Seit der Entdeckung des Wasserkanals AqpZ von Escherichia coli hat man begonnen, den Weg des schnellen Wasserflusses durch die Membranen zu verstehen, durch den sich Mikroorganismen an abrupte Änderungen der Osmolarität anpassen. Dieser Kanal ist selektiv wasserdurchlässig, spielt sowohl bei der kurz- als auch bei der langfristigen Osmoregulation eine Rolle und wird von schnell wachsenden Zellen benötigt. AqpZ-ähnliche Proteine scheinen für die Virulenz einiger pathogener Bakterien notwendig zu sein. Mikrobielle Aquaporine sind wahrscheinlich auch an der Sporenbildung und/oder Keimung beteiligt.
Die Vielfalt der Aquaporine in multizellulären Organismen verdeutlicht die unterschiedlichen Anforderungen an die Osmoregulation und die transmembrane Wasserbewegung in verschiedenen Geweben, Organen und Entwicklungsstadien. Bei Säugetieren sind Aquaporine in Epithelien lokalisiert, die eine hohe Wasserflussrate benötigen, wie z. B. im Sammelkanal der Niere, in den Kapillaren der Lunge und in den sekretorischen Zellen der Speicheldrüsen. Aquaporine von Säugetieren unterscheiden sich in ihrer transkriptionellen und posttranskriptionellen Regulierung sowie in ihrer subzellulären Verteilung.
Mitglieder der Aquaporin-Familie sind an zahlreichen physiologischen Prozessen beteiligt (Übersicht in ). In der Niere beispielsweise ist AQP1 sowohl in den apikalen als auch in den basolateralen Membranen der proximalen Nierentubuli und im Kapillarendothel extrem reichlich vorhanden. Es trägt zum Gegenstrommechanismus der Urinkonzentration bei. In der Speicheldrüse befindet sich AQP3 in den basolateralen Membranen, wo Wasser aus dem Interstitium aufgenommen wird, und AQP5 in der apikalen Membran, wo Wasser abgegeben wird. Ein breites Spektrum klinischer Störungen wurde auf den Verlust oder die Fehlfunktion von Aquaporinen zurückgeführt, darunter Nierenfunktionsstörungen, Sehstörungen, das Auftreten von Hirnödemen und Hungersnöte. Kürzlich wurde gezeigt, dass AQP1 an der Angiogenese, Wundheilung, Organregeneration und Karzinogenese beteiligt ist.
Unser Wissen über die molekularen Funktionen der pflanzlichen Aquaporine im Hinblick auf ihre Spezifität für Wasser und kleine neutrale gelöste Stoffe hat sich in den letzten Jahren erheblich erweitert. In Pflanzenzellen ist das Zytoplasma zwischen zwei Membranen eingeschlossen: der Plasmamembran, die die äußere Begrenzung der Zelle bildet, und dem Tonoplasten, der das Vakuolarkompartiment umgibt. Aquaporine, die sich in der Plasmamembran (PIPs) oder in den Tonoplasten (TIPs) befinden, tragen zum intrazellulären Wasserhaushalt und zum transzellulären Wasserfluss bei. NIPs, die ursprünglich in der peribakteroiden Membran von symbiotischen Wurzelknöllchen von Leguminosen gefunden wurden, sind vermutlich am Austausch von Metaboliten zwischen Wirt und Symbiont beteiligt; die subzelluläre Lokalisierung und physiologische Funktion von NIPs in Nicht-Leguminosen ist nicht bekannt. SIPs wurden kürzlich an den Membranen des endoplasmatischen Retikulums lokalisiert; ihre physiologischen Funktionen müssen noch aufgeklärt werden.
Viele unserer Informationen über die physiologische Bedeutung der Aquaporine in Pflanzen stammen aus Analysen transgener Pflanzen mit veränderter Expression verschiedener Aquaporine oder aus Analysen von Aquaporin-Mutanten. Die ersten Hinweise auf eine Funktion bei der zellulären Wasseraufnahme und dem Wassertransport in der ganzen Pflanze stammen von Pflanzen, die Antisense-RNA für PIP-Proteine exprimierten und ein größeres Wurzelsystem entwickelten als die Kontrollpflanzen. Bei Tabak wurde gezeigt, dass das Plasmamembran-Aquaporin NtAQP1 für die hydraulische Leitfähigkeit und die Wasserstressresistenz der Wurzeln wichtig ist. Untersuchungen an Pflanzen mit gestörter Expression von zwei verschiedenen Aquaporinen (PIP1 und PIP2) deuteten darauf hin, dass diese Proteine für die Erholung von Wassermangel wichtig sind. Die Überexpression eines Arabidopsis-Plasmamembran-Aquaporins in Tabak führte zu erhöhten Wachstumsraten bei optimaler Bewässerung, was als Summe der Auswirkungen auf die Wasseraufnahme und die Photosynthese interpretiert wurde. Neben ihrer Funktion im Wassermanagement spielen pflanzliche Aquaporine eine Rolle bei der Blattbewegung, einem Prozess, der hohe Raten des zellulären Wassertransports beinhaltet.
