أكوابورين

الأكوابورينات ، وتُسمى أيضًا قنوات الماء ، هي بروتينات قنوية تنتمي إلى عائلة أكبر من البروتينات الداخلية الرئيسية التي تُشكّل مسامًا في غشاء الخلايا البيولوجية ، وتُسهّل بشكل أساسي نقل الماء بين الخلايا . ^{[ 1 ]} تحتوي أغشية خلايا أنواع مختلفة من البكتيريا والفطريات والخلايا الحيوانية والنباتية على الأكوابورينات . في حين أن الماء يستطيع المرور عبر الطبقة الثنائية للدهون الفوسفورية في غشاء الخلية من خلال الانتشار البسيط ، إلا أن هذه العملية بطيئة نسبيًا لأن الماء جزيء قطبي ؛ تُوفّر الأكوابورينات نقلًا مُيسّرًا ، مما يسمح للماء بالتدفق بسرعة أكبر إلى داخل الخلية وخارجها، وبالتالي زيادة نفاذية غشاء الخلية للماء. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

تحتوي الأكوابورينات على ستة نطاقات حلزونية ألفا عابرة للغشاء ، مع نهايات كربوكسيلية وأمينية على الجانب السيتوبلازمي. تحتوي حلقتان كارهتان للماء على تسلسل محفوظ من الأسباراجين والبرولين والألانين (نمط NPA) ، والذي يشكل برميلًا يحيط بمنطقة مركزية تشبه المسام تحتوي على كثافة بروتينية إضافية. ^{[ 5 ]}

مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2003 بشكل مشترك لبيتر أغري لاكتشافه الأكوابورينات ^{[ 6 ]} ورودريك ماكينون لعمله على بنية وآلية قنوات البوتاسيوم . ^{[ 7 ]}

ارتبطت العيوب الوراثية التي تشمل جينات الأكوابورين بالعديد من الأمراض البشرية، بما في ذلك داء السكري الكاذب الكلوي والتهاب النخاع والعصب البصري . ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

استقطبت آلية النقل المُيسّر للماء، واحتمالية وجود مسامات مائية، اهتمام الباحثين منذ عام 1957. ^{[ 12 ]} في معظم الخلايا، ينتقل الماء داخلها وخارجها عبر الخاصية الأسموزية من خلال المكون الدهني لأغشية الخلايا. ونظرًا لنفاذية الماء العالية نسبيًا في بعض الخلايا الظهارية ، فقد ساد الاعتقاد لفترة طويلة بوجود آلية إضافية لنقل الماء عبر الأغشية. وقد أجرى سولومون وزملاؤه أعمالًا رائدة حول نفاذية الماء عبر غشاء الخلية في أواخر الخمسينيات. ^{[ 13 ] [ 14 ]} في منتصف الستينيات، سعت فرضية بديلة (نموذج "التوزيع والانتشار") إلى إثبات أن جزيئات الماء تتوزع بين الطور المائي والطور الدهني، ثم تنتشر عبر الغشاء، عابرةً إياه حتى تصل إلى الطور البيني التالي حيث تغادر الطور الدهني وتعود إلى الطور المائي. ^{[ 15 ] [ 16 ]} وقد أجرت دراسات باريسي وإيدلمان وكارفونيس وآخرون... لم يقتصر التأكيد على أهمية وجود قنوات الماء فحسب، بل شمل أيضًا إمكانية تنظيم خصائص نفاذيتها. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} في عام 1990، أثبتت تجارب فيركمان التعبير الوظيفي لقنوات الماء، مما يشير إلى أن قنوات الماء هي في الواقع بروتينات. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

لم يُعلن عن أول بروتين أكوابورين، وهو "أكوابورين-1" (المعروف سابقًا باسم CHIP 28)، إلا في عام 1992 على يد بيتر أغري من جامعة جونز هوبكنز . ^{[ 22 ]} وفي عام 1999، نشر أغري، بالتعاون مع فرق بحثية أخرى، أولى الصور عالية الدقة للبنية ثلاثية الأبعاد لبروتين أكوابورين، وهو أكوابورين-1. ^{[ 23 ]} وحددت دراسات لاحقة، باستخدام محاكاة الحواسيب العملاقة، مسار الماء أثناء مروره عبر القناة، وأوضحت كيف يمكن للمسام أن تسمح بمرور الماء دون مرور الجزيئات المذابة الصغيرة. ^{[ 24 ]} وقد حاز أغري وزملاؤه على جائزة نوبل في الكيمياء عام 2003 تقديرًا لأبحاثهم الرائدة واكتشافهم اللاحق لقنوات الماء. ^{[ 7 ]} وقد صرّح أغري بأنه اكتشف الأكوابورينات "بمحض الصدفة". كان يدرس مستضدات فصيلة الدم Rh ، وقد عزل جزيء Rh، لكن جزيئًا ثانيًا، حجمه 28 كيلودالتون (ولذلك يُسمى 28K)، استمر في الظهور. في البداية، ظنوا أنه جزء من جزيء Rh، أو مادة ملوثة، لكن تبين أنه نوع جديد من الجزيئات ذات وظيفة غير معروفة. وُجد هذا الجزيء في تراكيب مثل أنابيب الكلى وخلايا الدم الحمراء، ويرتبط ببروتينات من أصول متنوعة، مثل تلك الموجودة في دماغ ذبابة الفاكهة ، والبكتيريا، وعدسة العين، والأنسجة النباتية. ^{[ 23 ]}

