Sinds de ontdekking van het Escherichia coli waterkanaal AqpZ, begint men de route van snelle waterfluxen door membranen te begrijpen waarmee micro-organismen zich aanpassen aan abrupte veranderingen in de osmolariteit. Dit kanaal is selectief doorlaatbaar voor water, speelt een rol in zowel de korte- als de langetermijn osmoregulatoire respons, en is vereist voor snel groeiende cellen. AqpZ-achtige eiwitten lijken noodzakelijk te zijn voor de virulentie van sommige pathogene bacteriën. Microbiële aquaporines zijn waarschijnlijk ook betrokken bij sporenvorming en/of kieming.
De diversiteit van aquaporines in meercellige organismen benadrukt de uiteenlopende vereisten voor osmoregulatie en transmembrane waterbeweging in verschillende weefsels, organen en ontwikkelingsstadia. Bij zoogdieren zijn aquaporines gelokaliseerd in epithelia die een hoge waterstroom nodig hebben, zoals de verzamelbuis van de nier, de haarvaten van de long en de secretiecellen van de speekselklieren. Zoogdier aquaporines verschillen in hun transcriptionele regulatie, post-transcriptionele regulatie en subcellulaire distributie.
Leden van de aquaporine familie zijn betrokken bij talrijke fysiologische processen (besproken in ). In de nier, bijvoorbeeld, is AQP1 zeer overvloedig aanwezig in zowel de apicale als de basolaterale membranen van de proximale tubuli van de nier en in het capillaire endothelium. Het draagt bij tot het tegenstroommechanisme voor de concentratie van urine. In de speekselklier wordt AQP3 aangetroffen in de basolaterale membranen, waar water wordt opgenomen uit het interstitium, en AQP5 in het apicale membraan, waar water wordt afgegeven. Een breed scala van klinische aandoeningen is toegeschreven aan het verlies of disfunctioneren van aquaporines, waaronder afwijkingen in de nierfunctie, verlies van gezichtsvermogen, het ontstaan van hersenoedeem en hongersnood . Onlangs is aangetoond dat AQP1 betrokken is bij angiogenese, wondgenezing, orgaanregeneratie en carcinogenese.
Onze kennis van de moleculaire functies van plantenaquaporines met betrekking tot hun specificiteit voor water en kleine neutrale oplosmiddelen is de laatste jaren aanzienlijk toegenomen. In plantencellen is het cytoplasma in feite ingesloten tussen twee membranen: het plasmamembraan, dat de buitenste begrenzing van de cel vormt, en de tonoplast, die het vacuolaire compartiment omgeeft. Aquaporines die zich in het plasmamembraan (PIP’s) of de tonoplasten (TIP’s) bevinden, dragen bij tot de intracellulaire waterbalans en de transcellulaire waterstroom. Van NIP’s, die aanvankelijk werden aangetroffen in het peribacteroïde membraan van symbiotische wortelknollen van peulvruchten, wordt verondersteld dat zij betrokken zijn bij de uitwisseling van metabolieten tussen de gastheer en de symbiont; de subcellulaire lokalisatie en fysiologische functie van NIP’s in niet-legumineuze planten is niet bekend. SIPs zijn onlangs gelokaliseerd in endoplasmatisch reticulum membranen; hun fysiologische functies moeten nog worden opgehelderd.
Veel van onze informatie over de fysiologische relevantie van aquaporines in planten is afkomstig van analyses van transgene planten met gewijzigde expressie van verschillende aquaporines, of van analyse van aquaporine mutanten. Het eerste bewijs voor een functie bij de cellulaire wateropname en het watertransport in de gehele plant kwam van planten die antisense RNA voor PIP-eiwitten tot expressie brachten en die een groter wortelstelsel ontwikkelden dan de controlegroepen. Bij tabak werd aangetoond dat het plasmamembraan aquaporine NtAQP1 belangrijk is voor de hydraulische geleiding en de weerstand tegen waterstress in wortels. Studies op planten met verminderde expressie van twee verschillende aquaporines (PIP1 en PIP2) toonden aan dat deze eiwitten belangrijk zijn in het herstel van watertekort . Overexpressie van een Arabidopsis plasmamembraan aquaporine in tabak resulteerde in verhoogde groeisnelheden onder optimale irrigatie, wat werd geïnterpreteerd als de som van effecten op wateropname en fotosynthese. Naast hun functie in de waterhuishouding spelen aquaporines een rol in de bladbeweging, een proces dat een hoge snelheid van cellulair watertransport met zich meebrengt.
