Tiểu luận Aquaporins và vai trò điều hòa sự trao đổi nước của tế bào

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC
----------

TIỂU LUẬN SINH HỌC TẾ BÀO
“ Aquaporins và vai trò điều hòa
sự trao đổi nước của tế bào”

GV hướng dẫn
SV thực hiện
Lớp

:

TS. Đồng Huy Giới
Nhóm 1
K57CNSHA

:
:

Hà Nội – 2013

Danh sách nhóm 1

HÀ NỘI - 2013


STT

Họ tên

Mã SV

Lớp

1

Hoàng Ngọc Anh

560770

K56CNSHA

2

Nguyễn Thị Mai Anh

570754

K57CNSHA

3

Phạm Thị Anh

570753

K57CNSHA

4

Đặng Thị Thanh Bình

560778

K56CNSHA

5

Nguyễn Thị Thúy Bình

570758

K57CNSHA

6

Nguyễn Trung Bình

570757

K57CNSHA

7

Bùi Thị Linh Chi

570759

K57CNSHA

8

Lê Văn Chung

570760

K57CNSHA

Mục lục


A. Đặt vấn đề
B. Nội dung
I.

Lịch sử phát hiện

II.

Phân loại

III. Cấu trúc của Aquaporins
IV.

Chức năng của Aquaporins
1. Ở thực vật
2. Ở người và động vật

V.

Quá trình điều hòa sự trao đổi nước tế bào của Aquaporins
1. Hoạt động của Aquaporins
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của Aquaporins

C. Kết luận


A.ĐẶT VẤN ĐỀ
Nước có vai trò quan trọng đối với mọi cơ thể sống của sinh vật, không những thế
nước tồn tại trong mọi tế bào và chiếm một khối lượng không hề nhỏ (ví như trong
mô tế bào nước chiếm khoảng 60-90%, còn trong những hạt tiềm sinh thì nó
chiếm từ 10-20% ). Nhưng nước không chỉ nằm yên trong tế bào mà nó di chuyển
trong tế bào rất linh hoạt và có tổ chức. Trong hầu hết các tế bào, nước di chuyển
vào và ra bằng cách thẩm thấu qua thành phần lipid của màng tế bào. Màng lipid
như rào chắn để ngăn nước không tự do thoát ra khỏi tế bào. Những đặc tính cơ
bản của tế bào sống là khả năng vận chuyển nước qua màng tế bào để đáp ứng lại
sự thay đổi của áp suất thẩm thấu. Do tính thấm nước tương đối cao của một số tế
bào biểu mô nên nó được nghi ngờ rằng sẽ có một số cơ chế bổ sung cho vận
chuyển nước qua màng phải tồn tại. Trong nhiều năm, nhiều nhà nghiên cứu cho
rằng sự khuyếch tán đơn giản chịu trách nhiệm cho hầu hết sự vận chuyển nước.
Nhiều loại tế bào khác nhau như các tế bào hồng cầu và một sô tế bào thận thể hiện
rõ ràng sự thấm nước diễn ra rất nhanh chóng. Vậy làm thế nào để các phân tử
nước có thể luân chuyển linh động, nhanh chóng qua rào chắn đó?
Một số nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng : phải tồn tại một số cơ chế bổ sung cho qúa
trình vận chuyển nước qua màng. Cho đến năm 1992 , aquaporin đầu tiên được
phát hiện là aquaporin -1 ( ban đầu được gọi là CHIP 28), được báo cáo bởi Peter
Agre , Đại học Johns Hopkins .

Vậy Aquaporins là gì? Chức năng của nó là gì? Nó có vai trò như thế nào trong
quá trình vận chuyển nước qua màng tế bào? Chúng ta hãy cùng tìm hiểu điều đó
qua bài tiểu luận “Aquaporins và vai trò điều hòa sự trao đổi nước của tế bào”.

B.NỘI DUNG
I.

Lịch sử phát hiện

Vào giữa những năm 1980 Peter Agre , MD (giáo sư Hóa học Sinh học và Y học John Hopkins Địa Trung Hải Trường - 2003 người đoạt giải Nobel Hóa học) đã
nghiên cứu protein màng tế bào khác nhau được phân lập từ các tế bào hồng
cầu. Ông cũng tìm thấy một trong những chúng trong các tế bào thận. Sau khi
quyết định cả hai chuỗi peptide và các chuỗi ADN tương ứng, ông suy đoán rằng
đây có thể là protein của cái gọi là kênh nước di động. Ông gọi là protein kênh này
- aquaporin .
Năm 1999 , cùng với các nhóm nghiên cứu khác , Agre báo cáo những hình ảnh có
độ phân giải cao đầu tiên của cấu trúc ba chiều của một aquaporin , cụ thể là,
nghiên cứu sâu hơn aquaporin -1 . Sử dụng mô phỏng siêu máy tính đã xác định
con đường của nước khi nó di chuyển qua kênh và thể hiện như thế nào một khe có
thể cho phép nước để vượt qua mà không có việc thông qua các chất hòa tan nhỏ .
Agre kiểm tra giả thuyết của ông rằng aquaporin có thể là một protein kênh nước
trong một thí nghiệm đơn giản (hình 1 - dưới đây)


Hình 1. Agre 's thử
nghiệm với các tế bào có
chứa hoặc thiếu
aquaporin . Aquaporin là
cần thiết cho việc thực
hiện của các tế bào hấp

thụ nước và sưng lên.

