AQUAPORINE: FUNKTIONEN, STRUKTUR UND TYPEN - BIOLOGIE - 2025

Die Aquaporine , auch Wasserkanäle genannt, sind proteinhaltige Moleküle, die durch biologische Membranen gelangen. Sie sind dafür verantwortlich, den schnellen und effizienten Wasserfluss in und aus Zellen zu vermitteln und zu verhindern, dass Wasser mit den typischen hydrophoben Teilen der Phospholipiddoppelschichten interagiert.

Diese Proteine ​​ähneln einem Fass und haben eine ganz bestimmte Molekülstruktur, die hauptsächlich aus Helices besteht. Sie sind in verschiedenen Abstammungslinien weit verbreitet, einschließlich von kleinen Mikroorganismen bis zu Tieren und Pflanzen, wo sie reichlich vorhanden sind.

Quelle: Von María Quezada Aranda aus Wikimedia Commons

Historische Perspektive

Mit Grundkenntnissen der Physiologie und den Mechanismen, die gelöste Stoffe durch Membranen (aktiv und passiv) bewegen, können wir vermuten, dass der Wassertransport kein Problem darstellt und durch einfache Diffusion in die Zelle eindringt und diese verlässt.

Diese Idee gibt es schon seit vielen Jahren. Einige Forscher stellten jedoch die Existenz eines Wassertransportkanals fest, da bei bestimmten Zelltypen mit hoher Wasserdurchlässigkeit (z. B. der Niere) die Diffusion kein ausreichender Mechanismus zur Erklärung des Transports wäre aus Wasser.

Der Arzt und Forscher Peter Agre entdeckte diese Proteinkanäle 1992, als er mit der Membran von Erythrozyten arbeitete. Dank dieser Entdeckung gewann er (zusammen mit seinen Kollegen) 2003 den Nobelpreis. Dieses erste Aquaporin hieß "Aquaporin 1".

Struktur

Die Form des Aquaporins erinnert an eine Sanduhr, wobei zwei symmetrische Hälften einander gegenüberliegen. Diese Struktur kreuzt die Doppellipidmembran der Zelle.

Es sollte erwähnt werden, dass die Form von Aquaporin sehr speziell ist und keiner anderen Art von membranüberspannenden Proteinen ähnelt.

Die Aminosäuresequenzen sind überwiegend polar. Transmembranproteine ​​zeichnen sich durch ein Segment aus, das reich an Alpha-Helix-Segmenten ist. Aquaporinen fehlen jedoch solche Regionen.

Dank der Verwendung aktueller Technologien wurde die Struktur des Porins detailliert aufgeklärt: Es handelt sich um Monomere von 24 bis 30 KDa, die aus sechs helikalen Segmenten mit zwei kleinen Segmenten bestehen, die das Zytoplasma umgeben und durch eine kleine Pore verbunden sind.

Diese Monomere sind in einer Gruppe von vier Einheiten zusammengesetzt, obwohl jede unabhängig funktionieren kann. In kleinen Helices gibt es einige konservierte Motive, einschließlich NPA.

In einigen Aquaporinen, die in Säugetieren (AQP4) gefunden wurden, treten höhere Aggregationen auf, die supramolequal Kristallanordnungen bilden.

Um Wasser zu transportieren, ist das Innere des Proteins polar und das Äußere unpolar, im Gegensatz zu herkömmlichen globulären Proteinen.

Quelle: Von Kein maschinenlesbarer Autor angegeben. DanielMCR angenommen (basierend auf urheberrechtlichen Ansprüchen). über Wikimedia Commons

Eigenschaften

Die Rolle von Aquaporinen besteht darin, den Transport von Wasser in die Zelle als Reaktion auf einen osmotischen Gradienten zu vermitteln. Es braucht keine zusätzliche Kraft oder Pumpe: Das Wasser tritt durch Osmose, vermittelt durch Aquaporin, in die Zelle ein und verlässt sie. Einige Varianten tragen auch Glycerinmoleküle.

Um diesen Transport durchzuführen und die Wasserdurchlässigkeit wesentlich zu erhöhen, wird die Zellmembran mit Aquaporinmolekülen in einer Größenordnung von 10.000 Quadratmikrometer gepackt.

