Siden opdagelsen af Escherichia coli-vandkanalen AqpZ er man begyndt at forstå vejen for hurtige vandstrømme gennem membraner, hvormed mikroorganismer tilpasser sig pludselige ændringer i osmolariteten. Denne kanal er selektivt permeabel for vand, spiller en rolle i både den kortsigtede og langsigtede osmoregulerende reaktion og er nødvendig for hurtigt voksende celler. AqpZ-lignende proteiner synes at være nødvendige for virulensen hos nogle patogene bakterier. Mikrobielle aquaporiner er sandsynligvis også involveret i sporedannelse og/eller spiring.
Diversiteten af aquaporiner i flercellede organismer fremhæver de forskellige krav til osmoregulering og transmembranvandbevægelse i forskellige væv, organer og udviklingsstadier. Hos pattedyr er aquaporiner lokaliseret i epitelier, der har brug for en høj vandstrømningshastighed, såsom nyrernes samleledninger, lungernes kapillærer og spytkirtlernes sekretoriske celler. Pattedyrs aquaporiner adskiller sig fra hinanden i deres transkriptionelle regulering, post-transkriptionelle regulering og subcellulære distribution.
Medlemmer af aquaporin-familien er involveret i talrige fysiologiske processer (gennemgået i ). I nyren er AQP1 f.eks. ekstremt rigeligt forekommende i både de apikale og basolaterale membraner i de proximale tubuli i nyrerne og i kapillærendothelium. Den bidrager til modstrømsmekanismen for urinkoncentration. I spytkirtlen findes AQP3 i de basolaterale membraner, hvor vand optages fra interstitium, og AQP5 i den apikale membran, hvor vand frigives. En lang række kliniske lidelser er blevet tilskrevet tabet eller dysfunktionen af aquaporiner, herunder abnormiteter i nyrefunktionen, tab af synet, begyndende ødem i hjernen og sult . AQP1 blev for nylig vist at være involveret i angiogenese, sårheling, organregeneration og carcinogenese.
Vores viden om de molekylære funktioner af planteaquaporiner med hensyn til deres specificitet for vand og små neutrale opløsningsstoffer er steget betydeligt i de seneste år . I planteceller er cytoplasmaet faktisk indesluttet mellem to membraner: plasmamembranen, som udgør cellens ydre grænse, og tonoplasten, som omgiver det vakuolære rum. Aquaporiner, der er placeret i plasmamembranen (PIP’er) eller tonoplasten (TIP’er), bidrager til den intracellulære vandbalance og den transcellulære vandgennemstrømning. NIP’er, som oprindeligt blev fundet i peribacteroidmembranen i symbiotiske rodknuder fra bælgplanter, formodes at være involveret i udvekslingen af metabolitter mellem værten og symbiont; den subcellulære lokalisering og den fysiologiske funktion af NIP’er i ikke-leguminøse planter er ukendt. SIP’er er for nylig blevet lokaliseret til endoplasmatisk retikulum-membraner; deres fysiologiske funktioner mangler stadig at blive belyst .
Meget af vore oplysninger om den fysiologiske relevans af aquaporiner i planter stammer fra analyser af transgene planter med modificeret ekspression af forskellige aquaporiner eller fra analyser af aquaporin-mutanter. Det første bevis for en funktion i cellulær vandoptagelse og vandtransport i hele planten kom fra planter, der udtrykker antisense RNA for PIP-proteiner, som udviklede et større rodsystem end kontrolplanterne . I tobak blev det vist, at plasmamembranakvaporinet NtAQP1 er vigtigt for hydraulisk ledningsevne og modstandsdygtighed over for vandstress i rødder . Undersøgelser af planter med nedsat ekspression af to forskellige aquaporiner (PIP1 og PIP2) viste, at disse proteiner er vigtige i forbindelse med genopretning efter vandmangel . Overekspression af et akvaporin fra Arabidopsis plasma-membranen i tobak resulterede i øget væksthastighed ved optimal vanding , hvilket blev fortolket som summen af virkningerne på vandoptagelse og fotosyntese. Ud over deres funktion i vandstyring har planteaquaporiner en rolle under bladbevægelse, en proces, der involverer høje hastigheder af cellulær vandtransport .