Ông đã so sánh các tế bào có chứa các protein trong câu hỏi với các tế bào mà
không có nó. Khi các tế bào được đặt trong một dung dịch nước, những tế bào có
protein trong màng của chúng hấp thụ nước bằng cách thẩm thấu và sưng lên trong
khi những tế bào thiếu protein không bị ảnh hưởng gì cả. Agre cũng chạy thử
nghiệm với màng tế bào nhân tạo, được gọi là liposome , mà là một chất béo đơn
giản ràng buộc giọt nước. Ông thấy rằng các liposome trở thành thấm nước chỉ
khi aquaporin protein được cấy trong màng nhân tạo của họ.
Agre cũng biết rằng các ion thủy ngân thường ngăn chặn các tế bào từ chiếm và
giải phóng nước, và ông đã cho thấy vận chuyển nước qua túi màng nhân tạo của
mình với aquaporin protein đã được ngăn chặn trong cùng một cách bởi thủy
ngân. Đây là thêm bằng chứng rằng aquaporin có thể thực sự là một kênh nước.

II.

Phân loại

Từ năm 1985 đến nay, đã phát hiện khoảng trên 450 thành viên AQP trong hầu hết
tất cả các cơ thể sống từ vi khuẩn, động vật, thực vật cho đến người. AQP thuộc
các kênh chuyển chất qua màng như protein lớn thiết yếu – MIP (major intrinsic
protein).
AQP chia thành 3 nhóm chính:


 AQP – protein đặc trách chuyển nước qua màng;
 Aquaglyceroporin – protein chuyển nước và các chất có khối lượng phân tử
nhỏ khác;
 Siêu AQP (superquaporin).
AQP nâng cao khả năng thấm của nước qua màng tế bào theo cả hai hướng phụ

thuộc vào áp suất thẩm thấu.
Ở tế bào tiền nhân chỉ tìm thấy AQP trong số 26% các mẫu nghiên cứu,trong khi
đó các tế bào nhân chuẩn gấp 2,5 lần – trong 67% các mẫu nghiên cứu. Các nhà
khoa học giả thiết rằng một số loại vi khuẩn sống được trong môi trường nước và
có thể không cần đến AQP.
Ở động vật và người có 13 loại AQP, chúng thể hiện ở những mô tế bào khác nhau
như tế bào hồng cầu, tế bào thận, tế bào não.Trong đó:
 AQP: AQP0, AQP1, AQP2, AQP4, AQP5, AQP6, AQP8
 Aquaglyceroporins: AQP3, AQP7, AQP9, AQP10
 Siêu AQP: AQP11 và AQP12.
6 trong số này nằm trong thận. Trong con người ,những đường dẫn nước này
giữ vai trò vô cùng đặc biệt trong thận, nơi khoảng 170 lit nước được lọc qua,lại
mỗi ngày.
Các Aquaporins được nghiên cứu nhiều nhất:
Loại AQP

Vị trí

Chức năng

Thận (apically)
AQP 1
AQP 2

 PCT
 PST
 tDLH
Thận (apically)
 ICT
 CCT

 OMCD

Tái hấp thu nước
Tái hấp thu nước để đáp
ứng với ADH


AQP3
AQP4

III.

 IMCD
Thận (basolaterally)
Medullary collecting duct
Thận (basolaterally)
Medullary collecting duct

Tái hấp thu nước và
glycerol thấm
Tái hấp thu nước

Cấu trúc của Aquaporins

Aquaporin là protein có kích thước nhỏ, từ 26-30 kDa, chuỗi polypeptide dài
khoảng 300 amino acid, hoặc có loại ít hơn chỉ từ 250-290 amino acid. Hai đầu N
và C đều ưa nước và nằm trong nguyên sinh chất. AQP có cấu trúc ba chiều đặc
trưng. Phân tử AQP cấu tạo từ 6 vùng xoắn α trên màng tế bào ký hiệu là H1 đến
H6 và 5 vòng cuộn interhelica: A, B, C, D và E tính từ đầu N. AQP đặc trưng bởi
hai đoạn bảo thủ lặp lại các gốc NPA (Asn-Pro-Ala) ở trong vùng vòng cuộn B và

E. Hộp NPA gắn với các đoạn xoắn ngắn. Cấu trúc này linh hoạt tạo thành sự đóng
mở của AQP. Cấu trúc tinh thể của AQP1 ở người có kích thước 3A 0, còn ở E. coli
là 2,2 A0. Những gốc amino acid chính trong việc hình thành kênh chuyển nước
này là Phe56, Arg195, His180 và Cys189. Khi có nhiều nước, mỗi phân tử AQP có
thể cho phép chuyển 3 x 109 phân tử nước trong một giây.