بدأ أغري وزميلان له في جامعة جونز هوبكنز البحث. تتميز بويضات الضفدع الأفريقي (Xenopus laevis) بأغشية مقاومة للماء نسبيًا وتتحمل انخفاض التوتر الأسموزي. تم حقن الحمض النووي الريبوزي المرسال (mRNA) للبروتين 28K في البويضات، مما أدى إلى انتفاخها وتحللها عند دخول الماء. أظهر هذا أن البروتين 28K عبارة عن قناة مائية. ^{[ 25 ]}

مع ذلك، كان أول تقرير عن نقل الماء عبر الأغشية بواسطة البروتينات من قِبل جورج بنغا وآخرين عام 1986، قبل أول منشور لأغري حول هذا الموضوع. ^{[ 26 ] [ 27 ]} وقد أدى ذلك إلى جدل حول عدم تقدير عمل بنغا بشكل كافٍ من قِبل أغري أو لجنة جائزة نوبل. ^{[ 28 ]}

الأكوابورينات هي "نظام نقل الماء في الخلايا". ينتقل الماء عبر الخلايا بطريقة منظمة، وبسرعة فائقة في الأنسجة التي تحتوي على قنوات الأكوابورين المائية. ^{[ 29 ]} لسنوات عديدة، افترض العلماء أن الماء يتسرب عبر غشاء الخلية، وهذا صحيح. مع ذلك، لم يُفسر هذا كيف يمكن للماء أن ينتقل بهذه السرعة عبر بعض الخلايا. ^{[ 29 ]}

تقوم الأكوابورينات بنقل جزيئات الماء بشكل انتقائي من وإلى الخلية، مع منع مرور الأيونات والمواد المذابة الأخرى . تُعرف الأكوابورينات أيضًا باسم قنوات الماء، وهي بروتينات مسامية غشائية متكاملة. بعضها، المعروف باسم الأكواجليسيروبورينات ، ينقل أيضًا جزيئات صغيرة أخرى غير مشحونة مذابة، بما في ذلك الأمونيا وثاني أكسيد الكربون _{والجليسرول} واليوريا . على سبيل المثال، يبلغ عرض مسام قناة الأكوابورين 3 من 8 إلى 10 أنجستروم، وتسمح بمرور الجزيئات المحبة للماء التي يتراوح وزنها الجزيئي بين 150 و200 دالتون . مع ذلك، تحجب مسام الماء الأيونات تمامًا، بما في ذلك البروتونات ، وهو أمر ضروري للحفاظ على فرق الجهد الكهروكيميائي للغشاء . ^{[ 30 ]}

تمر جزيئات الماء عبر مسام القناة بشكل فردي. يزيد وجود قنوات الماء من نفاذية الغشاء للماء. كما أنها ضرورية لنظام نقل الماء في النباتات ^{[ 31 ]} وتحملها للجفاف والإجهاد الملحي ^{[ 32 ]} . ينقل كل مونومر ما يقارب 10⁹ ^جزيء ماء في الثانية ^{[ 33 ] [ 34 ] .}

تتكون بروتينات الأكوابورين من حزمة من ستة حلزونات ألفا عابرة للغشاء . وهي مغروسة في غشاء الخلية. يواجه طرفاها الأميني والكربوكسيلي داخل الخلية. يتشابه نصفا الأميني والكربوكسيلي، حيث يكرران نمطًا من النيوكليوتيدات. ربما يكون هذا النمط قد نشأ عن تضاعف جين كان في السابق نصف حجمه الأصلي. بين الحلزونات توجد خمس مناطق (A-E) تلتف داخل غشاء الخلية أو خارجه، اثنتان منها كارهتان للماء (B، E)، بنمط أسباراجين-برولين-ألانين (نمط NPA). تُشكل هذه المناطق شكل الساعة الرملية المميز، مما يجعل قناة الماء ضيقة في المنتصف وأوسع عند كل طرف. ^{[ 30 ] [ 35 ]}

يوجد في قناة AQP1 موقع آخر، بل وأكثر ضيقًا، وهو "مرشح الانتقائية ar/R"، وهو عبارة عن مجموعة من الأحماض الأمينية التي تُمكّن الأكوابورين من السماح بمرور جزيئات مختلفة أو منع مرورها بشكل انتقائي. ^{[ 36 ]}

