Akuaporin
Akuaporin, juga disebut saluran air, adalah protein membran integral yang tersusun dari famili besar protein intrinsik mayor yang membentuk pori pada membran sel, terutama memfasilitasi transpor air antarsel. Berbagai membran sel dari bakteri, jamur, hewan, dan tumbuhan berbeda memiliki akuaporin yang menembusnya sehingga air dapat mengalir lebih cepat ke dalam dan ke luar sel dibandingkan dengan berdifusi melalui fosfolipid dwilapis.
Nobel Kimia 2003 dianugrahkan bersama kepada Peter Agre atas penemuan akuaporin dan Roderick MacKinnon atas penelitiannya pada struktur dan mekanisme saluran kalium.
Kerusakan genetik yang melibatkan gen akuaporin telah berkaitan dengan sejumlah penyakit manusia, seperti diabetes insipidus nefrogenik dan optika neuromielitis.
Mekanisme transpor air terfasilitasi dan kemungkinan keberadaan pori air telah menarik peneliti sejak tahun 1957. Pada banyak sel, air berpindah ke dalam dan ke luar dengan osmosis melalui komponen lipid membran sel. Akibat dari permeabilitas air yang relatif tinggi pada beberapa sel epitel, sudah lama dicurigai bahwa terdapat beberapa mekanisme tambahan untuk transpor air melintasi membran. Solomon dan rekannya melakukan penelitian perintis pada permeabilitas air melintasi membran sel pada akhir 1950-an. Pada pertengahan 1960-an, hipotesis alternatif ("model partisi–difusi") berusaha menetapkan bahwa molekul air terpartisi antara fase air dan fase lipid serta kemudian berdifusi melalui membran, melintasinya hingga interfase selanjutnya, meninggalkan lipid dan kembali ke fase air. Penelitian oleh Parisi, Edelman, Carvounis, dan kawan-kawan menekankan tidak hanya pentingnya keberadaan saluran air, tetapi juga kemungkinan untuk meregulasi sifat permeabilitasnya. Pada tahun 1990, eksperimen Verkman mendemonstrasikan ekspresi saluran air fungsional, mengindikasikan bahwa saluran air merupakan protein efektif.
Saluran air belum ditemukan hingga tahun 1992 ketika akuaporin pertama, 'akuaporin-1' (semula dikenal sebagai CHIP 28), dilaporkan oleh Peter Agre, Universitas Johns Hopkins. Pada tahun 1999, bersama dengan tim peneliti lainnya, Agre melaporkan gambar beresolusi tinggi pertama dari struktur tiga-dimensional akuaporin, dinamai, akuaporin-1. Penelitian lanjutan menggunakan simulasi superkomputer mengidentifikasi jalur air ketika berpindah melalui saluran dan mendemonstrasikan bagaimana pori dapat membebaskan air untuk melaluinya tanpa lewatnya zat terlarut kecil. Penelitian perintis yang menyusul penemuan saluran air oleh Agre dan koleganya membuat Agre memenangkan Penghargaan Nobel Kimia pada tahun 2003. Agre mengatakan bahwa ia menemukan akuaporin "secara tidak sengaja." Ia sedang mempelajari antigen golongan darah Rh dan mengisolasi molekul Rh, tetapi molekul kedua sebesar 28 kilodalton (dan oleh sebab itu disebut 28K) tetap muncul. Pada awalnya mereka berpikir bahwa molekul tersebut merupakan fragmen molekul Rh, atau kontaminan, tetapi menjadi jenis molekul baru dengan fungsi yang tidak diketahui. Molekul ini muncul pada struktur seperti tubulus ginjal dan sel darah merah, serta terkait dengan protein asal beragam, seperti pada otak lalat buah, bakteri, lensa mata, dan jaringan tumbuhan.
Akan tetapi, laporan pertama transpor air dimediasi protein melalui membran dilaporkan oleh Gheorghe Benga pada tahun 1986, sebelum publikasi pertama Agre pada topik tersebut. Hal ini menyebabkan kontroversi karena karya Benga cukup diakui oleh Agre maupun Komite Penghargaan Nobel.
Akuaporin merupakan "sistem leding untuk sel". Air berpindah melalui sel dalam jalur terorganisasi, sangat cepat pada jaringan yang memiliki saluran air akuaporin. Bertahun-tahun, ilmuwan berasumsi bahwa air merembes melalui membran sel, dan sebagian air melakukannya. Akan tetapi, pernyataan ini tidak dapat menjelaskan bagaimana air dapat berpindah dengan sangat cepat melalui beberapa sel.