Cấu trúc tinh thể
của Aquaporin 1
Cấu trúc
3D của
Aquaporin

Sơ đồ cấu trúc 2D Aquaporin 1 miêu tả qua 6 xuyên màng xoắn α và 5
khu vực vòng interhelical(A-E).
 Một nửa số amino và cacboxyl của chuỗi tương đồng với nhau, như là một
sự lặp lại song song
 Vòng lặp B và E là vòng kị nước có chứa năng lượng,mặc dù không hoàn
toàn bảo toàn motif asparagine-proline-alanine(NPA), nhưng nó chồng chéo


giữa màng lipid của màng tế bào hình thành cấu trúc đồng hồ cát 3D, đó là
nơi phân tử nước đi qua.
 Motif NPA và chỗ thắt hẹp thứ hai được gọi là bộ lọc chọn lọc hoặc bộ lọc
chọn lọc ar/R
 Aquaporin hình thành bốn phần trong màng tế bào,với mỗi đơn
thể(monomer) hoạt động như một kênh nước. Aquaporin khác nhau có trình
tự peptide khác nhau, quy định kích thước của lỗ nước trong protein khác
nhau giữa các Aquaporin. Kích thước của lỗ nước ảnh hưởng trực tiếp đến
các phân tử có thể đi qua lỗ nước. Với lỗ nước có kích thước nhỏ chỉ cho

phép những phân tử nhỏ như nước đi qua.
Một số nhà nghiên cứu đã xác định một trường tĩnh điện được tạo ra bởi hai
Aquaporin nửa xoắn HBvà HE là lý do cho sự quay của phân tử nước.những người
khác cho rằng nó được gây ra bởi sự tương tác của các liên kết hydro giữa oxy của
các phân tử nước và các asparagine trong hai motif NPA.Đây là lý do tại sao quá
trình luân chuyển xảy ra không hoàn toàn rõ ràng.

Bộ lọc chọn lọc ar/R là một cụm các axid amin giúp liên kết với các phân tử
nước và loại trừ các phân tử khác có thể xâm nhập vào lỗ nước. Nó là cơ chế mà
Aquaporin có thể chọn lọc liên kết các phân tử nước (do đó cho phép các phân tử
nước thông qua) và ngăn chặn các phân tử khác xâm nhập vào.


Các bộ lọc ar/R là một bộ bốn được hình thành bởi hai aminoacid từ xoắn
B(HB) và E(HE) và hai “cặn” từ vòng lặp E(LE1và LE2), được tìm thấy ở hai bên
của các motif NPA.Khu vực ar/R thường được tìm thấy về phía tiền sảnh ngoại
bào, khoảng 8 Å trên motif NPA và thường là phần hẹp của lỗ nước.
Các lỗ nước hẹp hoạt động làm yếu đi liên kết hidro giữa các phân tử nước cho
phếp nước tương tác với arginine tích điện dương,hoạt động như bộ lọc proton
trong lỗ nước.

IV.

Chức năng của Aquaporins

Sự phân bố một số kênh Aquaporins của động vật có vú
Gene

HgCl2

Aquaporins hoặc

Mô/ Cơ quan

AQP0
AQP1

sensitivity
không
có

Aquaglyceroporin
AQP
AQP

sợi thủy tinh thể của mắt
thận (ống lượn gần và chân tay dần mỏng
của vòng Henle), hồng cầu, tế bào nội mô
mao mạch, đám rối màng mạch, mắt, tai,

AQP2

có

AQP

Gl đường, cơ xương, cơ tim, cơ trơn.
thận (tế bào cơ bản của ống thu thập và
thu thập ống, đỉnh bề mặt túi subapical),

AQP3
AQP4

có
không

GLP
AQP

tai
đường hô hấp, phổi, gl đường, não, tai
não (osmoreceptor?) thận (thu thập tế
bào gốc ống basolateral), võng mạc, tai,
đường hô hấp, phổi, gl đường, nhanh

AQP5

có

AQP

chóng co giật cơ xuong
tuyến nước bọt, tuyến lệ, đường hô hấp,

AQP6

có

AQP

phổi, tai, mắt
thận (tế bào xen của ống thu thập, các túi

AQP7

có

GLP

nội bào)
tinh hoàn, tinh trùng, thận (ống lượn gần)

(AQP7L)

có

(GLP)

mô mỡ

AQP8

có

AQP

tinh hoàn, tinh trùng, gl đường, nhau thai,


thận (ống lượn gần và thu thập ống),

AQP9
AQP10

có
có

GLP

đường hô hấp, gan, tuyến nước bọt
Gan, tinh hoàn, tinh trùng, lá lách, não,

AQP

bạch cầu
tá tràng, hỗng tràng

1. Thực vật
 AQP thường ở lượng lớn và tìm thấy hầu hết trong các loại tế bào. AQP ở
thực vật thực hiện nhiều chức năng khác nhau có thể do một số nguyên
nhân sau:
 Thực vật cần vận chuyển nước từ rễ và cho bay hơi qua khí khổng ở lá.
Trong các điều kiện độ ẩm khác nhau trong môi trường, bắt buộc phải có cơ
chế điều hòa và giữ nước. Một trong những yếu tố cần thiết để đảm bảo cho
cơ chế đó là AQP.
 Thực vật cần kiểm soát được sự trao đổi nước ở cả 3 chiều của tế bào hoặc
mô tế bào để giữ vững trạng thái cơ thể trong suốt thời gian sống. Sự kiểm
soát này tồn tại ở mọi giai đoạn sinh trưởng và phát triển cá thể cũng như ở
các điều kiện môi trường sống khác nhau.Tế bào thực vật thường có không
bào lớn để định hình nên cần phải kiểm soát sự cân bằng các chất trong tế
bào.