تشكل الأكوابورينات تجمعات رباعية (رباعيات) في غشاء الخلية، حيث يعمل كل من المونومرات الأربعة كقناة مائية. وتختلف الأكوابورينات المختلفة في أحجام قنواتها المائية، حيث لا تسمح الأنواع الأصغر منها إلا بمرور الماء. ^{[ 30 ]}

تُظهر صور الأشعة السينية أن قنوات الأكوابورين لها مدخلان مخروطيان. قد يكون هذا الشكل الشبيه بالساعة الرملية ناتجًا عن عملية انتقاء طبيعي نحو النفاذية المثلى. ^{[ 37 ]} وقد ثبت أن المداخل المخروطية ذات زاوية الفتح المناسبة يمكن أن تُسهم بالفعل في زيادة كبيرة في نفاذية القناة الهيدروديناميكية. ^{[ 37 ]}

مرشح انتقائية ar/R

مرشح الانتقائية العطري/ الأرجينين أو "ar/R" عبارة عن مجموعة من الأحماض الأمينية التي تساعد على الارتباط بجزيئات الماء ومنع دخول الجزيئات الأخرى التي قد تحاول الدخول إلى المسام. وهي الآلية التي تمكن الأكوابورين من الارتباط الانتقائي بجزيئات الماء، وبالتالي السماح لها بالمرور ومنع دخول الجزيئات الأخرى. يتكون مرشح ar/R من مجموعتين من الأحماض الأمينية من الحلزونات B (HB) وE (HE) ومجموعتين من الحلقة E (LE1، LE2)، من جانبي وحدة NPA. يقع عادةً على بعد 8 أنغستروم من الجانب الخارجي لوحدة NPA؛ وهو عادةً الجزء الأضيق من القناة. يؤدي ضيقه إلى إضعاف الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء، مما يسمح للأرجينين، الذي يحمل شحنة موجبة، بالتفاعل مع جزيئات الماء وتصفية البروتونات غير المرغوب فيها. ^{[ 40 ]}

تم تحديد العديد من الأمراض على أنها ناتجة عن طفرات في الأكوابورينات:

• تسبب الطفرات في جين الأكوابورين-2 مرض السكري الكاذب الكلوي الوراثي لدى البشر. ^{[ 9 ]}
• تُصاب الفئران المتماثلة الزيجوت لطفرات تعطيلية في جين الأكوابورين-0 بإعتام عدسة العين الخلقي . ^{[ 58 ]}
• تم تشخيص عدد قليل من الأشخاص بنقص حاد أو كامل في بروتين الأكوابورين-1. وهم، بشكل عام، يتمتعون بصحة جيدة، لكنهم يعانون من خلل في قدرتهم على تركيز المواد المذابة في البول والحفاظ على الماء عند حرمانهم من مياه الشرب. ^{[ 59 ] [ 60 ]}
• كما أن الفئران التي تعاني من حذف مستهدف في بروتين أكوابورين-1 تُظهر أيضًا نقصًا في الحفاظ على الماء بسبب عدم القدرة على تركيز المواد المذابة في لب الكلى عن طريق التكاثر المعاكس . ^{[ 61 ]}

تلعب الأكوابورينات دورًا رئيسيًا في الأشكال المكتسبة من داء السكري الكاذب الكلوي ، وهي اضطرابات تُسبب زيادة في إنتاج البول. ^{[ 62 ]} في الجرذان، قد ينجم داء السكري الكاذب الكلوي المكتسب عن خلل في تنظيم الأكوابورين-2 نتيجة تناول أملاح الليثيوم ، وانخفاض تركيز البوتاسيوم في الدم ( نقص بوتاسيوم الدم )، وارتفاع تركيز الكالسيوم في الدم ( فرط كالسيوم الدم ). ^{[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]} أما في البشر، فتُسبب تفاعلات المناعة الذاتية ضد الأكوابورين-4 مرض ديفيك . ^{[ 8 ]}

• أكوابورين-5
• أكوابورين-6
• أكوابورين-7
• أكوابورين-8
• أكوابورين-9

• الأكوابورينات في رؤوس الموضوعات الطبية (MeSH) التابعة للمكتبة الوطنية الأمريكية للطب
• رسوم متحركة ( ملف MPEG على موقع nobel.se)
• مجموعة ديناميكيات الجزيئات الحيوية الحاسوبية. "أفلام وصور الأكوابورين" . معهد ماكس بلانك. مؤرشف من الأصل في 25 أبريل 2006. تم الاطلاع عليه في 23 يناير 2008 .
• مجموعة الفيزياء الحيوية النظرية والحسابية. "بنية وديناميكية ووظيفة الأكوابورينات" . جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين . تاريخ الاسترجاع: 23 يناير 2008 .