Desde a descoberta do canal de água Escherichia coli AqpZ, o caminho dos fluxos rápidos de água através de membranas através das quais os microrganismos se adaptam a mudanças abruptas na osmolaridade começou a ser compreendido . Este canal é seletivamente permeável à água, tem um papel tanto na resposta osmoregulatória a curto como a longo prazo, e é exigido pelas células em rápido crescimento. Proteínas do tipo AqpZ parecem ser necessárias para a virulência de algumas bactérias patogênicas. As aquaporinas microbianas também estão provavelmente envolvidas na formação de esporos e/ou germinação.
A diversidade de aquaporinas em organismos multicelulares destaca os diversos requisitos para a osmoregulação e o movimento transmembrana da água em diferentes tecidos, órgãos e estágios de desenvolvimento. Nos mamíferos, as aquaporinas estão localizadas em epitélios que necessitam de uma alta taxa de fluxo de água, como o ducto colector do rim, os capilares do pulmão e as células secretoras das glândulas salivares. As aquaporinas dos mamíferos diferem na sua regulação transcripcional, regulação pós-transcripcional e distribuição subcelular.
Os membros da família das aquaporinas estão implicados em numerosos processos fisiológicos (revistos em ). No rim, por exemplo, a AQP1 é extremamente abundante tanto nas membranas apicais e basolaterais dos túbulos proximais renais como no endotélio capilar. Ela contribui para o mecanismo contracorrente de concentração da urina. Na glândula salivar, o AQP3 é encontrado nas membranas basolaterais, onde a água é retirada do interstício, e o AQP5 está na membrana apical, onde a água é liberada. Uma ampla gama de desordens clínicas tem sido atribuída à perda ou disfunção de aquaporinas, incluindo anormalidades da função renal, perda de visão, início de edema cerebral e inanição. O AQP1 demonstrou recentemente estar envolvido em angiogénese, cicatrização de feridas, regeneração de órgãos e carcinogénese .
O nosso conhecimento das funções moleculares das aquaporinas vegetais no que diz respeito à sua especificidade para água e pequenos solutos neutros aumentou substancialmente nos últimos anos . Nas células vegetais, o citoplasma está, de facto, encerrado entre duas membranas: a membrana plasmática, que forma o limite externo da célula, e o tonoplasma, que envolve o compartimento vacuolar. Aquaporinas localizadas na membrana plasmática (PIPs) ou tonoplastos (TIPs) contribuem para o equilíbrio intracelular da água e para o fluxo de água transcelular. Presume-se que as DNIs, que foram encontradas inicialmente na membrana peribacteróide dos nódulos radiculares simbióticos das leguminosas, estejam envolvidas na troca de metabolitos entre o hospedeiro e o simbionte; a localização subcelular e função fisiológica das DNIs em plantas não leguminosas não é conhecida. Os PNIs foram recentemente localizados para membranas reticuladas endoplasmáticas; suas funções fisiológicas permanecem por esclarecer .
Muita da nossa informação sobre a relevância fisiológica das aquaporinas nas plantas vem de análises de plantas transgênicas com expressão modificada de várias aquaporinas, ou de análises de mutantes de aquaporina. As primeiras evidências de uma função na captação de água celular e transporte de água de plantas inteiras vieram de plantas expressando RNA antisense para proteínas PIP, que desenvolveram um sistema radicular maior do que os controles . No tabaco, a aquaporina de membrana plasmática NtAQP1 demonstrou ser importante para a condutividade hidráulica e resistência ao stress hídrico nas raízes . Estudos sobre plantas com expressão prejudicada de duas aquaporinas diferentes (PIP1 e PIP2) indicaram que estas proteínas são importantes na recuperação da deficiência hídrica . A superexpressão de uma aquaporina de membrana plasmática Arabidopsis no tabaco resultou em maiores taxas de crescimento sob irrigação otimizada , o que foi interpretado como a soma dos efeitos sobre a captação e fotossíntese da água. Além de sua função no manejo da água, as aquaporinas vegetais têm um papel durante a movimentação das folhas, um processo que envolve altas taxas de transporte de água celular .
