Akvaporín
Akvaporíny, nazývané aj vodné kanály, sú proteíny tvoriace kanály v plazmatickej membráne, ktoré umožňujú transport vody z alebo do bunky. Samotná plazmatická membrána je pre vodu priepustná iba minimálne. Akvaporíny sú veľmi špecifické a neprepustia ióny ani iné malé molekuly.
Bunky sú tvorené prevažne vodou, ktorá tvorí až približne 70 % ich hmotnosti, preto je pohyb vody cez bunkové membrány nutný pre život.[1] presun vody nereguluje len aktivitu jednotlivých buniek, ale je zodpovedný aj za fungovanie mnohých orgánových systémov a udržovanie rovnováhy príjmu a výdaja vody v celom organizme. Dlho sa predpokladalo, že prechod vody cez hydrofóbne bunkové membrány je nejakým spôsobom uľahčený pórmi alebo kanálmi, ale hľadanie týchto kanálov bolo dlho neúspešné. Vodné kanály boli objavené náhodne až v roku 1992 Petrom Agreom a jeho kolegami na Johns Hopkins University v Baltimore, ktorí pracovali na proteínoch ukotvených v cytoplazmatickej membráne červených krviniek.[2] Prvý objevený vodný kanál bol nazvaný CHIP28 a dnes je známy ako akvaporín 1. Peter Agre získal za svoj objav Nobelovu cenu za chémiu v roku 2003.[2] V súčasnosti je známych 13 akvaporínov u cicavcov, ktoré sa nachádzajú vo väčšine tkanív, ale oveľa viac ich bolo nájdených v nižších organizmoch a v ríši rastlín. Akvaporíny sa zúčastňujú procesov ako je:
- zakoncentrovanie moču
- homeostáza telesných tekutín
- funkcie mozgu
- sekrécia žľazami s vonkajším vylučovaním
- hydratácia pokožky
- mužská plodnosť
- sluch a zrak
Poruchy funkcie akvaporínov sa dávajú do súvislosti s niektorými ochoreniami a patologickými stavmi.[2]
Selektivita akvaporínov
[upraviť | upraviť zdroj]Akvaporíny zamedzujú narušeniu iónových gradientov, ktoré sú na bunkových membránach, i.e. umožňujú rýchly prechod vody zatiaľčo úplne blokujú prechod iónov. Táto selektivita sa dosahuje pomocou úzkych pórov, ktoré umožňujú prechod vody cez membránu, ale tento pór je príliš úzky pre hydratované ióny (Na+ katión sa vo vode nachádza ako [Na(H2O)6]+). Steny póru sú tvorené:
- karbonylovými skupinami (C=O skupiny peptidových väzieb medzi aminokyselinami), ktoré vytvárajú hydrofilnú stenu póru, a preto môžu interagovať s prechádzajúcimi molekulami vody
- alkylovými reťazcami hydrofóbnych aminokyselín (BCAA: valín, leucín, izoleucín), ktoré vytvárajú hydrofóbnu stenu póru a zamedzujú tak vytváraniu väzieb s dehydrovanými iónmi, čím sa energeticky znemožňuje transport iónov cez akvaporíny.[1]
Energia, ktorá by bola potrebná na dehyratáciu iónu, i.e. zbavenie iónu jeho koordinovaných molukúl vody:
[Na(H2O)6]+ → Na+ + 6 H2O
je obrovská, pretože hydrofóbna stena póru nedokáže interagovať s dehydrovaným iónom tak, aby kompenzovala energiu stratenú pre dehydratácii. Tento dizajn akvaporínov vysvetľuje, prečo akvaporíny nedokážu preniesť draselné, sodné, vápenaté a chloridové ióny.[1]
Impermeabilita akvaporínov pre hydroxóniové katióny H3O+
