Escherichia coli -bakteerin vesikanava AqpZ:n löytämisen jälkeen on alettu ymmärtää, miten mikro-organismit sopeutuvat osmolaarisuuden äkillisiin muutoksiin, kun vesi virtaa nopeasti kalvojen läpi . Tämä kanava on valikoivasti vettä läpäisevä, sillä on merkitystä sekä lyhyen että pitkän aikavälin osmoregulaatiovasteessa, ja sitä tarvitaan nopeasti kasvavissa soluissa. AqpZ:n kaltaiset proteiinit näyttävät olevan välttämättömiä joidenkin patogeenisten bakteerien virulenssille. Mikrobien akvaporiinit osallistuvat todennäköisesti myös itiöiden muodostukseen ja/tai itämiseen.
Akvaporiinien monimuotoisuus monisoluisissa eliöissä korostaa osmoregulaation ja transmembraanisen veden liikkeen erilaisia vaatimuksia eri kudoksissa, elimissä ja kehitysvaiheissa. Nisäkkäillä akvaporiinit ovat paikallistuneet epiteeleihin, jotka tarvitsevat suurta vedenvirtausnopeutta, kuten munuaisten keräyskanavaan, keuhkojen kapillaareihin ja sylkirauhasten erittäviin soluihin. Nisäkkäiden akvaporiinit eroavat toisistaan transkriptionaalisen säätelyn, transkriptionaalisen säätelyn jälkeisen säätelyn ja subcellulaarisen jakautumisen suhteen.
Akvaporiiniperheen jäsenet ovat osallisina lukuisissa fysiologisissa prosesseissa (katsaus artikkelissa ). Esimerkiksi munuaisissa AQP1 on erittäin runsaasti sekä munuaisten proksimaalisten tubulusten apikaalisissa että basolateraalisissa kalvoissa ja kapillaarien endoteelissä. Se osallistuu virtsan konsentraation vastavirtamekanismiin. Sylkirauhasessa AQP3 on basolateraalisilla kalvoilla, jonne vettä otetaan interstitiumista, ja AQP5 on apikaalisella kalvolla, jonne vettä vapautuu. Akvaporiinien menetyksen tai toimintahäiriön on katsottu johtuvan monista kliinisistä häiriöistä, kuten munuaisten toiminnan häiriöistä, näön heikkenemisestä, aivoturvotuksen alkamisesta ja nälkäkuolemasta . AQP1:n on äskettäin osoitettu osallistuvan angiogeneesiin, haavojen paranemiseen, elinten uudistumiseen ja karsinogeneesiin .
Tietämyksemme kasvien akvaporiinien molekyylitoiminnoista ja niiden spesifisyydestä vedelle ja pienille neutraaleille liuoksille on lisääntynyt huomattavasti viime vuosina . Kasvisoluissa sytoplasma on itse asiassa suljettu kahden kalvon väliin: plasmakalvon, joka muodostaa solun ulkorajan, ja tonoplastin, joka ympäröi vacuolaarista osastoa. Plasmakalvossa (PIP) tai tonoplastissa (TIP) sijaitsevat akvaporiinit vaikuttavat solunsisäiseen vesitasapainoon ja solunulkoiseen veden virtaukseen. NIP:ien, jotka alun perin löydettiin palkokasvien symbioottisten juurisolmukkeiden peribakteerikalvolta, oletetaan osallistuvan aineenvaihduntatuotteiden vaihtoon isännän ja symbiontin välillä; NIP:ien subcellulaarista lokalisaatiota ja fysiologista toimintaa muissa kuin palkokasveissa ei tunneta. SIP:t on hiljattain lokalisoitu endoplasmisen retikulumin kalvoille; niiden fysiologiset toiminnot ovat vielä selvittämättä .
Suuri osa tiedoistamme akvaporiinien fysiologisesta merkityksestä kasveissa on peräisin analyyseistä, jotka on tehty siirtogeenisistä kasveista, joissa on muunnettu erilaisten akvaporiinien ilmentymistä, tai analyyseistä, joissa on analysoitu akvaporiinimutaatioita. Ensimmäiset todisteet solujen vedenottoon ja koko kasvin vedenkuljetukseen liittyvästä tehtävästä saatiin kasveista, jotka ilmentävät PIP-proteiinien antisense-RNA:ta ja jotka kehittivät kontrolleja suuremman juuriston. Tupakassa plasmakalvon akvaporin NtAQP1:n osoitettiin olevan tärkeä hydrauliselle johtavuudelle ja vesistressin kestävyydelle juurissa . Tutkimukset kasveilla, joissa kahden eri akvaporiinin (PIP1 ja PIP2) ilmentyminen oli heikentynyt, osoittivat, että nämä proteiinit ovat tärkeitä vedenpuutteesta toipumisessa . Arabidopsiksen plasmakalvon akvaporiinin yliekspressio tupakassa johti kasvuvauhdin lisääntymiseen optimaalisessa kastelussa , mikä tulkittiin vedenottoon ja fotosynteesiin kohdistuvien vaikutusten summaksi. Sen lisäksi, että kasvien akvaporiinit toimivat vesihallinnassa, niillä on merkitystä myös lehtien liikkumisessa, joka on prosessi, johon liittyy suuri solujen vedenkuljetusnopeus .
