Akwaporyny

Akwaporyny
Akwaporyny
Reprezentacja pasma AQP1
Właściwości białka ludzkiego
Identyfikator
Nazwy genów MIP , AQP1, AQP2, AQP3
Klasyfikacja przewoźników
TCDB 1.A.8
Przeznaczenie Rodzina MIP / akwaporyn
Występowanie
Takson macierzysty Kreatura

Przedstawienie kanału akwaporyny (rozcięty). Por w środku homotetrameru nie przewodzi wody.

Akwaporyny ( AQP ) to białka, które tworzą kanały w błonie komórkowej, aby ułatwić przepływ wody i niektórych innych cząsteczek ( transport błonowy ). Dlatego nazywane są również kanałami wodnymi . Akwaporyny występują u wszystkich żywych istot z błoną komórkową; zostały znalezione u archeonów , bakterii i eukariontów .

Ponieważ biomembrany są wodoodporne ( hydrofobowe ) wewnątrz , ich przewodność dla cząsteczek wody jest bardzo niska. Z drugiej strony przewodność wody w kanale akwaporynowym wynosi do 3 miliardów cząsteczek na sekundę. Białkowa rodzina akwaporyn jest podzielona na tak zwane akwaporyny pospolite i akwagliceroporyny. Zwykłe akwaporyny to kanały czystej wody. Aquaglyceroporine przewodzi również małe cząsteczki organiczne, takie jak gliceryna czy mocznik . W warunkach fizjologicznych akwaporyny działają jak tetramery ; H. cztery kanały akwaporyny są wbudowane w błonę biologiczną jako całość.

Historia

Fakt, że woda może być transportowana przez błony komórkowe, jest od dawna znany. Pierwsze spekulacje i dyskusje na temat mechanizmu sięgają połowy XIX wieku (w grę wchodził m.in. Ernst Wilhelm Brücke). Po odkryciu podwójnej warstwy lipidowej w błonach plazmatycznych w późnych latach dwudziestych XX wieku założono prostą dyfuzję wody przez błonę komórkową, ale nie można było wyjaśnić bardzo różnych przepuszczalności różnych komórek. W latach 70 - tych min . Arthur Solomon, Robert Macey i Alan Finkelstein postulowali istnienie określonych kanałów wodnych na podstawie modeli biofizycznych. Problem identyfikacji jest dość złożony: woda jest wszędzie i nie można jej modyfikować światłoczułymi łańcuchami bocznymi. Próby klonowania genetycznego odpowiednich białek również zakończyły się niepowodzeniem.

Dopiero na początku lat dziewięćdziesiątych grupie roboczej Petera Agre'a udało się zidentyfikować białko znane z wcześniejszych badań nad antygenami grupy krwi rezusa (CHIP28, białko integralne 28 tworzące kanały ) o nieznanej wcześniej funkcji jako omawiany kanał wodny. Następnie nazwali to białko akwaporyną-1 (AQP1). W 2003 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za badania w dziedzinie akwaporyn . Do chwili obecnej zidentyfikowano wiele akwaporyn u ludzi, zwierząt, roślin i bakterii.

Struktura

Orientacja błony białka AQP1.

Wszystkie znane akwaporyny mają podobną strukturę i sekwencję aminokwasów . Podstawowej struktury AQP1 składa się z 268 aminokwasów . Tworzą one sześć α-helis, które obejmują błonę ( integralne białko błony ). Helisy są połączone ze sobą pętlami od A do E. Pętle B i E odgrywają specjalną rolę, z których każda tworzy krótką helisę, która zanurza się w membranie z obu stron do środka. Na każdej z dwóch pętli, na końcu dwóch krótkich helis , znajduje się charakterystyczny motyw strukturalny, składający się z trzech aminokwasów (N - P - A, asparagina - prolina - alanina ), co znacząco wpływa na selektywność kanału wodnego. Każdy z dwóch pętli tworzy pół porów, które razem tworzą kanał wodny ( wzór klepsydry , klepsydry modelu ). Kanał jest najwęższy w środku (0,3 nm), a dwa otwory mają średnicę 2 nm. Karboksylowe i aminowe końce białka błony znajdują się wewnątrz komórki. W błonach biologicznych akwaporyny tworzą homotetramery, co oznacza, że ​​cztery jednofunkcyjne białka porów łączą się ze sobą.