[upraviť | upraviť zdroj]Akvaporíny sú tiež nepriepustné pre hydroxóniové katióny (H3O+) a hydroxidové anióny (OH-). Hydroxóniové ióny majú extrémne vysokú elektrickú vodivosť, ktorá sa vysvetľuje mechanizmom „podávania“ protónov (H+) medzi molekulami vody, ktorý je založený na premene vodíkových väzieb na kovalentné väzby a premene kovalentných väzieb na vodíkové väzby medzi susednými molekulami vody. To znamená, že v roztoku sa hydroxóniové ióny (H3O+) nepresúvajú, presúva sa len protón (H+). Akvaporíny obsahujú dva strategicky umiestnené asparagíny, ktoré vytvárajú dve vodíkové väzby s jednou molekulou vody (ďalej ako „centrálna molekula vody“). Asparagíny sa viažu na kyslík centrálnej molekuly vody pomocou vodíkov naviazaných na dusík bočného reťazca asparagínu. Vodíky centrálnej molekuly vody vytvárajú dve vodíkové väzby s okolitými molekulami vody v póre akvaporínu. Pomocou „centrálnej“ molekuly vody (viazanej na asparagíny) sa indukuje bipolarita vo „fronte“ molekúl vody v akvaporíne. Centrálna molekula vody zamedzí mechanizmu podávania protónov medzi molekulami vody, i.e. zamedzí putovaniu H3O+ cez pór akvaporínu, pretože oba neväzbové elektrónové páry kyslíka centrálnej molekuly vody sú neprístupné pre naviazanie protónu zo susednej molekuly vody (oba neväzbové elektrónové páry centrálnej molekuly vody sú neprístupné, pretože vytvárajú vodíkové väzby s asparagínmi).[1]
Dôsledkom impermerability akvaporínov pre hydroxóniové katióny (H3O+) je fakt, že akvaporíny môžu byť umiestnené v membránach, na ktorých bol ustanovený protónový gradient, t.j. membrány, ktoré obsahujú akvaporíny môžu mať rôznu koncentráciu hydroxóniových katiónov (H3O+) na oboch stranách, t.j. rôzne pH.[1]
Glyceroporíny
[upraviť | upraviť zdroj]Glyceroporíny (nazývajú sa aj akvaglyceroporíny) prenášajú cez bunkové membrány glycerol a vodu.[3]Štruktúra glyceroporínov pozostáva z trojcestného kanála, ktorý má hydrofóbny povrch, oproti ktorému je línia 8 akceptorov vodíkovej väzby (8 karbonylových skupín) a 4 donory vodíkovej väzby. Centrálna molkula vody v kanáli je orientovaná a polarizuje ostatné molekuly vody v kanáli mimo centra. Podobne ako akvaporíny, ani glyceroporíny nie sú priepustné pre hydroxóniové katióny.[3]
GlpF (glycerol facilitator) je vysokoselektívny transmembránový kanál, ktorý uľahčuje prenos glycerolu, vody a malých nenabitých organických molekúl. Po prenose glycerolu do cytozolu, je glycerol rýchlo rýchlo fosforylovaný glycerolkinázou, čím vznikne glycerol-3-fosfát. GlpF prenáša aj močovinu, glycín, DL-glyceraldehyd. Jeho vlastnosťou je aj stereoselektivita a enantioselektivita pri prenášaní polyolov (alditolov).[4]
Referencie
[upraviť | upraviť zdroj]- ↑ a b c d e ALBERTS, Bruce. Molecular biology of the cell. New York, NY : [s.n.], 2015. (Sixth edition.) Dostupné online. ISBN 978-0-8153-4432-2.
- ↑ a b c BROWN, Dennis. The Discovery of Water Channels (Aquaporins). Annals of Nutrition and Metabolism, 2017, roč. 70, čís. Suppl. 1, s. 37–42. PMID: 28614812. Dostupné online [cit. 2021-03-10]. ISSN 0250-6807. DOI: 10.1159/000463061. (english)
- ↑ a b STROUD, Robert M; MIERCKE, Larry JW; O’CONNELL, Joseph. Glycerol facilitator GlpF and the associated aquaporin family of channels. Current Opinion in Structural Biology, 2003-08, roč. 13, čís. 4, s. 424–431. Dostupné online [cit. 2021-03-10]. DOI: 10.1016/S0959-440X(03)00114-3. (po anglicky)
- ↑ HELLER, K B; LIN, E C; WILSON, T H. Substrate specificity and transport properties of the glycerol facilitator of Escherichia coli.. Journal of Bacteriology, 1980, roč. 144, čís. 1, s. 274–278. Dostupné online [cit. 2021-03-10]. ISSN 0021-9193. DOI: 10.1128/JB.144.1.274-278.1980. (po anglicky)