Akuaporin secara selektif menyalurkan molekul air ke dalam dan ke luar sel, sembari mencegah lewatnya ion dan zat terlarut lainnya. Juga dikenal sebagai saluran air, akuaporin merupakan protein pori membran integral. Beberapa di antaranya, dikenal sebagai akuagliseroporin, juga memtranspor molekul terlarut takbermuatan lainnya, termasuk amonia, CO, gliserol, dan urea. Sebagai contoh, saluran akuaporin 3 memiliki pori selebar 8–10 Ångström dan membebaskan lewatnya molekul hidrofilik berkisar antara 150 hingga 200 Da. Akan tetapi, pori air sepenuhnya menghalangi ion, seperti proton, penting untuk melindungi perbedaan potensial elektrokimia membran.
Molekul air melintas melalui pori saluran dalam satu berkas. Keberadaan saluran air meningkatkan permeabilitas membran untuk air. Saluran air ini juga penting untuk sistem transpor air dalan tumbuhan dan toleran terhadap tekanan kekeringan serta garam tinggi.
Protein akuaporin tersusun atas berkas enam heliks-α transmembran. Struktur ini tertanam di dalam membran sel. Ujung amino dan karboksil menghadap ke bagian dalam sel. Belahan amino dan karboksil serupa satu sama lain, tampaknya mengulangi pola nukleotida. Beberapa peneliti meyakini bahwa hal ini tercipta oleh penggandaan gen awal berukuran setengah. Di antara heliks terdapat lima wilayah (A–E) yang menggelung ke dalam atau ke luar membran sel, dua di antaranya hidrofobik (B, E), dengan pola asparagin–prolin–alanin ("motif NPA"). Susunan ini menciptakan bentuk jam pasir tersendiri, membuat saluran air menyempit di bagian tengah dan melebar pada setiap ujungnya.
Tempat lain dan bahkan lebih sempit di dalam saluran adalah "filter selektivitas ar/R", gugusan asam amino yang memungkinkan akuaporin untuk memperbolehkan melintas atau menghalangi secara selektif molekul yang berbeda.
Akuaporin membentuk empat gugus bagian di dalam membran sel, dengan setiap empat monomer berlaku sebagai saluran air. Akuaporin yang berbeda memiliki ukuran saluran air yang berbeda pula, jenis terkecil hanya memungkinkan air yang melintasinya.
Profil sinar-X menunjukkan bahwa akuaporin memiliki dua gerbang berbentuk kerucut. Bentuk jam pasir ini mungkin merupakan hasil dari proses seleksi alam terhadap permeabilitas optimal. Telah ditunjukkan bahwa gerbang kerucut dengan sudut buka yang sesuai memang menyediakan peningkatan besar permeabilitas saluran hidrodinamik.
Saluran akuaporin muncul dalam simulasi yang hanya menyediakan air yang dapat melintas, dengan molekul secara efektif mengantre dalam satu berkas. Dipandu oleh medan listrik lokal akuaporin, oksigen pada setiap molekul air menghandap ke depan ketika masuk, berputar saat setengah jalan, dan meninggalkan akuaporin dengan oksigen menghadap belakang. Mengapa putaran ini terjadi hingga saat ini belum terlalu jelas. Beberapa peneliti mengidentifikasi medan elektrostatik yang dibangkitkan oleh dua setengah-heliks akuaporin HB dan HE sebagai alasannya. Peneliti lain menduga bahwa ikatan hidrogen antara asam amino asparagin dalam dua wilayah NPA dengan oksigen pada air sebagai penyebab putaran. Hal ini tetap belum jelas walaupun perputaran molekul air tidak memiliki signifikansi biologis. Penelitian awal berspekulasi bahwa orientasi "bipolar" molekul air menghalangi aliran proton melalui mekanisme Grotthuss. Penelitian lebih terkini mempertanyakan interpretasi ini dan menekankan penghalang elektrostatik sebagai alasan penghalangan proton. Dalam pandangan terakhir, putaran molekul air hanya merupakan efek samping dari penghalang elektrostatik. Saat ini (2008), asal medan elektrostatik menjadi bahan perdebatan. Sementara beberapa penelitian terutama mempertimbangkan medan listrik dibangkitkan oleh setengah-heliks protein HB dan HE, penelitian lain menekankan efek desolvasi ketika proton memasuki pori akuaporin yang sempit.
Terdapat tigabelas jenis akuaporin yang diketahui pada mamalia, dan enam di antaranya terletak di ginjal, tetapi keberadaan lebih banyak dicurigai. Akuaporin yang paling dipelajari dibandingkan dalam tabel berikut.
