АКВАПОРИНИ: ФУНКЦІЇ, СТРУКТУРА ТА ТИПИ - БІОЛОГІЯ - 2025

У аквапорінов , також відомі як водні канали є молекулами , які білкові проходять через біологічні мембрани. Вони несуть відповідальність за посередництво швидкого та ефективного надходження води в клітини та з них, запобігаючи взаємодії води з типовими гідрофобними частинами фосфоліпідних шарів.

Ці білки нагадують бочку і мають дуже особливу молекулярну структуру, що складається в основному з спіралей. Вони широко поширені в різних родовищах, у тому числі від дрібних мікроорганізмів до тварин і рослин, де їх багато.

Джерело: Марія Кезада Аранда, із Вікісховища

Історична перспектива

Маючи базові знання з фізіології та механізмів, через які розчинники рухаються через мембрани (активні та пасивні), ми могли б здогадатися, що транспортування води не є проблемою, увійти та вийти з клітини простою дифузією.

Ця ідея існує вже багато років. Однак деякі дослідники виявили існування деякого водного транспортного каналу, оскільки у певних типів клітин з високою проникністю до води (наприклад, нирки, наприклад) дифузія не була б достатнім механізмом для пояснення транспорту води.

Лікар і дослідник Пітер Агре відкрив ці білкові канали в 1992 році, працюючи з мембраною еритроцитів. Завдяки цьому відкриттю він здобув (разом із колегами) Нобелівську премію в 2003 році. Цей перший аквапорин отримав назву "аквапорін 1".

Будова

Форма аквапорину нагадує пісочний годинник з двома симетричними половинками, орієнтованими один на одного. Ця структура перетинає подвійну ліпідну мембрану клітини.

Слід зазначити, що форма аквапорину дуже особлива і не нагадує жодного іншого типу білків, що охоплюють мембрану.

Амінокислотні послідовності переважно полярні. Трансмембранні білки характеризуються тим, що мають сегмент, багатий альфа-спіральними сегментами. Однак аквапоринам не вистачає таких регіонів.

Завдяки використанню сучасних технологій детально вияснено структуру порину: вони є мономерами від 24 до 30 КДа, які складаються з шести спіральних сегментів з двома невеликими сегментами, що оточують цитоплазму і з'єднані невеликою порою.

Ці мономери зібрані в групу з чотирьох одиниць, хоча кожен може функціонувати незалежно. У маленьких спіралях є деякі збережені мотиви, зокрема НПА.

У деяких аквапоринах, знайдених у ссавців (AQP4), виникають більш високі агрегації, які утворюють надмолекулярні кристалічні композиції.

Для транспортування води внутрішня частина білка полярна, а зовнішня - неполярна, на відміну від звичайних кульових білків.

Джерело: Не надано машиночитаного автора. DanielMCR припустив (на основі претензій щодо авторських прав). через Wikimedia Commons

Особливості

Роль аквапоринів полягає в опосередкуванні транспорту води в клітину у відповідь на осмотичний градієнт. Для цього не потрібні додаткові сили чи перекачування: вода потрапляє та виходить із клітини через осмос, опосередкований аквапорином. Деякі варіанти також містять молекули гліцерину.

Щоб здійснити цей транспорт і значно підвищити проникність для води, клітинна мембрана упакована молекулами аквапорину в порядку щільності 10000 квадратних мікрометрів.

Функції у тварин

Водний транспорт життєво важливий для організмів. Візьмемо конкретний приклад нирок: вони повинні фільтрувати величезні кількості води щодня. Якщо цей процес не відбудеться належним чином, наслідки будуть фатальними.

Окрім концентрації сечі, аквапорини беруть участь у загальному гомеостазі рідини в організмі, функції мозку, секреції залоз, гідратації шкіри, фертильності чоловіків, зорі, слуху - лише кажучи про декілька процесів біологічні.

