Sedan upptäckten av Escherichia coli:s vattenkanal AqpZ har man börjat förstå hur mikroorganismer anpassar sig till plötsliga förändringar i osmolariteten genom snabba vattenflöden genom membranen. Denna kanal är selektivt permeabel för vatten, har en roll i både den kortsiktiga och långsiktiga osmoregulatoriska reaktionen och krävs av snabbt växande celler. AqpZ-liknande proteiner verkar vara nödvändiga för virulensen hos vissa patogena bakterier. Mikrobiella akvaporiner är sannolikt också involverade i sporbildning och/eller groddning.
Mångfalden av akvaporiner i flercelliga organismer belyser de olika kraven på osmoreglering och transmembranvattenrörelse i olika vävnader, organ och utvecklingsstadier. Hos däggdjur är akvaporiner lokaliserade i epitelceller som behöver ett högt vattenflöde, t.ex. njurens samlingsrör, lungans kapillärer och spottkörtlarnas sekretoriska celler. Aquaporiner från däggdjur skiljer sig åt när det gäller transkriptionell reglering, posttranskriptionell reglering och subcellulär fördelning.
Medlemmar av aquaporinfamiljen är inblandade i många fysiologiska processer (granskad i ). I njuren är till exempel AQP1 extremt rikligt förekommande i både de apikala och basolaterala membranen i de proximala tubulerna i njuren och i kapillärendotelet. Den bidrar till motströmsmekanismen för urinkoncentration. I spottkörteln finns AQP3 i de basolaterala membranen, där vatten tas upp från interstitium, och AQP5 i det apikala membranet, där vatten frigörs. Ett brett spektrum av kliniska störningar har tillskrivits förlust eller dysfunktion av akvaporiner, bland annat abnormiteter i njurfunktionen, synförlust, uppkomst av hjärnödem och svält . AQP1 har nyligen visat sig vara involverad i angiogenes, sårläkning, organregeneration och karcinogenes .
Vår kunskap om de molekylära funktionerna hos växternas akvaporiner med avseende på deras specificitet för vatten och små neutrala lösningsmedel har ökat avsevärt under de senaste åren . I växtceller är cytoplasman i själva verket innesluten mellan två membran: plasmamembranet, som utgör cellens yttre gräns, och tonoplasten, som omger den vakuolära avdelningen. Aquaporiner som finns i plasmamembranet (PIP) eller tonoplasten (TIP) bidrar till den intracellulära vattenbalansen och det transcellulära vattenflödet. NIP:er, som ursprungligen hittades i peribakteroidmembranet i baljväxternas symbiotiska rotknölar, antas vara inblandade i utbytet av metaboliter mellan värd och symbiot. Den subcellulära lokaliseringen och den fysiologiska funktionen av NIP:er i icke-leguminösa växter är inte känd. SIPs har nyligen lokaliserats till endoplasmatiska retikulummembran; deras fysiologiska funktioner återstår att klarlägga .
En stor del av vår information om den fysiologiska betydelsen av akvaporiner i växter kommer från analyser av transgena växter med modifierat uttryck av olika akvaporiner, eller från analyser av akvaporinmutanter. De första bevisen för en funktion i cellulärt vattenupptag och vattentransport i hela plantan kom från plantor som uttryckte antisense RNA för PIP-proteiner, vilka utvecklade ett större rotsystem än kontrollerna . I tobak visade sig plasmamembranets akvaporin NtAQP1 vara viktig för den hydrauliska konduktiviteten och motståndskraften mot vattenstress i rötterna . Studier på plantor med nedsatt uttryck av två olika akvaporiner (PIP1 och PIP2) visade att dessa proteiner är viktiga för återhämtning från vattenbrist . Övexpression av en akvaporin i Arabidopsis plasmamembran i tobak resulterade i ökad tillväxt vid optimal bevattning , vilket tolkades som en summa av effekter på vattenupptag och fotosyntes. Förutom sin funktion i vattenhanteringen har växters akvaporiner en roll under bladrörelse, en process som inbegriper höga hastigheter av cellulär vattentransport .