 Vai trò của AQP
Aquaporin và quá trình hút nước ở rễ
Có rất nhiều auqaporin được biết tới có biểu hiện ở rễ cây (Kaldenhott et al. 1995).
Các aquaporin ở cây thuốc lá PIP1, NtAQP1 có trong tế bào có sự điều khiển sự
chay của nước giữa symplast và apoplast. Giảm thiểu ảnh hưởng của NtAQP1 ở
cây thuốc lá sử dụng kỹ thuật antisense đã làm giảm khả năng dẫn nước ở rễ tới
55% so với các cây không được xử lý antisense. Do đó, một số cây đã trở nên nhạy
cảm hơn tới stress về nước (Siefrit et al. 2002). Ở Arabidopsis, các dòng phụ của


PIP2, tên là AtPIP2;2 có ở bên trong biểu bì rễ cây. Làm bất hoạt biểu hiện của
PIP2;2 làm giảm khả năng vận chuyển nước 14% (Javot et al. 2003).

Aquaporin và stress nước
Dựa trên sự xác định vị trí của các tế bào mà ta có thể chỉ ra rằng một số quá
trình có thể bị ảnh hưởng bởi chức năng của aquaporin. Tuy nhiên các nghiên cứu
cố liên hệ các phản ứng sinh hóa với stress nước với các mô hình biểu hiện của các
aquaporin khác nhau đã dẫn tới các kết quả khác nhau bởi vì các biểu hiện của
aquaporin rất phức tạp, và các dạng biểu hiện aquaporin khác nhau có thể làm giảm
khoảng cách phản ứng (Alexandersson, et al. 2005). Thực tế, các phản ứng của
aquaporin tới stress nước có thể liên quan tới sự điều hòa biểu hiện gen xuôi hay
ngược hoặc không có sự thay đổi (Tyerr et al. 2002) dựa trên thời gian tồn tại và áp
lực của stress nước (Galmes et al, 2007). Hơn thế nữa sự khác nhau giữa sự biểu
hiện đa dạng của tác động biểu hiện của aquaporin trong trường hợp thích ứng và
không thích ứng hạn nước (Lian et al. 2004). Ngoài ra aquaporin được biết tới là
đóng vai trò trong việc giúp cây để duy trì sự cân bằng nội môi và cân bằng nước
trong điều kiện stress nước. Một số bằng chứng gần đây còn chỉ ra aquaporin có
thể liên quan tới sự điều hòa sự quang hợp bằng cách tác động tới sự vận chuyển
CO2 qua áp suất tới lục lạp, các quá trình này một cách gián tiếp đã điều khiển sự
cân bằng nước và sự đóng mở khí khổng và một cách trực tiếp qua sự điều hòa sự

giảm mesophyll với CO2.
Aquaporin và sự vận chuyển nước ở xylem
Nhựa xylem di chuyển qua thành tế bào liên tục ở trong apoplast. Ở đây không
có sự liên hệ giữa aquaporin tới sự vận chuyển nước ở xylem. Tuy nhiên, các tế


bào symplastic bao quanh mạch xylem, ví dụ như nhu mô, có thể ảnh hưởng tới sự
điều hòa sự vẩn chuyển bởi xylem bằng sự di chuyển của nước từ tế bào qua tế bào
từ mô mạch tới xylem. Điều này liên quan tới dòng chảy nhựa xylem theo chiều
dọc, đặc biệt trong các trường hợp cân bằng nước. Hơn nữa, đặc biệt ở các đầu rễ
và lá, con đường dẫn nước apoplastic toàn toàn ở trong các tế bào, con đường dẫn
này được điều khiển bởi aquaporin, đây là cơ chế điều khiển thụ động của dòng
nước xylem hoàn toàn phụ thuộc vào aquaporin.Các nghiên cứu về sinh lý trước
đây khẳng định rằng nước đi từ xylem qua các tế bào, chứ không xuyên qua các tế
bào vỏ, bởi lẽ khả năng chống chịu của màng không quá cao (Boyer 1974). Gần
đây, Sack, Streeter và Holbrook(2004) đã chỉ là tính chống chịu thủy lực ở lá (Rleaf) bằng cách đo dòng chảy của nước qua lá trước và sau khi cắt các mạch dẫn
chính. Sau khi thay đổi nhiệt độ, phản ứng lại của R-leaf hơn cả mong đợi từ sự
thay đổi của độ nhớt. Các phản ứng lại không tìm thấy ở các lá bị cắt mạch chính.
Khả năng dẫn nước của lá
Aquaporin có thể liên quan tới sự điều hòa khả năng dẫn nước của lá, mặc dù
còn ít bằng chứng về vấn đề này. Siefritz et al. (2002) đã phát hiện sự giảm thoát
hơi nước dưới stress nước ở NtAQP1 ở cây thuốc lá trong khi so sánh với các cây
dại mà trước đây người ta cho rằng liên quan tới sự dẫn nước ở rễ. Martre et al
(2002) chỉ ra không có sự khác biệt trong quá trình dẫn nước ở lá giữa loài hoang
dại Arabidopsis và cây có antisense kép với sự suy giảm biểu hiện của PIP1 và
PIP2. Tuy nhiên, cung cấp nước sau khi bị stress nước, các cây thuộc loài hoang
dại phục hồi sự dãn nước ở lá và thẩm thấu nước nhanh hơn ở các cây antisense.
Gần đây, Nardini và Salleo (2005) chỉ ra thủy ngân clorua làm giảm sự dẫn nước ở
hoa hướng dương, nhưng kết quả nên làm sáng tỏ với cùng một nguyên nhân hơn
tất cả các xử lý với kim loại nặng. Cuối cùng là bằng chứng cho vai trò trực tiếp