Além de seu papel no transporte e osmoregulação da água, algumas aquaporinas facilitam a passagem de gases como CO2 e NH3 através das membranas (revisado em ). O significado fisiológico do transporte de AQP1-facilitado de CO2 ainda é motivo de debate. Os ratos knockout AQP1 não mostraram diferenças nas taxas de troca de CO2 nos pulmões e rins, mas as plantas com expressão prejudicada de uma aquaporina PIP1 mostraram várias diferenças, não só no transporte de água, mas também em processos limitados ao CO2, como a fotossíntese e a condutância estomatológica. Estudos com inibidores da função da aquaporina em plantas sugerem que os PIPs estão envolvidos na permeabilidade do NH3 e talvez na troca de nutrientes entre a planta hospedeira e as bactérias endosimbióticas.
Mecanismo
Dado que todos os aquaporins estão estruturalmente relacionados e têm regiões de consenso muito semelhantes, particularmente nos domínios de formação de poros, um mecanismo de transporte semelhante pode ser assumido. O domínio hidrofóbico criado pelos loops B e E (Figura 2) tem sido sugerido para ser envolvido na especificidade do substrato e/ou restrição de tamanho. O caminho através do monômero de aquaporina é revestido com resíduos hidrofóbicos conservados que permitem o transporte rápido de água na forma de uma cadeia de moléculas de água de um único filete de hidrogênio. O poro contém dois locais de constrição: uma região aromática que compreende um resíduo arginino conservado (Arg195) forma a parte mais estreita do poro, e os motivos de NPA altamente conservados formam um segundo filtro, onde moléculas únicas de água interagem com as duas cadeias laterais da asparagina. Devido a uma interação direta entre as moléculas de água e os motivos de NPA, a molécula dipolar da água gira 180 graus durante a passagem através do poro. Ambas as regiões filtrantes formam barreiras eletrostáticas, que impedem a permeação dos prótons . Na AQP1 humana, uma cadeia lateral de fenilalanina hidrofóbica (Phe24) penetra no poro e melhora a interação de moléculas de água de permeação única com os loops de NPA. No facilitador bacteriano de glicerol GlpF, este resíduo é substituído pelo menor aminoácido leucina (Leu21). Phe24 atua como um filtro de exclusão de tamanho, impedindo a passagem de moléculas maiores como o glicerol através do AQP1 .
A permeabilidade da água e seletividade das aquaporinas varia consideravelmente, no entanto. A permeabilidade da água para aquaporinas humanas tem sido estimada entre 0,25 × 10-14 cm3/seg para AQP0 e 24 × 10-14 cm3/seg para AQP4 . As aquaporinas de membrana plasmática vegetal também têm diferentes níveis de actividade de aquaporina . A coexpressão e heteromerização das isoformas PIP1 e PIP2 do milho induziram um aumento da permeabilidade acima da obtida para expressão de isoformas únicas . A heteromerização parece ser importante não só nos sistemas de expressão heterólogos, mas também na planta, como foi demonstrado pela análise das plantas PIP1 e PIP2 antisense Arabidopsis .
O mecanismo pelo qual as aquagliceroporinas promovem o transporte de glicerol foi investigado para o facilitador de E. coli glicerol GlpF . Esta proteína também contém os motivos conservados da NPA em posições comparáveis às das aquaporinas selectivas da água, mas a preferência pela glicerina é conseguida pelos aminoácidos aromáticos no lado periplásmico. Trp48, Phe200 e Arg206 formam uma constrição, e o resíduo arginina forma ligações de hidrogênio com dois grupos hidroxil da molécula de glicerol. Como resultado, a espinha dorsal de carbono da molécula de glicerol fica virada para dentro da cavidade montada pelos dois aminoácidos aromáticos (Phe200 e Trp48). O glicerol é separado de outros polióis lineares e passa o poro em uma única lima. O poro GlpF é completamente amphipático, com resíduos polares opostos a uma parede hidrofóbica.