Naast hun rol in watertransport en osmoregulatie vergemakkelijken sommige aquaporines de passage van gassen zoals CO2 en NH3 over membranen (besproken in ). De fysiologische betekenis van AQP1-gefaciliteerd CO2 transport is nog steeds een punt van discussie. AQP1 knockout muizen vertoonden geen verschillen in CO2 uitwisseling in longen en nieren, maar planten met verminderde expressie van een PIP1 aquaporine vertoonden verschillende verschillen, niet alleen in watertransport maar ook in CO2-gelimiteerde processen zoals fotosynthese en stomatale geleiding. Studies met remmers van de aquaporine functie in planten suggereren dat NIPs betrokken zijn bij de NH3 permeabiliteit en wellicht bij de uitwisseling van nutriënten tussen de gastheerplant en endosymbiotische bacteriën.
Mechanisme
Gezien het feit dat alle aquaporines structureel verwant zijn en sterk vergelijkbare consensusregio’s hebben, met name in de porievormende domeinen, kan een vergelijkbaar transportmechanisme worden verondersteld. Er is gesuggereerd dat het hydrofobe domein dat door de lussen B en E (figuur 2) wordt gevormd, betrokken is bij substraatspecificiteit en/of groottebeperking. De baan door het aquaporine monomeer is bekleed met geconserveerde hydrofobe residuen die snel transport van water mogelijk maken in de vorm van een waterstofgebonden keten van watermoleculen in één baan. De porie bevat twee vernauwingsplaatsen: een aromatische regio met een geconserveerd arginineresidu (Arg195) vormt het smalste deel van de porie, en de sterk geconserveerde NPA-motieven vormen een tweede filter, waar afzonderlijke watermoleculen interageren met de twee asparagine zijketens . Door een directe interactie tussen watermoleculen en de NPA motieven, draait het dipolaire watermolecuul 180 graden tijdens de passage door de porie. Beide filtergebieden bouwen elektrostatische barrières op, die de permeatie van protonen verhinderen . In het menselijke AQP1 dringt een hydrofobe fenylalanine zijketen (Phe24) de porie binnen en versterkt de interactie van enkelvoudige permeërende watermoleculen met de NPA lussen. In de bacteriële glycerol-facilitator GlpF is dit residu vervangen door het kleinere aminozuur leucine (Leu21). Phe24 fungeert als een size-exclusion filter, dat de passage van grotere moleculen zoals glycerol door AQP1 voorkomt.
De water permeabiliteit en selectiviteit van aquaporines varieert echter aanzienlijk. De waterdoorlatendheid voor menselijke aquaporines is geschat op 0,25 × 10-14 cm3/sec voor AQP0 en 24 × 10-14 cm3/sec voor AQP4 . De plasmamembraan aquaporines van planten hebben ook verschillende niveaus van aquaporine activiteit. Co-expressie en heteromerisatie van PIP1 en PIP2 isovormen van maïs induceerde een toename in permeabiliteit boven die verkregen bij expressie van enkelvoudige isovormen . Heteromerisatie lijkt niet alleen belangrijk te zijn in heterologe expressiesystemen, maar ook in de plant, zoals werd aangetoond door analyse van PIP1 en PIP2 antisense Arabidopsis planten.
Het mechanisme waarmee aquaglyceroporines glycerol transport bevorderen is onderzocht voor de E. coli glycerol facilitator GlpF . Dit eiwit bevat ook de geconserveerde NPA motieven op vergelijkbare posities als die in de water-selectieve aquaporines, maar de voorkeur voor glycerol wordt bewerkstelligd door aromatische aminozuren aan de periplasmatische zijde. Trp48, Phe200 en Arg206 vormen een vernauwing, en het arginineresidu vormt waterstofbruggen met twee hydroxylgroepen van het glycerolmolecuul. Als gevolg hiervan is de koolstofruggengraat van het glycerolmolecuul gericht naar de holte die wordt gevormd door de twee aromatische aminozuren (Phe200 en Trp48). Glycerol wordt gescheiden van andere lineaire polyolen en passeert de porie in één enkele file. De GlpF porie is volledig amfipathisch, met polaire residuen tegenover een hydrofobe wand.