Az Escherichia coli AqpZ vízcsatornájának felfedezése óta kezdtük megérteni a gyors vízáramlás útját a membránokon keresztül, amellyel a mikroorganizmusok alkalmazkodnak az ozmolaritás hirtelen változásaihoz . Ez a csatorna szelektíven áteresztőképes a vízre, szerepet játszik mind a rövid, mind a hosszú távú ozmoregulációs válaszban, és a gyorsan növekvő sejteknek szükségük van rá. Úgy tűnik, hogy az AqpZ-szerű fehérjék szükségesek egyes patogén baktériumok virulenciájához. A mikrobiális aquaporinok valószínűleg a spóraképződésben és/vagy a csírázásban is részt vesznek.
Az aquaporinok sokfélesége a többsejtű szervezetekben rávilágít az ozmoreguláció és a transzmembrán vízmozgás különböző szövetekben, szervekben és fejlődési stádiumokban fennálló változatos követelményeire. Emlősökben az aquaporinok a nagy vízáramlási sebességet igénylő hámsejtekben lokalizálódnak, mint például a vese gyűjtőcsatornájában, a tüdő kapillárisaiban és a nyálmirigyek szekréciós sejtjeiben. Az emlősök aquaporinjai transzkripciós szabályozásukban, poszt-transzkripciós szabályozásukban és szubcelluláris eloszlásukban különböznek.
Az aquaporin család tagjai számos élettani folyamatban játszanak szerepet (áttekintve: ). A vesében például az AQP1 rendkívül nagy mennyiségben fordul elő mind a vese proximális tubulusainak apikális, mind a basolaterális membránjaiban és a kapilláris endotéliumban. Hozzájárul a vizeletkoncentráció ellenáramlási mechanizmusához. A nyálmirigyben az AQP3 a bazolaterális membránokban található, ahol a vizet felveszik az interstitiumból, az AQP5 pedig az apikális membránban, ahol a víz felszabadul. Az aquaporinok elvesztésének vagy diszfunkciójának számos klinikai rendellenességet tulajdonítottak, beleértve a veseműködés rendellenességeit, a látás elvesztését, az agyödéma kialakulását és az éhezést . Az AQP1-ről nemrégiben kimutatták, hogy részt vesz az angiogenezisben, a sebgyógyulásban, a szervregenerációban és a karcinogenezisben .
A növényi aquaporinok molekuláris funkcióiról a víz és a kis semleges oldott anyagok iránti specifitásuk tekintetében az utóbbi években jelentősen bővültek ismereteink . A növényi sejtekben a citoplazma valójában két membrán közé van zárva: a plazmamembrán, amely a sejt külső határát képezi, és a tonoplaszt, amely a vakuoláris kompartmentumot veszi körül. A plazmamembránban (PIP) vagy a tonoplasztban (TIP) található aquaporinok hozzájárulnak az intracelluláris vízháztartáshoz és a transzcelluláris vízáramláshoz. A NIP-ek, amelyeket eredetileg a hüvelyesek szimbionta gyökérgumóinak peribakteroid membránjában találtak, feltehetően részt vesznek a metabolitok cseréjében a gazdaszervezet és a szimbionta között; a NIP-ek szubcelluláris lokalizációja és fiziológiai funkciója a nem hüvelyes növényekben nem ismert. A SIP-eket nemrégiben lokalizálták az endoplazmatikus retikulum membránjaiban; fiziológiai funkciójuk még tisztázásra vár .
Az aquaporinok fiziológiai jelentőségéről a növényekben szerzett információink nagy része a különböző aquaporinok módosított expressziójával rendelkező transzgenikus növények elemzéséből, vagy aquaporin mutánsok elemzéséből származik. Az első bizonyíték a sejtek vízfelvételében és az egész növény vízszállításában betöltött funkcióra a PIP-fehérjék antisense RNS-ét expresszáló növényekből származik, amelyek nagyobb gyökérrendszert fejlesztettek ki, mint a kontrollok . Dohányban az NtAQP1 plazmamembrános aquaporinról kimutatták, hogy fontos szerepet játszik a gyökerek hidraulikus vezetőképességében és a vízstresszel szembeni ellenállásban . A két különböző aquaporin (PIP1 és PIP2) károsodott expressziójával rendelkező növényeken végzett vizsgálatok azt mutatták, hogy ezek a fehérjék fontosak a vízhiányból való felépülésben . Egy Arabidopsis plazmamembrán aquaporin túlterjedése dohányban optimális öntözés mellett megnövekedett növekedési sebességet eredményezett, amit a vízfelvételre és a fotoszintézisre gyakorolt hatások összegeként értelmeztek. A vízgazdálkodásban betöltött szerepük mellett a növényi aquaporinok a levélmozgás során is szerepet játszanak, amely folyamat nagy sebességű celluláris vízszállítással jár .