Funktionen bei Tieren

Der Wassertransport ist für Organismen von entscheidender Bedeutung. Nehmen wir das spezifische Beispiel der Nieren: Sie müssen jeden Tag große Mengen Wasser filtern. Wenn dieser Prozess nicht ordnungsgemäß abläuft, sind die Folgen fatal.

Neben der Urinkonzentration sind Aquaporine an der allgemeinen Homöostase der Körperflüssigkeit, der Gehirnfunktion, der Drüsensekretion, der Hautfeuchtigkeit, der männlichen Fruchtbarkeit, dem Sehen und dem Hören beteiligt - um nur einige Prozesse zu nennen biologisch.

In Experimenten an Mäusen wurde der Schluss gezogen, dass sie auch an der Zellmigration beteiligt sind, eine Rolle, die weit vom Wassertransport entfernt ist.

Funktionen in Pflanzen

Aquaporine sind im Pflanzenreich meist vielfältig. Entscheidende Prozesse wie Schweiß, Fortpflanzung und Stoffwechsel vermitteln in diesen Organismen.

Darüber hinaus spielen sie eine wichtige Rolle als Anpassungsmechanismus in Umgebungen, deren Umgebungsbedingungen nicht optimal sind.

Funktionen in Mikroorganismen

Obwohl Aquaporine in Mikroorganismen vorhanden sind, wurde eine spezifische Funktion noch nicht gefunden.

Hauptsächlich aus zwei Gründen: Das hohe Verhältnis von Oberfläche zu Volumen von Mikroben setzt ein schnelles osmotisches Gleichgewicht voraus (was Aquaporine unnötig macht), und Untersuchungen von Deletionen in Mikroben haben keinen eindeutigen Phänotyp ergeben.

Es wird jedoch spekuliert, dass Aquaporine einen gewissen Schutz gegen aufeinanderfolgende Gefrier- und Auftauereignisse bieten könnten, wodurch die Wasserdurchlässigkeit in den Membranen bei niedrigen Temperaturen erhalten bleibt.

Typen

Aquaporinmoleküle sind aus verschiedenen Abstammungslinien bekannt, sowohl in Pflanzen und Tieren als auch in weniger komplexen Organismen, und diese sind einander sehr ähnlich - wir nehmen dann an, dass sie früh in der Evolution erschienen sind.

In Pflanzen wurden etwa 50 verschiedene Moleküle gefunden, während Säugetiere nur 13 haben, die über verschiedene Gewebe verteilt sind, wie das Epithel- und Endothelgewebe der Niere, Lunge, exokrinen Drüsen und Organe, die mit der Verdauung zusammenhängen.

Aquaporine können jedoch auch in Geweben exprimiert werden, die keine offensichtliche und direkte Beziehung zum Flüssigkeitstransport im Körper haben, wie in Astrozyten des Zentralnervensystems und in bestimmten Regionen des Auges, wie der Hornhaut und dem Ziliarepithel.

Es gibt Aquaporine sogar in der Membran von Pilzen, Bakterien (wie E. coli) und in den Membranen von Organellen wie Chloroplasten und Mitochondrien.

Medizinische Pathologien im Zusammenhang mit Aquaporinen

Bei Patienten mit einem Defekt in der Sequenz von Aquaporin 2 in Nierenzellen müssen sie mehr als 20 Liter Wasser trinken, um hydratisiert zu bleiben. In diesen medizinischen Fällen gibt es keine ausreichende Urinkonzentration.

Der umgekehrte Fall führt auch zu einem interessanten klinischen Fall: Die Produktion von überschüssigem Aquaporin 2 führt dazu, dass überschüssige Flüssigkeit im Patienten zurückgehalten wird.

Während der Schwangerschaft nimmt die Synthese von Aquaporinen zu. Diese Tatsache erklärt die häufige Flüssigkeitsretention bei werdenden Müttern. In ähnlicher Weise wurde das Fehlen von Aquaporin 2 mit der Entwicklung einer bestimmten Art von Diabetes in Verbindung gebracht.

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