funkcjonować

Woda może dyfundować tylko w ograniczonym stopniu przez podwójną warstwę lipidową błony komórkowej. Komórki o bardzo dużej przepuszczalności wody, takie jak komórki kanalików nerkowych, komórki wydzielające ślinianki lub erytrocyty, potrzebują pomocy kanałów wodnych do szybkiej wymiany wody. Różnica między przenikalnością dyfuzyjną a przepuszczalnością kanałową jest znacząca. Dyfuzja to proces zachodzący z niewielką przepustowością w obu kierunkach przez błonę wszystkich komórek. W obecności określonych kanałów wodnych woda może poruszać się prawie bez przeszkód w kierunku gradientu osmotycznego. Akwaporyny nie są pompami ani wymiennikami, a do transportu nie jest wykorzystywana energia metaboliczna. Kanał działa dwukierunkowo, tj. H. Woda może przepływać kanałem w dowolnym kierunku. Podczas gdy dyfuzji przez membrany nie można zablokować, akwaporyny mogą zostać zablokowane przez cząsteczki, które zatykają ich pory, przerywając w ten sposób przepływ wody. Niektóre akwaporyny mogą zostać zatkane związkami rtęci, które kowalencyjnie wiążą się z bocznym łańcuchem cysteiny w porach.

Blokada protonów

Akwaporyny są wysoce selektywne. W szczególności zapobiegają przewodzeniu protonów przez błonę, dzięki czemu gradient protonów , który jest niezbędny dla każdej komórki , nie ulega zniszczeniu. (Gradient protonów służy do włączania procesów transportowych - patrz np. ATPazy ). Nie można tego przyjąć za pewnik, ponieważ woda w fazie ciekłej nie występuje jako pojedyncza cząsteczka, ale jako sieć połączona wiązaniami wodorowymi . Protony mogą przeskakiwać od cząsteczki do cząsteczki wzdłuż tych wiązań wodorowych ( mechanizm Grotthussa ).

Przedmiotem bieżących badań jest jak zapobiec protony z skacze przez kanał. Istotne wydaje się to, że akwaporyny ze względu na swoją budowę tworzą barierę elektrostatyczną na środku koryta. Skutkuje to tym, że polarne cząsteczki wody z częściowo naładowanym ujemnie tlenem są zorientowane głównie w kierunku środka kanału, podczas gdy częściowo naładowane dodatnio wodory są zorientowane głównie w kierunku wyjść z kanału. Dlatego wczesne prace (2002) zakładały, że orientacja cząsteczek wody przerwała mechanizm Grotthussa.

Nowsze prace kwestionują tę interpretację i koncentrują się na barierze energetycznej, którą proton musi pokonać wzdłuż kanału. Przedmiotem bieżącej debaty (stan na lipiec 2007) jest geneza bariery energetycznej. Podczas gdy niektórzy naukowcy podkreślają barierę elektrostatyczną stworzoną przez białko, inni wskazują, że białko nie może zastąpić otoczki solwatacyjnej jonu protonowo- oksoniowego w wodzie.

Zahamowanie

Akwaporyna-1 jest hamowana (hamowana) przez jony rtęci , złota lub srebra . Jon wiąże się z cysteiną na wejściu do porów i tym samym blokuje przepływ wody. Te jony nie wiążą się specyficznie z akwaporyny-1 i dlatego są toksyczne. Odkrycie nietoksycznego inhibitora zostało opublikowane w 2009 roku, jest pochodną diuretyku pętlowego bumetanidu i został nazwany w publikacji AqB013. Substancja ta wykazała działanie antagonistyczne w stosunku do akwaporyny-1 i -4. Poszukiwanie dalszych specyficznych inhibitorów akwaporyny jest przedmiotem aktualnych badań.