của PIP2 trong sự đa dẫn truyền nước với phản ứng với tác động của mặt ánh sáng


(Cochard et al,2007). Rõ ràng, nhiều ngiên cứu sinh hóa sử dụng aquaporin chỉ ra
rằng aquaporin cần cho việc thiết lập vai trong hoạt động điều hòa sự dẫn truyền
nước và quá trình đóng mở khí khổng trong phản ứng với stress nước.
Aquaporin và sự mở khí khổng
Vai trò giả định của aquaporin trong sự chuyển động của dòng nước trong các
tế bào bảo vệ và sự điều hòa chuyển động của lỗ khí khổng được căn cứ vào quan
sát dựa trên biểu hiện của các aquaporin đặc biệt nhiều ở trong các tế bào bảo vệ
(Kaldenhoff et al, 1995). Tuy nhiên vai trò chủ động của aquaporin trong sự vận
động của khí khổng, tới nay vẫn chưa được miêu tả cụ thể. Mặt khác, sự biểu hiện
điều hòa tuyến trên của aquaporin và khả năng dẫn nước của xylem xảy ra đồng
thời khi sự thoát hơi nước giảm bởi sự đóng khí khổng hoặc bởi sự xuất hiện của
chất ngoại sinh như ABA hay methotrexate (Aroca et al, 2006). Quá trình dẫn hước
và thoát hơi nước có sự liên quan nội tai và aquaporin đóng vai quan trọng trong cả
2 quá trình.
2. Người hay động vật
Aquaporin -1 ( AQP1 ) được tìm thấy trong đám rối
màng mạch , góp phần sản xuất dịch não tủy và
AQP4 được tìm thấy trên các tế bào quanh mạch và
ependymal .
Nếu aquaporin có thể được thao tác, có tiềm năng
có thể giải quyết các vấn đề y tế như giữ nước trong
bệnh tim mạch và phù não sau đột quỵ
Đã có hai ví dụ rõ ràng của bệnh được xác định là do đột biến trong aquaporins :
-Đột biến ở gen aquaporin -2 gây ra do di truyền đái tháo nhạt nephrogenic trong
con người.

-Chuột đồng hợp tử cho bất hoạt đột biến ở gen aquaporin - 0 phát triển đục thủy
tinh thể bẩm sinh.
Một số ít người đã được xác định với sự thiếu hụt nghiêm trọng hoặc tổng
aquaporin trong -1 . Thật thú vị khi lưu ý rằng họ đang có, nói chung , lành mạnh,
nhưng hiện một khiếm khuyết trong khả năng tập trung chất dễ hòa tan trong nước
tiểu và để tiết kiệm nước khi mất đi nước uống. Chuột với mục tiêu xóa bỏ trong
aquaporin -1 cũng thể hiện sự thiếu hụt trong bảo tồn nước do không có khả năng
tập trung chất tan trong tủy thận bằng cách ngược nhân .
Ngoài vai trò của nó trong xác định về mặt di truyền đái tháo nhạt nephrogenic ,
aquaporins cũng đóng một vai trò quan trọng trong các hình thức mua của đái tháo
nhạt nephrogenic ( rối loạn gây ra tăng sản xuất nước tiểu ) . Mua đái tháo nhạt
nephrogenic có thể là kết quả của quy định bị suy giảm của aquaporin -2 do chính
quyền của muối lithium ( trong điều trị rối loạn lưỡng cực ) , nồng độ thấp kali
trong máu ( hạ kali máu) , nồng độ canxi cao trong máu ( tăng calci máu ) , hoặc
một lượng kinh niên cao của nước ngoài yêu cầu bình thường (ví dụ , do để ăn
thường xuyên quá nhiều nước đóng chai, cà phê ) .

V.

Quá trình điều hòa sự trao đổi nước tế bào của Aquaporins
1. Hoạt động của Aquaporins

AQP là là một lớp màng các kênh protein chịu trách nhiệm điều chỉnh lưu lượng
nước vào và ra tế bào để đáp ứng với sự thay đổi áp suất thẩm thấu. Lỗ nước trong
AQP-1 là AQP đặc trưng nhất, có một cấu trúc cho phép các phân tử nước di
chuyển qua màng, nhưng không cho các phân tử nhỏ hơn dạng khác đi qua.


