Od objevu vodního kanálu AqpZ u bakterie Escherichia coli se začíná chápat způsob rychlého toku vody přes membrány, kterým se mikroorganismy přizpůsobují náhlým změnám osmolarity . Tento kanál je selektivně propustný pro vodu, hraje roli v krátkodobé i dlouhodobé osmoregulační odpovědi a je vyžadován rychle rostoucími buňkami. Zdá se, že proteiny podobné AqpZ jsou nezbytné pro virulenci některých patogenních bakterií. Mikrobiální akvaporiny se také pravděpodobně podílejí na tvorbě spor a/nebo klíčení.
Rozmanitost akvaporinů u mnohobuněčných organismů poukazuje na rozmanité požadavky na osmoregulaci a transmembránový pohyb vody v různých tkáních, orgánech a vývojových stadiích. U savců jsou akvaporiny lokalizovány v epiteliích, které potřebují vysokou rychlost toku vody, jako je sběrný kanálek ledvin, kapiláry plic a sekreční buňky slinných žláz. Savčí akvaporiny se liší svou transkripční regulací, posttranskripční regulací a subcelulární distribucí.
Členové rodiny akvaporinů se podílejí na mnoha fyziologických procesech (přehled v ). Například v ledvinách je AQP1 extrémně hojný v apikální i bazolaterální membráně ledvinných proximálních tubulů a v endotelu kapilár. Podílí se na protiproudovém mechanismu koncentrace moči. Ve slinné žláze se AQP3 nachází v bazolaterálních membránách, kde je voda přijímána z intersticia, a AQP5 v apikální membráně, kde se voda uvolňuje. Ztrátě nebo dysfunkci akvaporinů se připisuje celá řada klinických poruch, včetně poruch funkce ledvin, ztráty zraku, vzniku edému mozku a hladovění . Nedávno se ukázalo, že AQP1 se podílí na angiogenezi, hojení ran, regeneraci orgánů a karcinogenezi .
V posledních letech se podstatně rozšířily naše znalosti o molekulárních funkcích rostlinných akvaporinů s ohledem na jejich specifitu pro vodu a malé neutrální rozpuštěné látky . V rostlinných buňkách je cytoplazma ve skutečnosti uzavřena mezi dvěma membránami: plazmatickou membránou, která tvoří vnější hranici buňky, a tonoplastem, který obklopuje vakuolární kompartment. Akvaporiny umístěné v plazmatické membráně (PIP) nebo v tonoplastu (TIP) přispívají k intracelulární vodní bilanci a transcelulárnímu toku vody. Předpokládá se, že NIP, které byly původně nalezeny v peribakteroidní membráně symbiotických kořenových hlíz luštěnin , se podílejí na výměně metabolitů mezi hostitelem a symbiontem; subcelulární lokalizace a fyziologická funkce NIP u jiných než luštěninových rostlin není známa. SIP byly nedávno lokalizovány v membránách endoplazmatického retikula; jejich fyziologické funkce je třeba ještě objasnit .
Většina našich informací o fyziologickém významu akvaporinů v rostlinách pochází z analýz transgenních rostlin s modifikovanou expresí různých akvaporinů nebo z analýz mutantů akvaporinů. První důkaz o funkci v buněčném příjmu vody a transportu vody celou rostlinou pochází z rostlin exprimujících antisense RNA pro proteiny PIP, u nichž se vyvinul větší kořenový systém než u kontrol . U tabáku se ukázalo, že akvaporin plazmatické membrány NtAQP1 je důležitý pro hydraulickou vodivost a odolnost vůči vodnímu stresu v kořenech . Studie na rostlinách s narušenou expresí dvou různých akvaporinů (PIP1 a PIP2) ukázaly, že tyto proteiny jsou důležité pro zotavení z nedostatku vody . Nadměrná exprese akvaporinu z plazmatické membrány Arabidopsis v tabáku vedla ke zvýšení rychlosti růstu při optimálním zavlažování , což bylo interpretováno jako součet účinků na příjem vody a fotosyntézu. Kromě funkce v hospodaření s vodou mají rostlinné akvaporiny úlohu při pohybu listů, což je proces zahrnující vysokou rychlost buněčného transportu vody .