Ułatwiona komórkowa dyfuzja wody w roślinach

Funkcję akwaporyn w komórkach roślinnych można scharakteryzować jako składniki ułatwiającej dyfuzję wody w komórkach oraz udowodnić ich występowanie w tkance roślinnej. Pewna klasa białek akwaporyn ułatwia dyfuzję CO 2 w tkankach i komórkach roślinnych lub chloroplastach.

znaczenie

Akwaporyny mają fizjologiczne znaczenie zwłaszcza w tkankach, w których występuje duży przepływ fizjologiczny, np. B. podczas wzrostu ciśnienia turgorowego w komórkach roślinnych.

Wadliwe działanie akwaporyn jest odpowiedzialne za choroby takie jak moczówka prosta nerkowa , zaćma , jaskra (zielona gwiazda) i utrata słuchu . Przeciwciała przeciwko akwaporynie 4 powodują choroby ze spektrum neuromyelitis optica w ośrodkowym układzie nerwowym . Akwaporyny odgrywają również rolę w powstawaniu obrzęku mózgu po urazowym uszkodzeniu mózgu .

nomenklatura

  • Akwaporyny pochodzenia zwierzęcego są po prostu numerowane (AQP1, AQP4). Zazwyczaj odpowiedni Nazwa łacińska rodzajowy dodaje się do przodu, na przykład bovAQP1 (Łacińskiej BOS , bovis = bydło).
  • Akwaporyny pochodzenia roślinnego noszą różne nazwy. 1, że istnieje, więc AtTIP2 oznacza wewnętrzne białko tonoplastu (modelowej) rzeżuchy pospolitej ( Arabidopsis thaliana jest).

warianty

CHIPs ( białka integralne tworzące kanały ) znajdują się w błonie komórkowej czerwonych krwinek i komórek nerkowych. U ssaków gęstość akwaporyn jest szczególnie wysoka w erytrocytach (ok. 200 000 kanałów na komórkę) oraz w proksymalnych komórkach kanalików nerkowych, które wchłaniają wodę podczas tworzenia się moczu.

AQP2, który występuje w komórkach przewodów zbiorczych nerki (stąd stara nazwa WCHD z angielskich kanałów wodnych przewodu zbiorczego ) jest przechowywany w pęcherzykach . Gdy brakuje wody, przysadka gruczoł uwalnia się hormonu wazopresyny . Wazopresyna wiąże się z określonymi receptorami błonowymi komórek zawierających AQP2 i wyzwala kaskadę sygnału . Powoduje to łączenie się pęcherzyków z błoną komórkową, zwiększając dwudziestokrotnie wchłanianie wody z moczu pierwotnego.

TIPs ( białka wewnętrzne tonoplastu ) są zintegrowane z błoną wakuoli roślin i zapewniają wzrost objętości komórki poprzez wchłanianie wody podczas wzrostu komórki.

PIP ( białka wewnętrzne błony plazmatycznej ) również występują tylko w roślinach i regulują przewodzenie wody przez komórki. W ten sposób oprócz naczyń przewodzących wodę ksylemu istnieje drugi system transportu wody przez inne tkanki roślinne.

nagroda Nobla

Roderick MacKinnon (Rockefeller University, Nowy Jork) i Peter Agre (Johns Hopkins University, Baltimore) otrzymali w 2003 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za badania nad akwaporynami i kanałami potasowymi .

