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

TIỂU LUẬN SINH HỌC TẾ BÀO“ Aquaporins và vai trò điều hòa sự trao đổi nước của tế bào”Mục lụcA.Đặt vấn đềB.Nội dungI.Lịch sử phát hiệnII.Phân loạiIII.Cấu trúc của AquaporinsIV.Chức năng của Aquaporins1.Ở thực vật2.Ở người và động vậtV.Quá trình điều hòa sự trao đổi nước tế bào của Aquaporins1.Hoạt động của Aquaporins2.Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của AquaporinsC.Kết luận

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”

STT Họ tên Mã SV Lớp

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

sự thay đổi của áp suất thẩm thấu Do tính thấm nước tương đối cao của một số tếbào biểu mô nên nó được nghi ngờ rằng sẽ có một số cơ chế bổ sung cho vậnchuyển nước qua màng phải tồn tại Trong nhiều năm, nhiều nhà nghiên cứu chorằng 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 tửnước 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 cóthể 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)

Ông đã so sánh các tế bào có chứa các protein trong câu hỏi với các tế bào màkhông có nó Khi các tế bào được đặt trong một dung dịch nước, những tế bào cóprotein trong màng của chúng hấp thụ nước bằng cách thẩm thấu và sưng lên trongkhi những tế bào thiếu protein không bị ảnh hưởng gì cả Agre cũng chạy thửnghiệm với màng tế bào nhân tạo, được gọi là liposome , mà là một chất béo đơngiản ràng buộc giọt nước Ông thấy rằng các liposome trở thành thấm nước chỉkhi 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 vàgiải phóng nước, và ông đã cho thấy vận chuyển nước qua túi màng nhân tạo củamình với aquaporin protein đã được ngăn chặn trong cùng một cách bởi thủyngân 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 hếttất cả các cơ thể sống từ vi khuẩn, động vật, thực vật cho đến người AQP thuộccác kênh chuyển chất qua màng như protein lớn thiết yếu – MIP (major intrinsicprotein)

AQP chia thành 3 nhóm chính:

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.

 AQP – protein đặc trách chuyển nước qua màng;

 Aquaglyceroporin – protein chuyển nước và các chất có khối lượng phân tửnhỏ khác;

 Siêu AQP (superquaporin)

AQP nâng cao khả năng thấm của nước qua màng tế bào theo cả hai hướng phụthuộc 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 nhàkhoa 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 nhaunhư 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 nàygiữ vai trò vô cùng đặc biệt trong thận, nơi khoảng 170 lit nước được lọc qua,lạimỗi ngày

Các Aquaporins được nghiên cứu nhiều nhất:

 IMCDAQP3 Thận (basolaterally)

Medullary collecting duct

Tái hấp thu nước vàglycerol thấmAQP4 Thận (basolaterally)

Medullary collecting duct Tái hấp thu nước

III Cấu trúc của Aquaporins

Aquaporin là protein có kích thước nhỏ, từ 26-30 kDa, chuỗi polypeptide dàikhoảng 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 đặctrưng Phân tử AQP cấu tạo từ 6 vùng xoắn α trên màng tế bào ký hiệu là H1 đếnH6 và 5 vòng cuộn interhelica: A, B, C, D và E tính từ đầu N AQP đặc trưng bởihai 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 3A0, còn ở E coli

là 2,2 A0 Những gốc amino acid chính trong việc hình thành kênh chuyển nướcnày là Phe56, Arg195, His180 và Cys189 Khi có nhiều nước, mỗi phân tử AQP cóthể cho phép chuyển 3 x 109 phân tử nước trong một giây

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 hoàntoàn bảo toàn motif asparagine-proline-alanine(NPA), nhưng nó chồng chéo

Cấu trúc tinh thể

của Aquaporin 1

Cấu trúc 3D của Aquaporin

giữa màng lipid của màng tế bào hình thành cấu trúc đồng hồ cát 3D, đó lànơi phân tử nước đi qua.

 Motif NPA và chỗ thắt hẹp thứ hai được gọi là bộ lọc chọn lọc hoặc bộ lọcchọn lọc ar/R

 Aquaporin hình thành bốn phần trong màng tế bào,với mỗi đơnthể(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 khácnhau giữa các Aquaporin Kích thước của lỗ nước ảnh hưởng trực tiếp đếncác phân tử có thể đi qua lỗ nước Với lỗ nước có kích thước nhỏ chỉ chophép những phân tử nhỏ như nước đi qua

Một số nhà nghiên cứu đã xác định một trường tĩnh điện được tạo ra bởi haiAquaporin nửa xoắn HBvà HE là lý do cho sự quay của phân tử nước.những ngườikhác cho rằng nó được gây ra bởi sự tương tác của các liên kết hydro giữa oxy củacác phân tử nước và các asparagine trong hai motif NPA.Đây là lý do tại sao quátrình 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 tửnước và loại trừ các phân tử khác có thể xâm nhập vào lỗ nước Nó là cơ chế màAquaporin có thể chọn lọc liên kết các phân tử nước (do đó cho phép các phân tửnước 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 xoắnB(HB) và E(HE) và hai “cặn” từ vòng lặp E(LE1và LE2), được tìm thấy ở hai bêncủa các motif NPA.Khu vực ar/R thường được tìm thấy về phía tiền sảnh ngoạibào, 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 chophếp nước tương tác với arginine tích điện dương,hoạt động như bộ lọc protontrong lỗ nước

IV Chức năng của Aquaporins

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

Gene HgCl 2

sensitivity

Aquaporins hoặc Aquaglyceroporin

Mô/ Cơ quan

AQP0 không AQP sợi thủy tinh thể của mắt

AQP1 có AQP 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,

Gl đường, cơ xương, cơ tim, cơ trơn.

