Aquaporin
एक्वापोरिन, जिसे जल चैनल भी कहा जाता है, प्रमुख आंतरिक प्रोटीन के एक बड़े परिवार से चैनल प्रोटीन हैं जो जैविक कोशिकाओं की झिल्ली में छिद्र बनाते हैं, जो मुख्य रूप से कोशिकाओं के बीच पानी के परिवहन की सुविधा प्रदान करते हैं। विभिन्न प्रकार के बैक्टीरिया, कवक, पशु और पादप कोशिकाओं की कोशिका झिल्ली में एक्वापोरिन होते हैं जिनके माध्यम से पानी फॉस्फोलिपिड द्विस्तरीय के माध्यम से फैलने की तुलना में कोशिका के अंदर और बाहर अधिक तेजी से बह सकता है। एक्वापोरिन में छह झिल्ली-फैलाने वाले अल्फा हेलिकल डोमेन होते हैं जिनमें साइटोप्लाज्मिक पक्ष पर कार्बोक्जिलिक और एमिनो टर्मिनल दोनों होते हैं। दो हाइड्रोफोबिक लूप में संरक्षित एस्पेराजिन-प्रोलाइन-एलनिन ("एन. पी. ए. मोटिफ") होता है जो एक केंद्रीय छिद्र जैसे क्षेत्र के चारों ओर एक बैरल बनाता है जिसमें अतिरिक्त प्रोटीन घनत्व होता है। क्योंकि एक्वापोरिन आमतौर पर हमेशा खुले होते हैं और लगभग हर प्रकार की कोशिका में प्रचलित होते हैं, यह एक गलत धारणा की ओर ले जाता है कि पानी आसानी से कोशिका झिल्ली से उसके सांद्रता प्रवणता के नीचे से गुजरता है। जल सरल प्रसार के माध्यम से कोशिका झिल्ली से गुजर सकता है क्योंकि यह एक छोटा अणु है, और ऑस्मोसिस के माध्यम से, ऐसे मामलों में जहां कोशिका के बाहर पानी की सांद्रता अंदर की तुलना में अधिक है। हालाँकि, क्योंकि पानी एक ध्रुवीय अणु है, सरल प्रसार की यह प्रक्रिया अपेक्षाकृत धीमी है, और उच्च जल पारगम्यता वाले ऊतकों में अधिकांश पानी एक्वापोरिन से होकर गुजरता है। रसायन विज्ञान में 2003 का नोबेल पुरस्कार संयुक्त रूप से पीटर एग्रे को एक्वापोरिन की खोज के लिए और रॉडरिक मैककिनन को पोटेशियम चैनलों की संरचना और तंत्र पर उनके काम के लिए दिया गया था। एक्वापोरिन जीन से जुड़े आनुवंशिक दोष कई मानव रोगों से जुड़े हुए हैं जिनमें नेफ्रोजेनिक डायबिटीज इनसिपिडस और न्यूरोमाइलाइटिस ऑप्टिका शामिल हैं। सुगम जल परिवहन के तंत्र और पानी के छिद्रों के संभावित अस्तित्व ने 1957 से शोधकर्ताओं को आकर्षित किया है। अधिकांश कोशिकाओं में, कोशिका झिल्ली के लिपिड घटक के माध्यम से परासरण द्वारा पानी अंदर और बाहर जाता है। कुछ उपकला कोशिकाओं की अपेक्षाकृत उच्च जल पारगम्यता के कारण, यह लंबे समय से संदेह था कि झिल्ली में जल परिवहन के लिए कुछ अतिरिक्त तंत्र मौजूद होना चाहिए। सोलोमन और उनके सहकर्मियों ने 1950 के दशक के अंत में कोशिका झिल्ली में पानी की पारगम्यता पर अग्रणी काम किया। 