Pada tumbuhan, air diserap dari tanah melalui akar dengan melewati korteks menuju jaringan vaskular. Terdapat tiga rute untuk air mengalir di dalam jaringan tersebut, dikenal sebagai lintasan apoplastik, simplastik, dan transelular. Secara khusus, akuaporin ditemukan pada membran vakuola, sebagai tambahan pada membran plasma tumbuhan; lintasan transelular melibatkan transpor air melintasi membran plasma dan vakuola. Ketika akar tumbuhan terpapar dengan raksa klorida, yang diketahui menginhibisi akuaporin, aliran air sangat berkurang walaupun aliran ion tidak demikian, mendukung pandangan bahwa terdapat mekanisme transpor air tersendiri terpisah dari transpor ion: akuaporin.
Sebagai tambahan pemulihan osmolaritas sitosol normal, akuaporin dapat memainkan peran besar dalam pertumbuhan panjang dengan membebaskan pemasukan air ke dalam sel yang mengembang, proses penting untuk menunjang perkembangan tumbuhan.
Akuaporin pada tumbuhan terbagi ke dalam lima subfamili homolog utama, atau kelompok:
Kelima subfamili ini kemudian dibagi ke dalam subkelompok evolusioner lebih kecil berdasarkan sekuens DNA-nya. Kluster PIP dibagi ke dalam dua subkelompok, yaitu PIP1 dan PIP2, sementara kluster TIP dibagi ke dalam lima subkelompok, yaitu TIP1, TIP2, TIP3, TIP4, dan TIP5. Setiap subkelompok dibagi kembali ke dalam isomernya, seperti PIP1;1 dan PIP1;2. Di dalam pemilihan beragam isomer akuaporin pada tumbuhan, terdapat juga pola unik dari ekspresi spesifik sel dan jaringan.
Pembisuan akuaporin tumbuhan telah dikaitkan dengan penurunan konduktansi hidraulik dan fotosintesis daun.
Pemintuan akuaporin melakukan penghentian aliran air melalui pori protein. Tindakan ini mungkin dilakukan atas beberapa alasan, sebagai contoh ketika tumbuhan memiliki jumlah air seluler yang sedikit akibat kekeringan. Pemintuan akuaporin dilakukan oleh interaksi antara mekanisme pemintuan dengan akuaporin, yang menyebabkan perubahan tiga dimensi pada protein sehingga menutup pori dan, kemudian, menolak aliran air melalui pori. Pada tumbuhan, telah dilihat bahwa terdapat setidaknya dua bentuk pemintuan akuaporin. Dua bentuk pemintuan tersebut adalah pemintuan oleh defosforilasi sejumlah residu serin, yang dapat dilihat sebagai respons kekeringan, dan protonasi residu histidin spesifik dalam respons banjir. Fosforilasi akuaporin juga telah dikaitkan dengan pembukaan dan penutupan mahkota bunga dalam respons terhadap temperatur.
Sejumlah bakteri dan banyak organisme lainnya mengekspresikan akuaporin. Akuaporin telah ditemukan pula pada jamur "Saccharomyces cerevisiae" (ragi), "Dictyostelium", "Candida", dan "Ustilago" serta protozoa "Trypanosoma" dan "Plasmodium".
Terdapat dua contoh jelas penyakit teridentifikasi sebagai akibat dari mutasi pada akuaporin:
Sejumlah kecil orang teridentifikasi dengan defisiensi akuaporin-1 parah atau total. Mereka, secara umum, sehat, tetapi menunjukkan kecacatan dalam kemampuan untuk mengonsentrasikan zat terlarut dalam urin dan untuk mengonservasi air ketika kurang meminum air. Tikus dengan delesi bertarget akuaporin-1 juga menunjukkan defisiensi dalam konservasi air akibat ketidakmampuan untuk mengonsentrasi zat terlarut di dalam medula ginjal dengan multiplikasi lawan arus.
Sebagai tambahan atas perannya dalam diabetes insipidus nefrogenik terdeterminasi genetik, akuaporin juga memainkan peran kunci dalam bentuk diabetes insipidus nefrogenik perolehan (gangguan menyebabkan peningkatan produksi urin). Diabetes insipidus nefrogenik perolehan pada tikus dapat menyebabkan terganggunya regulasi akuaporin-2 akibat administrasi garam litium, rendahnya konsentrasi kalium di dalam darah (hipokalemia), dan tingginya konsentrasi kalsium di dalam darah (hiperkalsemia).
Reaksi autoimun menyerang akuaporin 4 pada manusia menghasilkan penyakit Devic. Jika akuaporin dapat dimanipulasi, hal tersebut dapat berpotensi menyelesaikan masalah medis seperti retensi cairan pada penyakit jantung dan edema otak setelah strok.