A vízszállításban és az ozmoregulációban betöltött szerepük mellett egyes aquaporinok megkönnyítik a gázok, például a CO2 és az NH3 membránokon keresztüli átjutását (áttekintve: ). Az AQP1 által elősegített CO2-transzport fiziológiai jelentősége még mindig vita tárgya. Az AQP1 kiütött egerek nem mutattak különbséget a CO2-csere sebességében a tüdőben és a vesében , de a PIP1 aquaporin károsodott expressziójával rendelkező növények számos különbséget mutattak, nemcsak a vízszállításban, hanem az olyan CO2-korlátozott folyamatokban is, mint a fotoszintézis és a sztómális konduktancia. A növényekben az aquaporinok működésének gátlóival végzett vizsgálatok arra utalnak, hogy a NIP-ek részt vesznek az NH3 áteresztőképességben és talán a gazdanövény és az endoszimbionta baktériumok közötti tápanyagcserében.
Mechanizmus
Mivel minden aquaporin szerkezetileg rokon és nagyon hasonló konszenzus régiókkal rendelkezik, különösen a pórusképző doménekben, feltételezhető egy hasonló transzportmechanizmus. A B és E hurkok által létrehozott hidrofób domén (2. ábra) feltételezhetően részt vesz a szubsztrátspecifikusságban és/vagy a méretkorlátozásban. Az aquaporin monomeren átvezető utat konzervált hidrofób maradékok szegélyezik, amelyek lehetővé teszik a víz gyors szállítását vízmolekulák egysoros hidrogénkötésű láncának formájában. A pórus két szűkületet tartalmaz: egy konzervált arginin-maradékot (Arg195) tartalmazó aromás régió alkotja a pórus legszűkebb részét , és az erősen konzervált NPA-motívumok alkotják a második szűrőt, ahol az egyes vízmolekulák kölcsönhatásba lépnek a két aszparagin oldallánccal . A vízmolekulák és az NPA-motívumok közötti közvetlen kölcsönhatás miatt a dipoláris vízmolekula 180 fokot forog a póruson való áthaladás során. Mindkét szűrőrégió elektrosztatikus gátakat épít fel, amelyek megakadályozzák a protonok permeációját . A humán AQP1-ben egy hidrofób fenilalanin oldallánc (Phe24) behatol a pórusba, és fokozza az egyes permeáló vízmolekulák és az NPA hurkok kölcsönhatását. A GlpF bakteriális glicerin facilitátorban ezt a maradékot a kisebb aminosavú leucin (Leu21) helyettesíti. A Phe24 méretkizáró szűrőként működik, megakadályozva a nagyobb molekulák, például a glicerin átjutását az AQP1-en .
Az aquaporinok vízáteresztő képessége és szelektivitása azonban jelentősen változik. Az emberi aquaporinok vízáteresztő képességét az AQP0 esetében 0,25 × 10-14 cm3/sec, az AQP4 esetében pedig 24 × 10-14 cm3/sec közötti értékre becsülték. A növényi plazmamembrán-akvaporinok aquaporin-aktivitása is eltérő mértékű . A kukoricából származó PIP1 és PIP2 izoformák koexpressziója és heteromerizációja a permeabilitás növekedését idézte elő az egyes izoformák expressziója esetén kapott értéknél nagyobb mértékben. Úgy tűnik, hogy a heteromerizáció nem csak heterológ expressziós rendszerekben, hanem a növényben is fontos, amint azt a PIP1 és PIP2 antisense Arabidopsis növények elemzése kimutatta .
A mechanizmus, amellyel az aquagliceroporinok elősegítik a glicerin transzportot, az E. coli glicerin facilitátor GlpF esetében is vizsgálták . Ez a fehérje is tartalmazza a konzervált NPA-motívumokat a vízszelektív aquaporinokhoz hasonló pozíciókban, de a glicerin preferenciáját a periplazmatikus oldalon lévő aromás aminosavakkal érik el. A Trp48, a Phe200 és az Arg206 szűkületet alkot, az arginin-maradék pedig hidrogénkötést képez a glicerinmolekula két hidroxilcsoportjával. Ennek eredményeként a glicerinmolekula széngerince a két aromás aminosav (Phe200 és Trp48) által összeállított üregbe néz. A glicerin elválik a többi lineáris polioltól, és egyetlen sorban halad át a póruson. A GlpF pórus teljesen amfipatikus, a poláros maradékok szemben állnak a hidrofób fallal.