Kromě své úlohy v transportu vody a osmoregulaci usnadňují některé akvaporiny průchod plynů, jako je CO2 a NH3, přes membrány (přehled v ). Fyziologický význam transportu CO2 usnadňovaného AQP1 je stále předmětem diskusí. Myši s knockoutem AQP1 nevykazovaly rozdíly v rychlosti výměny CO2 v plicích a ledvinách , ale rostliny s narušenou expresí akvaporinu PIP1 vykazovaly řadu rozdílů, a to nejen v transportu vody, ale také v procesech limitovaných CO2, jako je fotosyntéza a stomatální vodivost . Studie s inhibitory funkce akvaporinů v rostlinách naznačují, že se NIP podílejí na propustnosti NH3 a možná i na výměně živin mezi hostitelskou rostlinou a endosymbiotickými bakteriemi.
Mechanismus
Vzhledem k tomu, že všechny akvaporiny jsou strukturně příbuzné a mají velmi podobné konsenzuální oblasti, zejména v doménách tvořících póry, lze předpokládat podobný transportní mechanismus. Předpokládá se, že hydrofobní doména vytvořená smyčkami B a E (obr. 2) se podílí na substrátové specifitě a/nebo omezení velikosti. Cesta skrz monomer akvaporinu je lemována konzervovanými hydrofobními zbytky, které umožňují rychlý transport vody ve formě jednořadého vodíkově vázaného řetězce molekul vody . Pór obsahuje dvě zúžená místa: aromatická oblast zahrnující konzervovaný argininový zbytek (Arg195) tvoří nejužší část póru , a vysoce konzervované motivy NPA tvoří druhý filtr, kde jednotlivé molekuly vody interagují se dvěma postranními řetězci asparaginu . V důsledku přímé interakce mezi molekulami vody a motivy NPA se dipolární molekula vody při průchodu pórem otočí o 180 stupňů. Obě filtrační oblasti vytvářejí elektrostatické bariéry, které brání prostupu protonů . V lidském AQP1 zasahuje do póru hydrofobní postranní řetězec fenylalaninu (Phe24) a zesiluje interakci jednotlivých prostupujících molekul vody se smyčkami NPA. V bakteriálním glycerolovém facilitátoru GlpF je tento zbytek nahrazen menší aminokyselinou leucinem (Leu21). Phe24 působí jako velikostně vylučovací filtr a brání průchodu větších molekul, jako je glycerol, přes AQP1 .
Propustnost vody a selektivita akvaporinů se však značně liší. Propustnost vody pro lidské akvaporiny byla odhadnuta na 0,25 × 10-14 cm3/s pro AQP0 a 24 × 10-14 cm3/s pro AQP4 . Rostlinné akvaporiny s plazmatickou membránou mají také různé úrovně akvaporinové aktivity . Koexprese a heteromerizace izoforem PIP1 a PIP2 z kukuřice vyvolala zvýšení permeability nad hodnotu získanou při expresi jednotlivých izoforem . Zdá se, že heteromerizace je důležitá nejen v heterologních expresních systémech, ale také v rostlině, jak ukázala analýza PIP1 a PIP2 antisense rostlin Arabidopsis .
Mechanismus, kterým akvaglyceroporiny podporují transport glycerolu, byl zkoumán pro glycerolový facilitátor GlpF z E. coli . Tento protein také obsahuje konzervované motivy NPA na srovnatelných pozicích jako u akvaporinů selektivních pro vodu, ale preference glycerolu je dosaženo aromatickými aminokyselinami na periplasmatické straně. Trp48, Phe200 a Arg206 tvoří zúžení a argininový zbytek vytváří vodíkové vazby se dvěma hydroxylovými skupinami molekuly glycerolu. Výsledkem je, že uhlíková páteř molekuly glycerolu směřuje do dutiny sestavené dvěma aromatickými aminokyselinami (Phe200 a Trp48). Glycerol je oddělen od ostatních lineárních polyolů a prochází pórem v jednom souboru. Pór GlpF je zcela amfipatický, s polárními zbytky naproti hydrofobní stěně
.