Ud over deres rolle i vandtransport og osmoregulering letter nogle akvaporiner passagen af gasser såsom CO2 og NH3 gennem membraner (gennemgået i ). Den fysiologiske betydning af AQP1-faciliteret CO2-transport er stadig genstand for debat. AQP1 knockout-mus viste ingen forskelle i CO2-udvekslingshastigheder i lunge og nyre , men planter med nedsat ekspression af et PIP1 akvaporin viste adskillige forskelle, ikke kun i vandtransport, men også i CO2-begrænsede processer som fotosyntese og stomatal konduktans . Undersøgelser med inhibitorer af aquaporinfunktion i planter tyder på, at NIP’er er involveret i NH3-permeabilitet og måske i næringsstofudveksling mellem værtsplanten og endosymbiotiske bakterier.
Mekanisme
Da alle aquaporiner er strukturelt beslægtede og har meget ens konsensusregioner, især i de poredannende domæner, kan man antage en lignende transportmekanisme. Det hydrofobiske domæne, der er skabt af løkkerne B og E (figur 2), er blevet foreslået at være involveret i substratspecificitet og/eller størrelsesbegrænsning. Vejen gennem aquaporin-monomeren er foret med bevarede hydrofobiske rester, der muliggør hurtig transport af vand i form af en enkeltfilet hydrogenbundet kæde af vandmolekyler . Poren indeholder to indsnævringssteder: et aromatisk område med en bevaret argininrest (Arg195) danner den smalleste del af poren , og de stærkt bevarede NPA-motiver danner et andet filter, hvor enkelte vandmolekyler interagerer med de to asparaginsidekæder . På grund af en direkte interaktion mellem vandmolekyler og NPA-motiverne roterer det dipolære vandmolekyle 180 grader under passagen gennem porten. Begge filterområder opbygger elektrostatiske barrierer, som forhindrer protoner i at trænge igennem . I menneskelig AQP1 trænger en hydrofob phenylalanin-sidekæde (Phe24) ind i poren og forstærker interaktionen mellem enkelte permeerende vandmolekyler og NPA-sløjferne. I den bakterielle glycerol-facilitator GlpF er denne rest erstattet af den mindre aminosyre leucin (Leu21). Phe24 fungerer som et størrelsesudelukkelsesfilter og forhindrer passage af større molekyler som f.eks. glycerol gennem AQP1 .
Vandpermeabiliteten og selektiviteten af aquaporiner varierer imidlertid betydeligt. Vandpermeabiliteten for humane aquaporiner er blevet anslået til at være mellem 0,25 × 10-14 cm3/sek. for AQP0 og 24 × 10-14 cm3/sek. for AQP4 . Planternes plasmamembranakvaporiner har også forskellige niveauer af aquaporinaktivitet . Samekspression og heteromerisering af PIP1- og PIP2-isoformer fra majs inducerede en stigning i permeabiliteten over den, der blev opnået ved ekspression af de enkelte isoformer . Heteromerisering synes at være vigtig ikke kun i heterologe ekspressionssystemer, men også i planten, som det blev påvist ved analyse af PIP1 og PIP2 antisense Arabidopsis planter .
Mekanismen, hvormed aquaglyceroporiner fremmer glyceroltransport, er blevet undersøgt for E. coli glycerolfacilitatoren GlpF . Dette protein indeholder også de konserverede NPA-motiver på sammenlignelige positioner med dem i de vandselektive aquaporiner, men præferencen for glycerol opnås ved hjælp af aromatiske aminosyrer på den periplasmiske side. Trp48, Phe200 og Arg206 danner en indsnævring, og argininresten danner hydrogenbindinger med to hydroxylgrupper i glycerolmolekylet. Som følge heraf vender glycerolmolekylets kulstofryggen ind i det hulrum, der er samlet af de to aromatiske aminosyrer (Phe200 og Trp48). Glycerol er adskilt fra andre lineære polyoler og passerer porerne i en enkelt række. GlpF-poren er fuldstændig amfipatisk, med polære rester over for en hydrofob væg.