Biểu đồ của đơn phân aquaporin: mỗi đơn phân AQP-1 là một homotetramer
(một phức hệ protein tạo thành từ 4 tiểu phần giống hệt nhau liên kết với nhau) chỉ

có tính thẩm thấu nước cao là đặc điểm đặc trưng nhất. Mỗi một tiểu phần là một
polypeptide có chứa 269 amino acid hình thành một lỗ vận chuyển nước(watertransposting pore) với 6 vùng chuỗi xoắn màng kéo dài liên kết vơi nhau bởi 5
vòng nối (hình a).
Dù mỗi đơn phân là một kênh nước độc lập, tuy nhiên sự hình thành tetramer
(phức hệ bốn) là cần thiết để thực hiện đầy đủ chức năng.Trong chức năng của đơn
phân, hai vòng nối đều có trình tự Asn-Pro-Ala (NPA) tiếp xúc với nhau giữa để
hình thành vùng liên kết nước (water-binding site) (hình b). Lỗ này có kích thước 3
Angstron, chỉ lớn hơn một phân tử nước(2.8 Angstron). Giống như hình minh họa,
trình tự NPA đứng sát nhau trong kênh. Chỉ cho các phân tử nước chuyển động qua
kênh, mà các dạng nhỏ hơn không qua được như H+, người ta tin rằng có thể do
hình thành các liên kết hidro giữa phân tử nước và phần còn lại Asn của hai trình tự
NPA. Môi trường kị nước được tạo ra bởi các amino acid còn lại trên các chuỗi
xoắn khác, phá vỡ các liên kết hidro tạo thành giữa các phân tử nước để chúng di
chuyển trong các dòng đơn lẻ về phía phần hẹp nhất của lỗ.


Nó cũng ép nguyên tử Oxi của mỗi phân tử nước hướng về phía Asn còn lại
của chính nó. Khi các phân tử nước tiếp cận lỗ eo 3 Angstron,nguyên tử oxi của nó
liên tục hình thành và phá vỡ liên kết hiddro với chuỗi bên của hai Asn còn lại. Sự
vắng mặt của các liên kết hidro đối tác ngăn cản sự o xi hóa của nước và hình
thành nên các proton.

Sự vận chuyển nước qua AQP-1
Các phân tư nước đi xuyên qua các lỗ thành dòng đơn lẻ. Mỗi một phân tử tiến
tới phần eo của lỗ, nó phải định hướng nguyên tử oxi của nó để có thể hình thành
và phá vỡ liên kết hiddro với hai chuỗi bên Asn còn dư.
a)Trong các lỗ của đơn phân AQP,các vòng nối B và E tạo ra môi trường tích
điện trong đó nguyên tử oxi của mỗi phân tử nước hướng về phía Asn còn dư.
b) và c) Sự hình thành và phá vỡ liên kết hidro một cách tuần tự giữa oxi của
phân tử nước với hai bên chuỗi Asn còn dư để vận chuyển nước xuyên qua lỗ.

2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của Aquaporins
Ánh sáng, ABA (abscisic acid) và Gibberellin3 đều nâng cao sự biểu hiện của
gen mã hóa cho protein AQP – PIP1 trong các tế bào phân hóa và theo chiều dài
cũng như tế bào bảo vệ của khí khổng. Hoạt tính AQP còn được điều khiển bằng
phosphoryl hóa. Quá trình này đều phụ thuộc vào protein kinase và ion Ca ++. Các


yếu tố môi trường cực đoan khác nhau như pH, nồng độ chất tan, áp suất thẩm
thấu… cũng đều tác động lên AQP.
Phosphorylation(quá trình phosphorin hóa)
Quá trình phosphoryl hóa ở aquaporin thực vật đã đước biết tới trước khi chức
năng và đặc tính của chúng được biết đến, và đã có sự ảnh hưởng trực tiếp tới sự
vận chuyển của các kênh (Weaver và Roberts,1991). Sự phosphoryl hóa ở in vitro
và in vivo của các phần thừa của serine với đầu kết thúc C và N ở hạt đỗ PvTIP3;1
lá rau chân vịt SoPIP2;1 và các nốt sần ở hạt đậu( Weaver và Roberts,1992). Các
bằng chứng chỉ ra rằng quá trình phosphoryl hóa này liên quan tới đặc tính của phụ
thuộc vào canxi của protein kinase ở màng tế bào. Sự phosphoryl ở Arabidopsis và
màng tế bào plasma ở tế bào aquaporin của ngô đã chỉ ra trong in vivo bằng phép
đo quang phổ và đánh dấu phóng xạ (Chaumont , 2000a). Sự thể hiện tính trạng
khác loại của aquaporin ở noãn bào của Xenopus là hệ thống thuận tiện để phát
hiện chức năng và sự điều hòa ở aquaporin (Preston, 1992). So sánh với sự điều
khiển noãn bào, noãn bào biểu hiện đặc tính của aquaporin trong màng plasma chồi
lên của chúng được luân phiên thẩm thấu theo nồng độ chất thẩm thấu. Đặc tính
hữu dụng này của hệ thống đã sự đối lập vận chuyển của kinases và sự
phosphatases có thể thêm vào, cho phép làm sáng tỏ cơ chế họa động của aquapỏin
dưới sự tác động của quá trình phosphoryl hóa. Ví dụ hoạt động của kênh vận
chuyển nước ở PvTIP3;1 ở Xenopus được tăng cường bằng cách thêm tác nhân
cAMP, tác nhân này hoạt hóa protein kinase ở noãn bào (Maurel , 1995). Tương tự
như thế, hoạt động của SoPIP2;1 và GmNodulin 26 được tăng cường khi noãn bào
được ủ ấm với sự xuất hiện của các chất ức chế quá trình phosphoryl hóa