Neben ihrer Rolle beim Wassertransport und der Osmoregulation erleichtern einige Aquaporine den Durchgang von Gasen wie CO2 und NH3 durch die Membranen (Übersicht in ). Die physiologische Bedeutung des durch AQP1 geförderten CO2-Transports ist noch umstritten. AQP1-Knockout-Mäuse wiesen keine Unterschiede bei den CO2-Austauschraten in Lunge und Niere auf, aber Pflanzen mit beeinträchtigter Expression eines PIP1-Aquaporins zeigten verschiedene Unterschiede, nicht nur beim Wassertransport, sondern auch bei CO2-begrenzten Prozessen wie der Photosynthese und der stomatären Leitfähigkeit. Studien mit Inhibitoren der Aquaporinfunktion in Pflanzen deuten darauf hin, dass NIPs an der NH3-Durchlässigkeit und vielleicht am Nährstoffaustausch zwischen der Wirtspflanze und endosymbiotischen Bakterien beteiligt sind.
Mechanismus
Da alle Aquaporine strukturell verwandt sind und sehr ähnliche Konsensusregionen aufweisen, insbesondere in den porenbildenden Domänen, kann ein ähnlicher Transportmechanismus angenommen werden. Es wird vermutet, dass die hydrophobe Domäne, die durch die Schleifen B und E (Abbildung 2) gebildet wird, an der Substratspezifität und/oder Größenbeschränkung beteiligt ist. Der Weg durch das Aquaporinmonomer ist mit konservierten hydrophoben Resten ausgekleidet, die einen schnellen Transport von Wasser in Form einer einreihigen wasserstoffgebundenen Kette von Wassermolekülen ermöglichen. Die Pore enthält zwei Verengungsstellen: eine aromatische Region mit einem konservierten Argininrest (Arg195) bildet den engsten Teil der Pore, und die hochkonservierten NPA-Motive bilden einen zweiten Filter, in dem einzelne Wassermoleküle mit den beiden Asparaginseitenketten interagieren. Aufgrund einer direkten Wechselwirkung zwischen den Wassermolekülen und den NPA-Motiven dreht sich das dipolare Wassermolekül beim Durchgang durch die Pore um 180 Grad. Beide Filterregionen bauen elektrostatische Barrieren auf, die die Permeation von Protonen verhindern. Im menschlichen AQP1 dringt eine hydrophobe Phenylalanin-Seitenkette (Phe24) in die Pore ein und verstärkt die Wechselwirkung einzelner permeierender Wassermoleküle mit den NPA-Schleifen. Im bakteriellen Glycerin-Facilitator GlpF ist dieser Rest durch die kleinere Aminosäure Leucin (Leu21) ersetzt. Phe24 wirkt als Größenausschlussfilter und verhindert den Durchgang größerer Moleküle wie Glycerin durch AQP1.
Die Wasserdurchlässigkeit und Selektivität der Aquaporine variiert jedoch erheblich. Die Wasserdurchlässigkeit für menschliche Aquaporine wurde auf 0,25 × 10-14 cm3/sec für AQP0 und 24 × 10-14 cm3/sec für AQP4 geschätzt. Auch pflanzliche Plasmamembran-Aquaporine weisen unterschiedliche Aquaporin-Aktivitätsniveaus auf. Die Koexpression und Heteromerisierung von PIP1- und PIP2-Isoformen aus Mais führte zu einer Erhöhung der Permeabilität, die über derjenigen lag, die bei der Expression der einzelnen Isoformen erzielt wurde. Die Heteromerisierung scheint nicht nur in heterologen Expressionssystemen, sondern auch in der Pflanze wichtig zu sein, wie die Analyse von PIP1- und PIP2-Antisense-Arabidopsis-Pflanzen zeigte.
Der Mechanismus, durch den Aquaglyceroporine den Glycerintransport fördern, wurde für den E. coli-Glycerin-Facilitator GlpF untersucht. Dieses Protein enthält ebenfalls die konservierten NPA-Motive an vergleichbaren Positionen wie die wasser-selektiven Aquaporine, aber die Präferenz für Glycerin wird durch aromatische Aminosäuren auf der periplasmatischen Seite erreicht. Trp48, Phe200 und Arg206 bilden eine Verengung, und der Argininrest bildet Wasserstoffbrücken mit zwei Hydroxylgruppen des Glycerinmoleküls. Infolgedessen ist das Kohlenstoffgerüst des Glycerinmoleküls dem Hohlraum zugewandt, der von den beiden aromatischen Aminosäuren (Phe200 und Trp48) gebildet wird. Glycerin wird von anderen linearen Polyolen getrennt und passiert die Pore in einer einzigen Reihe. Die GlpF-Pore ist vollständig amphipathisch, mit polaren Resten gegenüber einer hydrophoben Wand.