Indywidualne dowody

  1. ↑ Frings, Stephan, Möhrlen, Frank: Animal and Human Physiology Wprowadzenie . 5-ty, poprawiony. i zaktualizowane wydanie 2015. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2015, ISBN 978-3-662-43942-5 .
  2. ↑ Informacja z tej Fundacji Nobla na ceremonii wręczenia nagród 2003 dla Peter Agre (English)
  3. ↑ Kaldenhoff , R., A. Kolling i G. Richter, Nowatorski gen indukowalny światłem niebieskim i kwasem abscysynowym Arabidopsis-Thaliana kodujący wewnętrzną membranę-białko. Plant Molecular Biology, 1993. 23 (6): str. 1187-1198.
  4. ↑ UniProt P29972
  5. ↑ Macey RI, Farmer RE. Inhibition of water and solute permeability in human red cells (1970) Biochim Biophys Acta. 1970 7 lipca; 211 (1): str. 104-106.
  6. ↑ Elton Migliati, Nathalie Meurice, Pascale DuBois, Jennifer S. Fang, Suma Somasekharan: Inhibition of Aquaporin-1 and Aquaporin-4 Water Permeability by a Derivative of the Loop Diuretic Bumetanide Acting in an Internal Pore-Occlusion Binding Site . 23 maja 2017, s. 105–112 , doi : 10.1124 / mol.108.053744 , PMID 19403703 , PMC 2701455 (pełny tekst dowolny).
  7. ↑ Kaldenhoff, R., A. Kolling, J. Meyers, U. Karmann, G. Ruppel i G. Richter, Gen AthH2 z Arabidopsis thaliana reagujący na światło niebieskie jest wyrażany głównie w ekspansji, a także w różnicowaniu komórek i koduje przypuszczalne białko kanałowe plazmalemmy. The Plant Journal: dla biologii komórkowej i molekularnej, 1995. 7 (1): str. 87-95
  8. ↑ Biela, A., K. Grote, B. Otto, S. Hoth, R. Hedrich i R. Kaldenhoff, Akwaporyna błony plazmatycznej Nicotiana tabacum NtAQP1 jest niewrażliwa na rtęć i przepuszczalna dla glicerolu. The Plant journal: dla biologii komórkowej i molekularnej, 1999. 18 (5): str. 565-70.
  9. ↑ Siefritz, F., MT Tyree, C. Lovisolo, A. Schubert i R. Kaldenhoff, PIP1 plazmatyczne akwaporyny w tytoniu: od efektów komórkowych do funkcjonowania w roślinach. Plant Cell, 2002. 14 (4): str. 869-76.
  10. ↑ Otto, B. i R. Kaldenhoff, Specyficzna komórkowa ekspresja niewrażliwej na rtęć akwaporyny błony plazmatycznej NtAQP1 z Nicotiana tabacum. Planta, 2000. 211 (2): str. 167-72.
  11. ↑ Otto, B., N. Uehlein, S. Sdorra, M. Fischer, M. Ayaz, X.astenegui-Macadam, M. Heckwolf, M. Lachnit, N. Pede, N. Priem, A. Reinhard, S. Siegfart, M. Urban i R. Kaldenhoff, skład tetrameru Aquaporin modyfikuje funkcję akwaporyn tytoniu. Journal of Biological Chemistry, 2010. 285 (41): str. 31253-60
  12. ↑ Uehlein N. C. Lovisolo F. Siefritz, R. Kaldenhoff tytoń akwaporyna NtAQP1 jest membrana CO 2 porów w funkcji fizjologicznych. Naturę, 2003. 425 (6959): str. 734-7.
  13. ↑ Uehlein, N., B. Otto, D. Hanson, M. Fischer, N. McDowell i R. Kaldenhoff, Funkcja akwaporyn Nicotiana tabacum jako porów gazu chloroplastowego kwestionuje koncepcję przepuszczalności membrany CO 2 . Plant Cell, 2008. 20 (3): str. 648-57.
  14. ↑ Flexas, J., M. Ribas-Carbo, DT Hanson, J. Bota, B. Otto, J. Cifre, N. McDowell, H. Medrano i R. Kaldenhoff, Tobacco aquaporin NtAQP1 jest zaangażowana w przewodnictwo mezofilu do CO 2 in vivo. Plant Journal, 2006. 48 (3): str. 427-39.
  15. ↑ Heckwolf, M., D. Pater, DT Hanson i R. Kaldenhoff, Arabidopsis thaliana aquaporin AtPIP1; 2 jest fizjologicznie istotnym czynnikiem ułatwiającym transport CO. The Plant journal: dla biologii komórkowej i molekularnej, 2011. 67 (5): str. 795-804.
  16. ↑ Verkman AS. (2002): Aquaporynowe kanały wodne i funkcja komórek śródbłonka. W: J. Anat. 200 (6): 617-627. PMID 12162729 , PMC 1570747 (pełny tekst dowolny)

linki internetowe