(Johansson , 1998). Các nghiên cứu này đã tìm hiểu các yếu tố đột biến quan trọng
trong sự giả định về các tiểu phần thừa ở serine có ảnh hưởng tới cơ chế điều hòa.
Qua nhiều thí nghiệm đã mô tả rằng sự phospho hóa ở các aquaporin thực vật có


thể được điều chỉnh hoạt động của các kênh vận chuyển nước; tuy nhiên cơ chế
này chưa được alfm sáng tỏ. Điều này có thể cho ta biết sự phosphoryl hóa ở
aquaporin thực vật liên quan trực tiếp tới tới sự đóng mở của các kênh trong điều
kiện in situ (Johansson , 2000). Trong các vùng xác định phosphoryl hóa ở điều
kiện in vivo được định vị ở các vùng kết thúc có đầu C và N của protein., các dữ
liệu cấu trúc này được dành cho các đoạn mã kết thúc có thể không tồn tại, các
mẫu hình tính toán có của các nhóm phosphat được giữ ở các vị trí này có thể
không được biểu hiện. Các dữ liệu bên ngoài cũng cần thiết để định hình các cơ
chế đóng, mở được điều khiển bởi sự phosphoryl hóa đầu C hoặc N.
Điều hòa của quá trình phosphoryl của aquaporin thực vật có thể được điều
khiển thông quá các giai đoạn phát triển và các yếu tố môi trường, Ví dụ, sự
phosphoryl của PvTIP3;1 được phát hiện trong điều kiện in vitro khi quan sát sự
phát triển của hạn và giảm trong quá trình hút ẩm của nó (Johnsson và Chrispeels,
1992), điều này có thể ảnh hưởng làm tăng cường sự phosphorin của PsTIP3;1
trong điều kiện in vivo với cũng một giai đoạn và sự điều khiển sự trước của không
bào (Maurel 1997). Quá trình phosphoryl ở GmNodulin 26 trong các thể cộng sinh
đạt tới đỉnh điểm khi các tiểu phần thành thục và phát triển hoàn toàn, nó cũng làm
tăng stress muối và nước, điều này chỉ ra vai trò quan trọng trong sự điều hòa thẩm
thấy của bào tương (Guenther 1993). Sự phosphoryl của SOPIP2;1 đã được tăng
cường bằng cách tăng tiềm năng nớpc của lá và làm giảm sự mất nước, dĩ nhiên
việc này nhằm ngăn sự thoát nước từ các tế bào ở lá. Gần đây, nghiên cứu về sự
phosphoryl và phản phosphoryl hóa ở màng tế bào aquaporin ở tulip đã được báo
cáo là điều khiển cách hoa mở ở 20 độ C và cánh hóa đóng ở 5 0C. Các quan sát này
được tổng hợp lại với các mức nước vận chuyển khác nhau qua tâm của cánh hoa
và chúng đều phụ thuộc vào ion Canxi. Những ví dụ này đã minh họa cho ảnh

hưởng rất lớn của quá trình phosphoryl và phản phosphoryl hóa ở aquaporin thực
vật, mặc dù các ảnh hưởng ở cấp độ phân tử vẫn là điều bí ẩn.


Sự điều hòa bằng vận chuyển màng
Aquaporin ở thực vật đặc biệt xác định các loại màng cần thiết cho chúng. Các
phản ứng hồi đáp tín hiệu miễn dịch và biểu hiện của các protein kết hợp và protein
thu nhận ánh sáng xanh đã được tìm thấy ở tất các aquaporin định vị ở các màng
plasma, màng không bào hoặc màng ở vi sinh vật cộng sinh của các nốt sần cố
định nitơ ở đậu đỗ (Fortin, 1987). Để đi tới đích, aquaporin phải di chuyển bằng
các con đường bài tiết, qua con đường mô lưới nội bào, hoặc qua bộ máy Golgi sau
đó chúng được gói vào các bao bọc khác nhau phụ thuộc vào màng đích. Sự điều
hòa bằng cách vận chuyển protein của aquaporin có thể được làm sáng tỏ bởi các
cơ chế đơn giản nhừo sự thảm thấu nước đáp ứng với điều kiện môi trường và nhu
cầu về nước.
Sự phân bố của tế bào của một số aquaporin xuất hiện một cách phức tạp hơn
là màng plasma. Ví dụ màng plasma PIP1 tương đồng của Arabidopsis được tìm
thấy đã xoắn vào màng plasma khác và được gọi là các plasmalemmasomes và có
thể trao đổi nước giữa apolast và không bào (Robinson 1996). Các protein ở lúa
mỳ như ZmPIP1;2 và ZmPIP2;5, chúng kết hợp với GFP, đã được tìm thấy không
chỉ ở màng plasma mà còn tìm thấy ở màng nội bào và các ngăn, các vị trí có thể
tương ứng với trạng thái vận chuyển của PIP trong con đường bài tiết (Chaumont
2000b). Các thí nghiệm ở protoplast lúa mỳ chỉ ra rằng các màng cho phép nước
thẩm thấu thay đổi mọi sự đòi hỏi thẩm thấu. Các hoạt động này của Pf được coi
như sự phản hồi của vận chuyển của aquaporin hay hoạt động của aquaporin
(Moshelion 2004).
Quá trình glycosin hóa có va trò quan trọng trọng việc định hướng và xâm
nhập màng của một số protein, và các dạng glycosin hóa của tế bào động vật có vú
như AQP1 và AQP2 đã được phất hiện (Smith 1994). Quá trình glycosin hoácủa
AQP2 quan trọng cho việc giải phóng phức hợp Golgi và việc lựa chọn màng