1960 के दशक के मध्य में एक वैकल्पिक परिकल्पना ("विभाजन-प्रसार मॉडल") ने यह स्थापित करने की कोशिश की कि पानी के अणु पानी के चरण और लिपिड चरण के बीच विभाजित हो गए और फिर झिल्ली के माध्यम से फैल गए, इसे अगले इंटरफ़ेज़ तक पार करते हुए जहां उन्होंने लिपिड को छोड़ दिया और एक जलीय चरण में लौट आए। पेरिस, एडलमैन, कारवुनिस आदि द्वारा अध्ययन। उन्होंने न केवल जल चैनलों की उपस्थिति के महत्व पर जोर दिया, बल्कि उनके पारगम्यता गुणों को विनियमित करने की संभावना पर भी जोर दिया। 1990 में, वर्कमैन के प्रयोगों ने जल चैनलों की कार्यात्मक अभिव्यक्ति का प्रदर्शन किया, जो दर्शाता है कि जल चैनल प्रभावी रूप से प्रोटीन हैं। खोज यह 1992 तक नहीं था कि पहला एक्वापोरिन, 'एक्वापोरिन-1' (मूल रूप से चिप 28 के रूप में जाना जाता है), जॉन्स हॉपकिन्स विश्वविद्यालय के पीटर एग्रे द्वारा रिपोर्ट किया गया था। 1999 में, अन्य शोध दलों के साथ, एग्रे ने एक एक्वापोरिन की त्रि-आयामी संरचना, अर्थात् एक्वापोरिन-1 की पहली उच्च-रिज़ॉल्यूशन छवियों की सूचना दी। सुपर कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके आगे के अध्ययनों ने पानी के मार्ग की पहचान की क्योंकि यह चैनल के माध्यम से आगे बढ़ता है और प्रदर्शित करता है कि कैसे एक छिद्र पानी को छोटे विलेय के मार्ग के बिना गुजरने की अनुमति दे सकता है। अग्रे और उनके सहयोगियों द्वारा जल चैनलों के अग्रणी अनुसंधान और बाद की खोज ने 2003 में रसायन विज्ञान में अग्रे को नोबेल पुरस्कार जीता। अग्रे ने कहा कि उन्होंने एक्वापोरिन की खोज "आकस्मिकता से" की। वह आरएच रक्त समूह के प्रतिजनों का अध्ययन कर रहे थे और आरएच अणु को अलग कर दिया था, लेकिन एक दूसरा अणु, आकार में 28 किलोडाल्टन (और इसलिए 28के कहा जाता है) दिखाई देता रहा। पहले तो उन्होंने सोचा कि यह एक आरएच अणु टुकड़ा, या एक संदूषक था, लेकिन यह अज्ञात कार्य के साथ एक नए प्रकार का अणु निकला। यह गुर्दे की नलिकाओं और लाल रक्त कोशिकाओं जैसी संरचनाओं में मौजूद था, और विभिन्न मूल के प्रोटीन से संबंधित था, जैसे कि फल मक्खी के मस्तिष्क, बैक्टीरिया, आंख के लेंस और पौधे के ऊतक। हालाँकि झिल्ली के माध्यम से प्रोटीन-मध्यस्थ जल परिवहन की पहली रिपोर्ट 1986 में घिओर्गे बेंगा और अन्य लोगों द्वारा इस विषय पर अग्रे के पहले प्रकाशन से पहले की गई थी। इसने एक विवाद को जन्म दिया कि बेंगा के काम को अग्रे या नोबेल पुरस्कार समिति द्वारा पर्याप्त रूप से मान्यता नहीं दी गई थी। फंक्शन एक्वापोरिन "कोशिकाओं के लिए नलसाजी प्रणाली" हैं। जल एक संगठित तरीके से कोशिकाओं के माध्यम से चलता है, सबसे तेजी से उन ऊतकों में जिनमें एक्वापोरिन जल चैनल होते हैं। कई वर्षों तक, वैज्ञानिकों ने माना कि कोशिका झिल्ली के माध्यम से पानी का रिसाव होता है, और कुछ पानी होता है। हालाँकि, यह नहीं बताया गया कि पानी कुछ कोशिकाओं के माध्यम से इतनी तेज़ी