Aquaporines: fonctions, structure et types

Les aquaporines, également appelées canaux d’eau, sont des molécules à caractère protéique qui traversent les membranes biologiques. Ils sont responsables de la médiation de l'écoulement rapide et efficace de l'eau dans et hors des cellules, empêchant l'eau d'interagir avec les parties hydrophobes typiques des bicouches de phospholipides.

Ces protéines ressemblent à des barils et ont une structure moléculaire très particulière, composée principalement d’hélices. Ils sont largement distribués dans différentes lignées, allant des petits microorganismes aux animaux et aux plantes, où ils sont abondants.

Perspective historique

Avec des connaissances de base en physiologie et en mécanismes de déplacement des solutés à travers les membranes (actifs et passifs), nous pourrions avoir l’impression que le transport de l’eau ne pose aucun problème, entrant et sortant de la cellule par simple diffusion.

Cette idée a été traitée pendant de nombreuses années. Cependant, certains chercheurs ont constaté l’existence d’un canal de transport d’eau, car dans certains types de cellules à haute perméabilité à l’eau (comme les reins, par exemple), la diffusion ne serait pas suffisante pour expliquer le transport. d'eau.

Le médecin et chercheur Peter Agre a découvert ces canaux protéiques en 1992, alors qu'il travaillait avec la membrane des érythrocytes. Grâce à cette découverte, il remporta (avec ses collègues) le prix Nobel en 2003. Ce premier aquaporin s'appelait "Aquaporin 1".

La structure

La forme de l'aquaporine ressemble à un sablier, avec deux moitiés symétriques orientées de manière opposée. Cette structure traverse la double membrane lipidique de la cellule.

Il est nécessaire de mentionner que la forme aquaporine est très particulière et ne ressemble à aucun autre type de protéines qui traversent la membrane.

Les séquences d'acides aminés sont principalement polaires. Les protéines transmembranaires sont caractérisées par un segment riche en segments alpha hélicoïdaux. Cependant, les aquaporines sont dépourvues de telles régions.

Grâce à l'utilisation des technologies actuelles, il a été possible d'élucider la structure de la porine en détail: il s'agit de monomères de 24 à 30 KDa constitués de six segments hélicoïdaux avec deux petits segments entourant le cytoplasme et reliés par un petit pore.

Ces monomères sont assemblés en un groupe de quatre unités, bien que chacune puisse fonctionner indépendamment. Dans les petites hélices, il existe des motifs conservés, y compris le NPA.

Dans certaines aquaporines trouvées chez les mammifères (AQP4), des agrégations plus élevées se forment qui forment des arrangements cristallins supramoléculaires.

Afin de transporter l'eau, l'intérieur de la protéine est polaire et l'extérieur est apolaire, contrairement aux protéines globulaires courantes.

Fonctions

Les aquaporines ont pour fonction de favoriser le transport de l'eau vers l'intérieur de la cellule en réponse à un gradient osmotique. Il n'a pas besoin de force supplémentaire ni de pompage: l'eau entre et sort de la cellule par osmose, médiée par l'aquaporine. Certaines variantes portent également des molécules de glycérol.

Pour effectuer ce transport et augmenter sensiblement la perméabilité à l'eau, la membrane cellulaire est remplie de molécules d'aquaporine, dans un ordre de densité de 10 000 micromètres carrés.

Fonctions chez les animaux

Le transport de l'eau est vital pour les organismes. Prenons l'exemple ponctuel des reins: ils filtrent quotidiennement d'immenses quantités d'eau. Si ce processus ne se produit pas correctement, les conséquences seraient fatales.

En plus de la concentration d'urine, les aquaporines interviennent dans l'homéostasie générale des fluides corporels, de la fonction cérébrale, de la sécrétion des glandes, de l'hydratation de la peau, de la fertilité masculine, de la vision et de l'audition - pour ne citer que quelques processus. biologique

Des expériences menées sur des souris ont permis de conclure qu'elles participaient également à la migration cellulaire, rôle très éloigné du transport de l'eau.

Fonctions chez les plantes

Les aquaporines sont principalement diverses dans le règne végétal. Dans ces organismes, interviennent des processus cruciaux tels que la transpiration, la reproduction, le métabolisme.

En outre, ils jouent un rôle important en tant que mécanisme d’adaptation dans des environnements où les conditions environnementales ne sont pas optimales.

Fonctions dans les microorganismes

Bien que les aquaporines soient présentes dans les microorganismes, aucune fonction spécifique n’a encore été trouvée.

Principalement pour deux raisons: le rapport de surface élevé des microbes suppose un équilibre osmotique rapide (rendant les aquaporines superflues) et les études sur les délétions microbiennes n'ont pas montré de phénotype clair.

Cependant, il est supposé que les aquaporines peuvent offrir une certaine protection contre les phénomènes successifs de gel et de dégel, en maintenant la perméabilité à l’eau dans les membranes à basses températures.

Types

Les molécules d'aquaporine sont connues dans diverses lignées, aussi bien chez les plantes que chez les animaux et chez les organismes moins complexes, et elles se ressemblent étroitement - nous supposons donc qu'elles sont apparues tôt dans l'évolution.

Une cinquantaine de molécules différentes ont été découvertes chez les plantes, alors qu’elles ne sont que 13 chez les mammifères, réparties dans divers tissus, tels que les tissus épithéliaux et endothéliaux des reins, des poumons, des glandes exocrines et des organes liés à la digestion.

Cependant, les aquaporines peuvent également être exprimées dans des tissus qui n'ont pas de relation évidente et directe avec le transport de fluides dans le corps, tels que les astrocytes du système nerveux central et certaines régions de l'œil, telles que la cornée et l'épithélium ciliaire.

Les aquaporines existent même dans la membrane des champignons, des bactéries (telles que E. coli ) et dans les membranes des organites, telles que les chloroplastes et les mitochondries.

Pathologies médicales associées aux aquaporines

Chez les patients présentant une anomalie dans la séquence d'aquaporine 2 présente dans les cellules du rein, ils doivent prendre plus de 20 litres d'eau pour rester hydratés. Dans ces cas médicaux, il n'y a pas de concentration adéquate d'urine.

Le cas contraire conduit également à un cas clinique intéressant: la production d’un excès d’aquaporine 2 entraîne une rétention excessive de liquide chez le patient.

Pendant les périodes de grossesse, il se produit une augmentation de la synthèse des aquaporines. Ce fait explique la rétention d'eau commune chez les futures mères. De même, l'absence d'aquaporine 2 a été liée à l'apparition d'un certain type de diabète.