plasma. Gần đây các nghiên cứu tác động của stress nước tới sự định vị McTIP1;2
đã mở ra một cơ chế mới ở quá trình điều hòa của aquaporin thực vật có thể liên
quan tới sự glycosin hóa các protein (Vera-Estrella 2004). Cơ chế phân phối của
McTIP1;2 tới các giảng gian bào dưới điều kiện stress thẩm thấu có thể có vai trò
quan trọng trọng cân bằng nước ở các loại mô khác nhau.


C.Kết luận
Qua những phân tích ở trên ta có thể thấy mức độ đa dạng, phổ biến cũng
như tầm quan trọng không thể thay thế của các kênh vận chuyển nước
Aquaporins. Mặc dù sự tăng trưởng theo cấp số nhân của các tài liệu về AQPs
trong thập kỷ qua, vẫn còn nhiều câu hỏi chưa được trả lời. Tại sao có rất nhiều
loại aquaporins ? Tại sao mô hình AQPs lại phức tạp như vậy, mô hình phân phối
di động và dưới tế bào? Tại sao một số aquaporins được phân bố rộng rãi (ví dụ,
AQP1), trong khi một số khác là rất hạn chế trong phân bố trên mô (ví dụ, AQP2)?
Làm thế nào để có thể quy định biểu hiện gen và nội địa hóa tế bào của một kênh
AQP duy nhất khác nhau nên rất nhiều phụ thuộc vào các loại tế bào hoặc mô,
trong đó nó được thể hiện? Tại sao thiếu các AQPs gần như không thích hợp với
cuộc sống nhất định, trong khi thiếu những cái khác lại xuất hiện dẫn đến một kiểu
hình nhẹ đó là thích nghi với cuộc sống? Tại sao lại có quá nhiều sự khác biệt giữa
các kiểu hình của các mô hình chuột AQP và tự nhiên tương ứng ở người? Những
thay đổi thích nghi xảy ra trong tự nhiên của con người là khác biệt so với các mô
của chuột? Những câu trả lời cho những câu hỏi này sẽ tiếp tục nổi lên như là
khám phá và đánh giá mối quan hệ giữa vai trò của AQPs và nội cân bằng chất
lỏng.
Các lĩnh vực nghiên cứu gen sinh lý liên quan đến AQPs đã nhanh chóng
mở rộng và đang tiếp tục nở rộ công nghệ mới (bao gồm cả mô hình chuột biến đổi
gen, các dòng tế bào transfected với các biểu hiện ổn định, giải mã bộ gen ung thư,

rất nhiều dự án genome organismal, và hồ sơ thể hiện từ phân tích microarray) báo
cáo sự tham gia của AQPs trong các quá trình sinh học quan trọng và trong điều
kiện bệnh. Các khía cạnh quan trọng của nghiên cứu trong tương lai là việc thiết kế
và phát triển các phương thức trị liệu để chống lại các tác động có hại của việc


thiếu AQPs chức năng trong di truyềnbị thay đổi của con người và được biểu hiện
ra kiểu hình và quy định AQPs trong điều kiện bệnh ở những bệnh nhân.
Sự phân bố rộng của AQP và bảo tồn tiến hóa của gia đình cho thấy rằng
việc kiểm soát thông lượng nước màng là một tính năng quan trọng cho tất cả các
quá trình sinh học để cho phép thích ứng và sự ổn định trong thay đổi môi trường
chất lỏng. Như vậy, việc tiếp tục mở rộng nghiên cứu AQP là khả năng di chuyển
từ khoa học iscoverybased hướng tới thiết kế và thực hiện các phương pháp kiểm
soát dịch bằng cách sử dụng các cơ chế sinh học kênh nước trong nông nghiệp và
bệnh lý của vi sinh vật, và trong điều trị các bệnh của dysregulation chất lỏng ở
bệnh nhân.


Tài liệu tham khảo
1. The Aquaporins – Biochemistry in perspective
2. Protein và tính chống chịu ở thực vật – Trần Thị Phương Liên
3. Franc¸ ois Chaumont*1, Menachem Moshelion*2 and Mark J. Daniels,
2005. Regulation of plant aquaporin activity.
4. Carissa M Krane and Bellamkonda K Kishore, 2003. Aquaporins: the
membrane water channels of the biological world.
5. Peter Agre, David Kozono, 2003. Aquaporin water channels: molecular
mechanisms for human diseases.