से कैसे आगे बढ़ सकता है। आयनों और अन्य विलायकों के पारित होने को रोकते हुए एक्वापोरिन चुनिंदा रूप से कोशिका के अंदर और बाहर पानी के अणुओं का संचालन करते हैं। जल चैनलों के रूप में भी जाना जाता है, एक्वापोरिन अभिन्न झिल्ली छिद्र प्रोटीन हैं। उनमें से कुछ, जिन्हें एक्वाग्लिसरोपोरिन के रूप में जाना जाता है, अमोनिया, CO2, ग्लिसरॉल और युरिया सहित अन्य छोटे बिना चार्ज वाले घुलनशील अणुओं का भी परिवहन करते हैं। उदाहरण के लिए, एक्वापोरिन 3 चैनल में 8-10 Ångstroms की छिद्र चौड़ाई होती है और यह 150 और 200 Da के बीच के हाइड्रोफिलिक अणुओं के पारित होने की अनुमति देता है। हालांकि, पानी के छिद्र प्रोटॉन सहित आयनों को पूरी तरह से अवरुद्ध कर देते हैं, जो झिल्ली के विद्युत रासायनिक क्षमता अंतर को संरक्षित करने के लिए आवश्यक है। जल के अणु एकल फाइल में चैनल के छिद्र से गुजरते हैं। जल वाहिनियों की उपस्थिति पानी के लिए झिल्ली पारगम्यता को बढ़ाती है। ये पौधों में जल परिवहन प्रणाली और सूखे और नमक के दबाव के प्रति सहिष्णुता के लिए भी आवश्यक हैं। संरचना एक्वापोरिन प्रोटीन छह ट्रांसमेम्ब्रेन α-हेलिक्स के एक बंडल से बने होते हैं। वे कोशिका झिल्ली में अंतर्निहित होते हैं। अमीनो और कार्बोक्सिल के छोर कोशिका के अंदर की ओर होते हैं। एमिनो और कार्बोक्सिल आधे भाग एक दूसरे से मिलते-जुलते हैं, जाहिरा तौर पर न्यूक्लियोटाइड्स के एक पैटर्न को दोहराते हैं। यह पहले के आधे आकार के जीन के दोगुने होने से बनाया गया हो सकता है। हेलिक्स के बीच पाँच क्षेत्र (ए-ई) होते हैं जो कोशिका झिल्ली के अंदर या बाहर घूमते हैं, उनमें से दो हाइड्रोफोबिक (बी, ई), एक एस्पेराजिन-प्रोलाइन-एलनिन ("एन. पी. ए. मोटिफ") पैटर्न के साथ होते हैं। वे एक विशिष्ट घंटे के गिलास का आकार बनाते हैं, जिससे पानी का चैनल बीच में संकीर्ण और प्रत्येक छोर पर चौड़ा हो जाता है। एक्यूपी1 चैनल में एक और और संकीर्ण स्थान "एआर/आर चयनात्मकता फिल्टर" है, जो अमीनो एसिड का एक समूह है जो एक्वापोरिन को चुनिंदा रूप से विभिन्न अणुओं के मार्ग को जाने या अवरुद्ध करने में सक्षम बनाता है। एक्वापोरिन कोशिका झिल्ली में चार-भाग समूहों (टेट्रामर) का निर्माण करते हैं, जिसमें चार मोनोमर्स में से प्रत्येक जल चैनल के रूप में कार्य करता है। विभिन्न एक्वापोरिन में अलग-अलग आकार के जल चैनल होते हैं, सबसे छोटे प्रकार जो पानी के अलावा कुछ भी नहीं देते हैं। एक्स-रे प्रोफाइल से पता चलता है कि एक्वापोरिन में दो शंक्वाकार प्रवेश द्वार होते हैं। यह घंटे के गिलास का आकार इष्टतम पारगम्यता की दिशा में एक प्राकृतिक चयन प्रक्रिया का परिणाम हो सकता है। यह दिखाया गया है कि उपयुक्त उद्घाटन कोण वाले