Veden kuljetukseen ja osmoregulaatioon liittyvän roolinsa lisäksi jotkin akvaporiinit helpottavat kaasujen, kuten hiilidioksidin ja NH3:n, kulkua membraanien lävitse (katsaus artikkelissa ). AQP1:n edistämän CO2-kuljetuksen fysiologisesta merkityksestä käydään edelleen keskustelua. AQP1:n tyrmäävät hiiret eivät osoittaneet eroja CO2:n vaihtonopeuksissa keuhkoissa ja munuaisissa , mutta kasvit, joissa PIP1-akvaporiinin ilmentyminen oli heikentynyt, osoittivat useita eroja paitsi veden kuljetuksessa myös CO2-rajoitetuissa prosesseissa, kuten fotosynteesissä ja stomaattisessa konduktanssissa . Akvaporiinien toimintaa kasveissa estävillä aineilla tehdyt tutkimukset viittaavat siihen, että NIP:t osallistuvat NH3:n läpäisevyyteen ja kenties ravinteiden vaihtoon isäntäkasvin ja endosymbioottisten bakteerien välillä.
Mekanismi
Kun otetaan huomioon, että kaikki akvaporiinit ovat rakenteellisesti sukua toisilleen ja että niillä on hyvin samankaltaisia konsensusalueita erityisesti huokoset muodostavissa domeeneissa, voidaan olettaa, että kuljetusmekanismi on samanlainen. Silmukoiden B ja E (kuva 2) muodostaman hydrofobisen domeenin on ehdotettu osallistuvan substraattispesifisyyteen ja/tai koon rajoittamiseen. Akvaporinin monomeerin läpi kulkeva reitti on vuorattu konservoiduilla hydrofobisilla jäännöksillä, jotka mahdollistavat veden nopean kulkeutumisen vesimolekyylien vetysidonnaisen ketjun muodossa. Huokosessa on kaksi supistumiskohtaa: aromaattinen alue, joka koostuu konservoidusta arginiinijäännöksestä (Arg195), muodostaa huokosen kapeimman osan, ja erittäin konservoidut NPA-motiivit muodostavat toisen suodattimen, jossa yksittäiset vesimolekyylit ovat vuorovaikutuksessa kahden asparagiinisivuketjun kanssa . Vesimolekyylien ja NPA-motiivien suoran vuorovaikutuksen vuoksi dipolaarinen vesimolekyyli pyörii 180 astetta kulkiessaan huokosen läpi. Molemmat suodatinalueet muodostavat sähköstaattisia esteitä, jotka estävät protonien läpäisyn . Ihmisen AQP1:ssä hydrofobinen fenyylialaniinin sivuketju (Phe24) tunkeutuu huokosiin ja tehostaa yksittäisten läpäisevien vesimolekyylien vuorovaikutusta NPA-silmukoiden kanssa. Bakteerien glyserolifasilitaattorissa GlpF tämä jäännös on korvattu pienemmällä aminohappoleusiinilla (Leu21). Phe24 toimii kokoa poissulkevana suodattimena, joka estää suurempien molekyylien, kuten glyserolin, kulun AQP1:n läpi .
Akvaporiinien vedenläpäisevyys ja selektiivisyys vaihtelevat kuitenkin huomattavasti. Ihmisen akvaporiinien vedenläpäisevyyden on arvioitu olevan 0,25 × 10-14 cm3/sek AQP0:n ja 24 × 10-14 cm3/sek AQP4:n välillä. Myös kasvien plasmakalvon akvaporiinien akvaporiiniaktiivisuus vaihtelee . Maissin PIP1- ja PIP2-isoformien yhteisekspressio ja heteromerisaatio lisäsivät läpäisevyyttä enemmän kuin yksittäisten isoformien ekspressio . Heteromerisaatio näyttää olevan tärkeää paitsi heterologisissa ekspressiojärjestelmissä myös kasvissa, kuten osoitettiin analysoimalla PIP1- ja PIP2-antisense-arabidopsis-kasveja .
Mekanismia, jolla akvaglyseroporiineja edistää glyserolin kuljetusta, on tutkittu E. coli -glyserolifasilitaattorin GlpF osalta . Tämäkin proteiini sisältää konservoituneita NPA-motiiveja vastaavissa paikoissa kuin vesiselektiivisissä akvaporiineissa, mutta glyserolin suosiminen saavutetaan periplasmisen puolen aromaattisilla aminohapoilla. Trp48, Phe200 ja Arg206 muodostavat supistuksen, ja arginiinijäännös muodostaa vetysidoksia glyserolimolekyylin kahden hydroksyyliryhmän kanssa. Tämän seurauksena glyserolimolekyylin hiilirunko osoittaa kahden aromaattisen aminohapon (Phe200 ja Trp48) muodostamaan onteloon. Glyseroli erottuu muista lineaarisista polyoleista ja läpäisee huokosen yhtenä rivinä. GlpF:n huokos on täysin amfipaattinen, ja polaariset jäännökset ovat vastakkain hydrofobista seinämää vastaan.