Förutom sin roll i vattentransport och osmoreglering underlättar vissa akvaporiner passagen av gaser som CO2 och NH3 genom membranen (granskad i ). Den fysiologiska betydelsen av AQP1-faciliterad CO2-transport är fortfarande föremål för diskussion. Möss med knockout av AQP1 uppvisade inga skillnader i CO2-utbytet i lungor och njurar , men växter med nedsatt uttryck av en PIP1-akvataporin uppvisade flera skillnader, inte bara i vattentransporten utan även i CO2-begränsade processer som fotosyntes och klyvornas konduktivitet . Studier med hämmare av akvaporinfunktion i växter tyder på att NIPs är involverade i NH3-permeabilitet och kanske i näringsutbyte mellan värdväxten och endosymbiotiska bakterier.
Mekanism
Med tanke på att alla akvaporiner är strukturellt besläktade och har mycket likartade konsensusregioner, särskilt i de porbildande domänerna, kan man utgå från en liknande transportmekanism. Den hydrofoba domän som skapas av slingorna B och E (figur 2) har föreslagits vara involverad i substratspecificitet och/eller storleksbegränsning. Vägen genom akvaporinmonomern är kantad av bevarade hydrofoba rester som möjliggör snabb transport av vatten i form av en enkelfilig vätebunden kedja av vattenmolekyler . Poran innehåller två förträngningsställen: en aromatisk region med en bevarad argininrest (Arg195) bildar den smalaste delen av poran, och de mycket bevarade NPA-motiven bildar ett andra filter, där enstaka vattenmolekyler interagerar med de två asparaginsidekedjorna . På grund av en direkt interaktion mellan vattenmolekyler och NPA-motiven roterar den dipolära vattenmolekylen 180 grader under passagen genom porerna. Båda filterområdena bygger upp elektrostatiska barriärer som hindrar protoner från att tränga in i porerna . I AQP1 från människa är det en hydrofob fenylalanin-sidokedja (Phe24) som tränger in i porerna och förstärker interaktionen mellan enstaka permeerande vattenmolekyler och NPA-slingorna. I den bakteriella glycerolfacilitatorn GlpF ersätts denna rest av den mindre aminosyran leucin (Leu21). Phe24 fungerar som ett storleksexklusionsfilter och förhindrar passage av större molekyler som glycerol genom AQP1 .
Vattenpermeabiliteten och selektiviteten hos akvaporiner varierar dock avsevärt. Vattenpermeabiliteten för mänskliga aquaporiner har uppskattats till mellan 0,25 × 10-14 cm3/sek för AQP0 och 24 × 10-14 cm3/sek för AQP4 . Växters plasmamembranakvataporiner har också olika nivåer av akvaporinaktivitet . Samuttryck och heteromerisering av isoformerna PIP1 och PIP2 från majs medförde en ökning av permeabiliteten som var större än den som erhölls vid uttryck av enskilda isoformer . Heteromerisering verkar vara viktig inte bara i heterologa uttryckssystem utan även i växten, vilket visades genom analys av PIP1- och PIP2-antisense Arabidopsis-plantor .
Mekanismen genom vilken akvaglyceroporiner främjar glyceroltransporten har undersökts för E. coli-glycerolfacilitatorn GlpF . Detta protein innehåller också de konserverade NPA-motiven i jämförbara positioner som i de vattenselektiva aquaporinerna, men preferensen för glycerol uppnås genom aromatiska aminosyror på den periplasmatiska sidan. Trp48, Phe200 och Arg206 bildar en förträngning, och argininresterna bildar vätebindningar med två hydroxylgrupper i glycerolmolekylen. Detta leder till att glycerolmolekylens kolryggrad är vänd in i det hålrum som bildats av de två aromatiska aminosyrorna (Phe200 och Trp48). Glycerol separeras från andra linjära polyoler och passerar porerna i en enda fil. GlpF-porten är helt amfipatisk, med polära rester mittemot en hydrofob vägg.