शंक्वाकार प्रवेश द्वार वास्तव में हाइड्रोडायनामिक चैनल पारगम्यता में बड़ी वृद्धि प्रदान कर सकते हैं। एन. पी. ए. मोटिफ एक्वापोरिन चैनल केवल पानी को गुजरने देने के लिए सिमुलेशन में दिखाई देते हैं, क्योंकि अणु प्रभावी रूप से एकल फ़ाइल में कतार में खड़े होते हैं। एक्वापोरिन के स्थानीय विद्युत क्षेत्र द्वारा निर्देशित, प्रत्येक जल अणु में ऑक्सीजन प्रवेश करते समय आगे की ओर होती है, लगभग आधे रास्ते से घूमती है और ऑक्सीजन के पीछे की ओर होती है। चैनल के दो हिस्सों में विपरीत-सामना इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षमता की व्यवस्था प्रोटॉन के प्रवाह को रोकती है लेकिन पानी को स्वतंत्र रूप से गुजरने की अनुमति देती है। एआर/आर चयनात्मकता फिल्टर सुगंधित/आर्जिनिन या "एआर/आर" चयनात्मकता फिल्टर अमीनो एसिड का एक समूह है जो पानी के अणुओं से जुड़ने में मदद करता है और अन्य अणुओं को बाहर करता है जो छिद्र में प्रवेश करने का प्रयास कर सकते हैं। यह वह तंत्र है जिसके द्वारा एक्वापोरिन चुनिंदा रूप से पानी के अणुओं को बांधने में सक्षम होता है और इसलिए उन्हें अनुमति देता है, और अन्य अणुओं को प्रवेश करने से रोकता है। ए. आर./आर. फिल्टर हेलिक्स बी (एच. बी.) और ई (एच. ई.) से दो एमिनो एसिड समूहों और एन. पी. ए. मोटिफ के दोनों तरफ से लूप ई (एल. ई. 1, एल. ई. 2) से दो समूहों से बना है। एन. पी. ए. मोटिफ के बाहरी हिस्से में इसकी सामान्य स्थिति 8 Å है; यह आम तौर पर चैनल का सबसे कड़ा हिस्सा होता है। इसकी संकीर्णता पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बंधन को कमजोर कर देती है, जिससे आर्जिनिन, जो एक सकारात्मक चार्ज ले जाते हैं, पानी के अणुओं के साथ बातचीत करने और अवांछनीय प्रोटॉनों को फ़िल्टर करने में सक्षम होते हैं। स्तनधारियों में वर्गीकरण वितरण स्तनधारियों में तेरह ज्ञात प्रकार के एक्वापोरिन हैं; इनमें से छह गुर्दे में स्थित हैं, लेकिन कई और के अस्तित्व का संदेह है। सबसे अधिक अध्ययन किए गए एक्वापोरिन की तुलना निम्नलिखित तालिका में की गई हैः पौधों में, पानी मिट्टी से जड़ों के माध्यम से लिया जाता है, जहां यह प्रांतस्था से संवहनी ऊतकों में जाता है। इन ऊतकों में पानी के प्रवाह के लिए तीन मार्ग हैं, जिन्हें एपोप्लास्टिक, सिंप्लास्टिक और ट्रांससेलुलर मार्ग के रूप में जाना जाता है। विशेष रूप से, एक्वापोरिन पौधों की प्लाज्मा झिल्ली के अलावा वैक्यूलर झिल्ली में पाए जाते हैं; ट्रांससेलुलर मार्ग में प्लाज्मा और वैक्यूलर झिल्ली में पानी का परिवहन शामिल है। जब पौधों की जड़ें मरक्यूरिक क्लोराइड के संपर्क में आती हैं, जो एक्वापोरिन को रोकने के लिए जाना जाता है, तो पानी का प्रवाह बहुत कम हो