden we kunnen raden dat watertransport geen enkel probleem vormt, de cel binnenkomen en verlaten door simpele diffusie.

Dit idee bestaat al vele jaren. Sommige onderzoekers ontdekten echter het bestaan ​​van een watertransportkanaal, aangezien in bepaalde celtypen met hoge waterdoorlatendheid (zoals de nier bijvoorbeeld), diffusie geen voldoende mechanisme zou zijn om transport te verklaren. van water.

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

Structuur

De vorm van de aquaporine doet denken aan een zandloper, met twee symmetrische helften tegenover elkaar. Deze structuur kruist het dubbele lipidemembraan van de cel.

Opgemerkt moet worden dat de vorm van aquaporine heel bijzonder is en niet lijkt op enig ander type membraanoverspannende eiwitten.

De aminozuursequenties zijn overwegend polair. Transmembraaneiwitten worden gekenmerkt doordat ze een segment hebben dat rijk is aan alfa-helixsegmenten. Bij aquaporines ontbreken dergelijke regio's echter.

Dankzij het gebruik van de huidige technologieën is de structuur van porine tot in detail opgehelderd: het zijn monomeren van 24 tot 30 KDa die bestaan ​​uit zes helix-segmenten met twee kleine segmenten die het cytoplasma omringen en verbonden zijn door een kleine porie.

Deze monomeren zijn samengesteld in een groep van vier eenheden, hoewel ze allemaal onafhankelijk kunnen functioneren. In kleine helices zijn er enkele geconserveerde motieven, waaronder NPA.

In sommige aquaporines die bij zoogdieren worden aangetroffen (AQP4), komen hogere aggregaties voor die supramolequale kristalarrangementen vormen.

Om water te transporteren, is de binnenkant van het eiwit polair en de buitenkant niet-polair, in tegenstelling tot gewone globulaire eiwitten.

Bron: door Geen machineleesbare auteur opgegeven. DanielMCR veronderstelde (op basis van auteursrechtclaims). , via Wikimedia Commons

Kenmerken

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

Om dit transport uit te voeren en de doorlaatbaarheid voor water substantieel te verhogen, is het celmembraan gevuld met aquaporinemoleculen, met een dichtheid van 10.000 vierkante micrometer.

Functies bij dieren

Watertransport is essentieel voor organismen. Neem het specifieke voorbeeld van de nieren: ze moeten elke dag enorme hoeveelheden water filteren. Als dit proces niet goed verloopt, zijn de gevolgen fataal.

Naast de urineconcentratie zijn aquaporines betrokken bij de algemene homeostase van lichaamsvloeistoffen, hersenfunctie, klierafscheiding, huidhydratatie, mannelijke vruchtbaarheid, gezichtsvermogen, gehoor - om maar een paar processen te noemen. biologisch.

In experimenten met muizen werd geconcludeerd dat ze ook deelnemen aan celmigratie, een rol die ver verwijderd is van het transport over water.

Functies in planten

Aquaporines zijn meestal divers in het plantenrijk. Cruciale processen zoals transpiratie, voortplanting, metabolisme bemiddelen in deze organismen.

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

Functies in micro-organismen

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

Hoofdzakelijk om twee redenen: de hoge oppervlakte-volumeverhouding van de microben impliceert een snel osmotisch evenwicht (waardoor aquaporines niet nodig zijn) en studies naar deleties in microben hebben geen duidelijk fenotype opgeleverd.

Er wordt echter gespeculeerd dat aquaporines enige bescherming kunnen bieden tegen opeenvolgende bevriezings- en dooi-gebeurtenissen, waarbij de doorlaatbaarheid van water in de membranen bij lage temperaturen gehandhaafd blijft.

Soorten

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

In planten zijn zo'n 50 verschillende moleculen aangetroffen, terwijl zoogdieren er maar 13 hebben, verdeeld over verschillende weefsels, zoals het epitheel- en endotheelweefsel van de nieren, longen, exocriene klieren en organen die verband houden met de spijsvertering.

Aquaporines kunnen echter ook tot expressie worden gebracht in weefsels die geen duidelijke en directe relatie hebben met vloeistoftransport in het lichaam, zoals in astrocyten van het centrale zenuwstelsel en in bepaalde delen van het oog, zoals het hoornvlies en het ciliaire epitheel.

Er zijn zelfs aquaporinen in het membraan van schimmels, bacteriën (zoals E. coli) en in de membranen van organellen, zoals chloroplasten en mitochondriën.

Medische pathologieën geassocieerd met aquaporines

Bij patiënten met een defect in de volgorde van aquaporine 2 aanwezig in niercellen, moeten ze meer dan 20 liter water drinken om gehydrateerd te blijven. In deze medische gevallen is er geen voldoende urineconcentratie.

Het tegenovergestelde geval resulteert ook in een interessant klinisch geval: de productie van teveel aquaporine 2 leidt tot het vasthouden van overtollig vocht in de patiënt.

Tijdens de zwangerschap neemt de synthese van aquaporines toe. Dit feit verklaart de veel voorkomende vochtretentie bij aanstaande moeders. Evenzo wordt de afwezigheid van aquaporine 2 in verband gebracht met de ontwikkeling van een bepaald type diabetes.

Referenties

1. Brown, D. (2017). De ontdekking van waterkanalen (Aquaporins). Annals of Nutrition and Metabolism, 70 (Suppl. 1), 37-42.
2. Campbell A, N., en Reece, JB (2005). Biologie. Redactioneel Médica Panamericana.
3. Lodish, H. (2005). Cellulaire en moleculaire biologie. Redactioneel Médica Panamericana.
4. Park, W., Scheffler, BE, Bauer, PJ, & Campbell, BT (2010). Identificatie van de familie van aquaporinegenen en hun expressie in hooglandkatoen (Gossypium hirsutum L.). BMC plantenbiologie, 10 (1), 142.
5. Pelagalli, A., Squillacioti, C., Mirabella, N., & Meli, R. (2016). Aquaporines in gezondheid en ziekte: een overzicht gericht op de darmen van verschillende soorten. Internationaal tijdschrift voor moleculaire wetenschappen, 17 (8), 1213.
6. Sadava, D., en Purves, WH (2009). Life: The Science of Biology. Redactioneel Médica Panamericana.
7. Verkman, AS (2012). Aquaporines in de klinische geneeskunde. Jaaroverzicht van de geneeskunde, 63, 303-316.
8. Verkman, AS en Mitra, AK (2000). Structuur en functie van aquaporine waterkanalen. American Journal of Physiology-Renal Physiology, 278 (1), F13-F28.
9. Verkman, AS (2013). Aquaporines. Huidige biologie, 23 (2), R52-5.