В експериментах, проведених на мишах, було зроблено висновок, що вони також беруть участь у міграції клітин, ролі, віддаленій від водного транспорту.

Функції в рослинах

Аквапорини здебільшого різноманітні у рослинному царстві. Найважливіші процеси, такі як потовиділення, розмноження, обмін речовин, опосередковуються в цих організмах.

Крім того, вони відіграють важливу роль як адаптаційний механізм у середовищах, умови навколишнього середовища яких не є оптимальними.

Функції в мікроорганізмах

Хоча аквапорини присутні у мікроорганізмах, специфічної функції досі не знайдено.

В основному з двох причин: високе співвідношення поверхні та об'єму мікробів передбачає швидку осмотичну рівновагу (робить аквапорини непотрібними), а дослідження делецій мікробів не дали чіткого фенотипу.

Однак припускається, що аквапорини можуть забезпечити певний захист від послідовних замерзань та відтавання, підтримуючи проникність води в мембранах при низьких температурах.

Типи

Молекули аквапорину відомі з різних ліній, як у рослин, так і тварин, а також у менш складних організмах, і вони дуже схожі один на одного - ми припускаємо, що вони з'явилися на початку еволюції.

У рослинах виявлено близько 50 різних молекул, а ссавців - лише 13, розподілених по різних тканинах, таких як епітеліальна та ендотеліальна тканина нирок, легенів, екзокринних залоз та органів, пов’язаних із травленням.

Однак аквапорини також можуть експресуватися в тканинах, які не мають очевидного і прямого зв’язку з транспортом рідини в організмі, наприклад, в астроцитах центральної нервової системи та в певних областях ока, таких як рогівка та циліарний епітелій.

Є аквапорини навіть у мембрані грибів, бактерій (таких як E. coli) та в мембранах органел, таких як хлоропласти та мітохондрії.

Медичні патології, пов'язані з аквапоринами

У пацієнтів, у яких є дефекти послідовності аквапорину 2, наявного в ниркових клітинах, вони повинні пити більше 20 літрів води, щоб залишатися гідратними. У цих медичних випадках відсутня адекватна концентрація сечі.

Протилежний випадок також призводить до цікавого клінічного випадку: вироблення надлишку аквапорину 2 призводить до надмірної затримки рідини у пацієнта.

Під час вагітності спостерігається посилення синтезу аквапоринів. Цей факт пояснює поширене затримання рідини у майбутніх мам. Так само відсутність аквапорину 2 пов'язана з розвитком певного типу діабету.

Список літератури

1. Браун, Д. (2017). Відкриття водних каналів (аквапоринів). Анали харчування та метаболізму, 70 (Дод. 1), 37-42.
2. Кемпбелл A, N., & Reece, JB (2005). Біологія. Редакція Médica Panamericana.
3. Лодиш, Х. (2005). Клітинна та молекулярна біологія. Редакція Médica Panamericana.
4. Park, W., Scheffler, BE, Bauer, PJ, & Campbell, BT (2010). Ідентифікація родини аквапоринових генів та їх експресія у високогірній бавовні (Gossypium hirsutum L.). Біологія рослин BMC, 10 (1), 142.
5. Pelagalli, A., Squillacioti, C., Mirabella, N., & Meli, R. (2016). Аквапорини в галузі здоров'я та хвороб: огляд, присвячений кишкам різних видів. Міжнародний журнал молекулярних наук, 17 (8), 1213.
6. Садава, Д., І Purves, WH (2009). Життя: Наука про біологію. Редакція Médica Panamericana.
7. Веркман, А. С. (2012). Аквапорини в клінічній медицині. Щорічний огляд медицини, 63, 303-316.
8. Веркман, А.С., Мітра, АК (2000). Будова та функції водних каналів аквапорину. Американський журнал фізіології-ниркової фізіології, 278 (1), F13-F28.
9. Веркман, А. С. (2013). Аквапорини. Поточна біологія, 23 (2), R52-5.