जाता है जबकि आयनों का प्रवाह नहीं होता है, इस दृष्टिकोण का समर्थन करते हुए कि आयनों के परिवहन से स्वतंत्र जल परिवहन के लिए एक तंत्र मौजूद हैः एक्वापोरिन। एक्वापोरिन विस्तारित कोशिकाओं में पानी के प्रवाह की अनुमति देकर विस्तार विकास में एक प्रमुख भूमिका निभा सकते हैं-एक प्रक्रिया जो पौधे के विकास को बनाए रखने के लिए आवश्यक है। पादप एक्वापोरिन खनिज पोषण और आयन निर्विषीकरण के लिए महत्वपूर्ण हैं; ये दोनों बोरॉन जैसे खनिजों के होमियोस्टेसिस के लिए आवश्यक हैं। पौधों में एक्वापोरिन को चार मुख्य समरूप उप-परिवारों या समूहों में विभाजित किया जाता हैः प्लाज्मा झिल्ली आंतरिक प्रोटीन (पी. आई. पी.) टोनोप्लास्ट आंतरिक प्रोटीन (टी. आई. पी.) नोडुलिन-26 जैसे आंतरिक प्रोटीन (एन. आई. पी.) छोटे बुनियादी आंतरिक प्रोटीन (एस. आई. पी.) इन पांच उप-परिवारों को बाद में उनके डी. एन. ए. अनुक्रम के आधार पर छोटे विकासवादी उप-समूहों में विभाजित किया गया है। पी. आई. पी. दो उपसमूहों, पी. आई. पी. 1 और पी. आई. पी. 2 में क्लस्टर होते हैं, जबकि टी. आई. पी. 5 उपसमूहों, टी. आई. पी. 1, टी. आई. पी. 2, टी. आई. पी. 3, टी. आई. पी. 4 और टी. आई. पी. 5 में क्लस्टर होते हैं। प्रत्येक उपसमूह को फिर से समरूपों में विभाजित किया जाता है जैसे पी. आई. पी1; 1, पी. आई. पी. 1; 2। चूंकि समरूपों के नामकरण ऐतिहासिक रूप से विकासात्मक मानकों के बजाय कार्यात्मक मानकों पर आधारित हैं, इसलिए विभिन्न जलवाष्पों के बीच विकासवादी संबंधों के अध्ययन के साथ पादप जलवाष्पों पर कई नए प्रस्ताव उत्पन्न हुए हैं। पौधों में एक्वापोरिन आइसोफॉर्म के विभिन्न चयन के भीतर, कोशिका और ऊतक-विशिष्ट अभिव्यक्ति के अद्वितीय पैटर्न भी हैं। जब पौधे के एक्वापोरिन को शांत किया जाता है, तो पत्ते की हाइड्रोलिक चालकता और प्रकाश संश्लेषण कम हो जाता है। जब पादप एक्वापोरिन का गैटिंग होता है, तो यह प्रोटीन के छिद्र के माध्यम से पानी के प्रवाह को रोकता है। यह विभिन्न कारणों से हो सकता है, उदाहरण के लिए जब सूखे के कारण पौधे में सेलुलर पानी की मात्रा कम होती है। एक एक्वापोरिन का गेटिंग एक गेटिंग तंत्र और एक्वापोरिन के बीच एक बातचीत द्वारा किया जाता है, जो प्रोटीन में 3 डी परिवर्तन का कारण बनता है ताकि यह छिद्र को अवरुद्ध कर सके और इस प्रकार, छिद्र के माध्यम से पानी के प्रवाह को रोक सके। पौधों में, एक्वापोरिन गेटिंग के कम से कम दो रूप होते हैंः सूखे की प्रतिक्रिया में कुछ सेरीन अवशेषों के डीफॉस्फोराइलेशन द्वारा गेटिंग, और बाढ़ की प्रतिक्रिया में विशिष्ट हिस्टिडीन अवशेषों का प्रोटोनेशन। एक एक्वापोरिन का फॉस्फोराइलेशन तापमान के जवाब में पंखुड़ियों के खुलने और बंद होने में शामिल है। हेटेरोकॉन्ट्स में विशिष्ट एक्वापोरिन जिन्हें लार्ज इंट्रिनसिक प्रोटीन (एल. आई. पी.) कहा जाता है, हेटेरोकॉन्ट्स में पाए गए हैं, जिनमें डायटम और ब्राउन शैवाल शामिल हैं। एल. आई. पी. में अधिकांश एम. आई. पी. के दूसरे संरक्षित एन. पी. ए.