AQP2 có AQP thận (tế bào cơ bản của ống thu thập và

thu thập ống, đỉnh bề mặt túi subapical), tai

AQP3 có GLP đường hô hấp, phổi, gl đường, não, tai

AQP4 không AQP não (osmoreceptor?) thận (thu thập tế

bào gốc ống basolateral), võng mạc, tai, đường hô hấp, phổi, gl đường, nhanh chóng co giật cơ xuong

AQP5 có AQP tuyến nước bọt, tuyến lệ, đường hô hấp,

phổi, tai, mắt AQP6 có AQP thận (tế bào xen của ống thu thập, các túi

nội bào) AQP7 có GLP 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), đường hô hấp, gan, tuyến nước bọt

AQP9 có GLP Gan, tinh hoàn, tinh trùng, lá lách, não,

bạch cầu AQP10 có AQP tá tràng, hỗng tràng

1 Thực vật

 AQP thường ở lượng lớn và tìm thấy hầu hết trong các loại tế bào AQP ởthực vật thực hiện nhiều chức năng khác nhau có thể do một số nguyênnhân 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 cơchế 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 kiểmsoát này tồn tại ở mọi giai đoạn sinh trưởng và phát triển cá thể cũng như ởcác điều kiện môi trường sống khác nhau.Tế bào thực vật thường có khôngbào lớn để định hình nên cần phải kiểm soát sự cân bằng các chất trong tếbào

 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 sựchay của nước giữa symplast và apoplast Giảm thiểu ảnh hưởng của NtAQP1 ởcây thuốc lá sử dụng kỹ thuật antisense đã làm giảm khả năng dẫn nước ở rễ tới55% so với các cây không được xử lý antisense Do đó, một số cây đã trở nên nhạycảm 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 củaPIP2;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 quátrình 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 cácaquaporin khác nhau đã dẫn tới các kết quả khác nhau bởi vì các biểu hiện củaaquaporin rất phức tạp, và các dạng biểu hiện aquaporin khác nhau có thể làm giảmkhoảng cách phản ứng (Alexandersson, et al 2005) Thực tế, các phản ứng củaaquaporin tới stress nước có thể liên quan tới sự điều hòa biểu hiện gen xuôi hayngược hoặc không có sự thay đổi (Tyerr et al 2002) dựa trên thời gian tồn tại và áplực của stress nước (Galmes et al, 2007) Hơn thế nữa sự khác nhau giữa sự biểuhiện đa dạng của tác động biểu hiện của aquaporin trong trường hợp thích ứng vàkhông thích ứng hạn nước (Lian et al 2004) Ngoài ra aquaporin được biết tới làđóng vai trò trong việc giúp cây để duy trì sự cân bằng nội môi và cân bằng nướctrong điều kiện stress nước Một số bằng chứng gần đây còn chỉ ra aquaporin cóthể liên quan tới sự điều hòa sự quang hợp bằng cách tác động tới sự vận chuyểnCO2 qua áp suất tới lục lạp, các quá trình này một cách gián tiếp đã điều khiển sựcân bằng nước và sự đóng mở khí khổng và một cách trực tiếp qua sự điều hòa sựgiảm 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 sựđiều 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 chiềudọc, 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 dẫnnày được điều khiển bởi aquaporin, đây là cơ chế điều khiển thụ động của dòngnước xylem hoàn toàn phụ thuộc vào aquaporin.Các nghiên cứu về sinh lý trướcđây khẳng định rằng nước đi từ xylem qua các tế bào, chứ không xuyên qua các tếbào vỏ, bởi lẽ khả năng chống chịu của màng không quá cao (Boyer 1974) Gầnđây, Sack, Streeter và Holbrook(2004) đã chỉ là tính chống chịu thủy lực ở lá (R-leaf) bằng cách đo dòng chảy của nước qua lá trước và sau khi cắt các mạch dẫnchính Sau khi thay đổi nhiệt độ, phản ứng lại của R-leaf hơn cả mong đợi từ sựthay 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 dùcòn ít bằng chứng về vấn đề này Siefritz et al (2002) đã phát hiện sự giảm thoáthơi nước dưới stress nước ở NtAQP1 ở cây thuốc lá trong khi so sánh với các câydại 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 hoangdại Arabidopsis và cây có antisense kép với sự suy giảm biểu hiện của PIP1 vàPIP2 Tuy nhiên, cung cấp nước sau khi bị stress nước, các cây thuộc loài hoangdại 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 ởhoa hướng dương, nhưng kết quả nên làm sáng tỏ với cùng một nguyên nhân hơntất cả các xử lý với kim loại nặng Cuối cùng là bằng chứng cho vai trò trực tiếpcủa 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 rarằng aquaporin cần cho việc thiết lập vai trong hoạt động điều hòa sự dẫn truyềnnước 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 quansát 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 vậnđộng của khí khổng, tới nay vẫn chưa được miêu tả cụ thể Mặt khác, sự biểu hiệnđiều hòa tuyến trên của aquaporin và khả năng dẫn nước của xylem xảy ra đồngthời khi sự thoát hơi nước giảm bởi sự đóng khí khổng hoặc bởi sự xuất hiện củachất 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