-मोटिफ के स्थान पर एक एन. पी. एम.-मोटिफ होता है। अन्य जीवों में एक्वापोरिन की खोज कवक सैक्रोमाइसेस सेरेविसिया (खमीर), डिक्टियोस्टेलियम, कैंडिडा और उस्टिलागो और प्रोटोजोआ ट्राइपानोसोमा और प्लाज्मोडियम में की गई है। नैदानिक महत्व एक्वापोरिन में उत्परिवर्तन के परिणामस्वरूप पहचाने जाने वाले रोगों के दो स्पष्ट उदाहरण हैंः एक्वापोरिन-2 जीन में उत्परिवर्तन मनुष्यों में वंशानुगत नेफ्रोजेनिक मधुमेह इन्सिपिडस का कारण बनता है, जबकि एक्वापोरिन-0 जीन में उत्परिवर्तन को निष्क्रिय करने के लिए सजातीय चूहों में जन्मजात मोतियाबिंद विकसित होता है। एक्वापोरिन-1 में गंभीर या पूर्ण कमी वाले लोगों की एक छोटी संख्या की पहचान की गई है। वे, सामान्य रूप से, स्वस्थ होते हैं, लेकिन मूत्र में विलेय को केंद्रित करने और पीने के पानी से वंचित होने पर पानी को संरक्षित करने की क्षमता में एक दोष प्रदर्शित करते हैं। एक्वापोरिन-1 में लक्षित विलोपन वाले चूहे भी प्रतिप्रवाह गुणन द्वारा गुर्दे के मेडुला में विलेय को केंद्रित करने में असमर्थता के कारण जल संरक्षण में कमी प्रदर्शित करते हैं। एक्वापोरिन नेफ्रोजेनिक मधुमेह इन्सिपिडस के अधिग्रहित रूपों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, विकार जो मूत्र उत्पादन में वृद्धि का कारण बनते हैं। एक्वापोरिन 2 को वैसोप्रेसिन द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जो कोशिका-सतह रिसेप्टर से बंधे होने पर, सीएएमपी संकेत मार्ग को सक्रिय करता है। इसके परिणामस्वरूप एक्वापोरिन-2 में पुटिकाएँ होती हैं जो जल ग्रहण को बढ़ाती हैं और परिसंचरण में लौट आती हैं। एक्वापोरिन 2 वैसोप्रेसिन रिसेप्टर का उत्परिवर्तन अधिग्रहित मधुमेह इन्सिपिडस का कारण है। चूहों में, अधिग्रहित नेफ्रोजेनिक मधुमेह इन्सिपिडस लिथियम लवणों के प्रशासन, रक्त में कम पोटेशियम सांद्रता (हाइपोकेलेमिया) और रक्त में उच्च कैल्शियम सांद्रता (हाइपरकैल्सेमिया) के कारण एक्वापोरिन-2 के बिगड़े हुए विनियमन का कारण बन सकता है। मनुष्यों में एक्वापोरिन 4 के खिलाफ ऑटोइम्यून प्रतिक्रियाएं डेविक रोग पैदा करती हैं। यदि एक्वापोरिन में हेरफेर किया जा सकता है, तो यह संभावित रूप से हृदय रोग में द्रव प्रतिधारण और स्ट्रोक के बाद मस्तिष्क शोफ जैसी चिकित्सा समस्याओं को हल कर सकता है। संदर्भ बाहरी लिंक एनिमेशन (nobel.se पर MPEG फ़ाइल) इंटीग्रल मेम्ब्रेन प्रोटीन बायोलॉजी ऑफ बाइपोलर डिसऑर्डर