Acuaporina

As acuaporinas son un tipo de proteínas integrais de membrana pertencentes a unha gran familia de proteínas intrínsecas maiores que forman poros da membrana das células biolóxicas, que funcionan principalmente facilitando o transporte de auga entre as células. As membranas celulares de diversas bacterias, fungos, animais e plantas conteñen acuaporinas, por medio das cales a auga pode fluír máis rapidamente cara a dentro e fóra da célula que por difusión a través da bicapa fosfolipídica. As acuaporinas posúen seis dominios de hélice alfa que se estenden pola membrana que teñen tanto o extremo carboxílico coma o amino no lado citoplasmático. Dous bucles hidrófobos da proteína conteñen o motivo NPA asparaxina-prolina-alanina conservado. Como a canle da acuaporina está normalmente aberta e está presente en practicamente todos os tipos celulares, causa que a auga pase case sempre a favor do seu gradiente de concentración. Isto leva á confusión de pensar que a auga pasa doadamente atravesando a membrana plasmática a favor de gradiente de concentración. Isto non é certo porque só as substancias non polares poden difundir directamente de forma libre a través da bicapa lipídica.

O Premio Nobel de Química de 2003 foi concedido conxuntamente a Peter Agre polo descubrimento das acuaporinas e a Roderick MacKinnon polo seu descubrimento da estrutura e mecanismo das canles de potasio.

Os defectos xenéticos que afectan aos xenes de acuaporinas foron asociados con varias doenzas humanas como a diabetes insípida nefroxénica e a neuromielite óptica.

 Historia 

O mecanismo do transporte facilitado de auga e a probable existencia de poros acuosos interesou aos investigadores desde 1957. Na maioría das células a auga móvese cara a dentro e fóra por osmose a través dos compoñentes lipídicos da membrana celular. Debido á relativamene alta permeabilidade á auga dalgunhas células epiteliais, sospeitábase desde había tempo que debía existir algún mecanismo adicional para o transporte de auga a través da membrana. Solomon e os seus colaboradores realizaron traballos pioneiros sobre a permeabilidade da auga a través das membranas a finais da década de 1950. Na metade da década de 1960 unha hipótese alternativa (o "modelo de partición–difusión") tratou de establecer que as moléculas de auga se particionaban entre a fase acuosa e a fase lipídica e despois difundían a través da membrana, cruzándoa ata a seguinte interfase, onde abandonaban a fase lipídica e volvían á fase acuosa. Estudos feitos por Parisi, Edelman, Carvounis et al. acrecentaron non só a importancia da presenza de canles acuosas senón tamén a posibilidade de regular as súas propiedades de permeabilidade. En 1990, os experimentos de Verkman demostraron a expresión funcional de canles acuosas, indicando que as canles acuosas eran realmente proteínas.

 Descubrimento 

En 1992 informouse do descubrimento da primeira acuaporina, a 'acuaporina 1' (chamada orixinalmente CHIP 28), realizado por Peter Agre da Universidade Johns Hopkins. En 1999, xunto con outros equipos de investigadores, Agre informou da obtención das primeiras imaxes de alta resolución da estrutura tridimensional dunha acuaporina, a acuaporina 1. Outros estudos que utilizaron simulacións de supercomputadoras identificaron a vía de auga a medida que atravesaba a canle e demostraron como un poro pode permitir o paso de auga sen que pasen á vez pequenos solutos. A investigación pioneira e o subseguinte descubrimento de canles acuosas por Agre e os seus colegas fíxolle a Agre gañar o Premio Nobel de Química de 2003. Agre dixo que descubrira as acuaporinas "por sorte" (serendipity). Estivera estudando os antíxenos do grupo sanguíneo Rh e illara a molécula Rh, pero tamén aparecía unha segunda molécula, de 28 kDa de tamaño (polo que se chamou 28K). Ao principio pensaron que era un fragmento da molécula Rh, ou un contaminante, pero resultou ser un novo tipo de molécula de función descoñecida. Estaba presente en estruturas como os túbulos renais e glóbulos vermellos, e relacionada con proteínas de diversa orixe, como algunhas do cerebro de mosca do vinagre, bacterias, o cristalino do ollo e tecidos de plantas.

Porén, o primeiro informe sobre o transporte de auga mediado por proteínas a través das membranas foi de Gheorghe Benga en 1986, antes da primeira publicación de Agre sobre o asunto. Isto creou unha controversia sobre se os traballos de Benga non foran debidamente recoñecidos nin por Agre nin polo Comité do Premio Nobel.

 Función 

miniatura|Ilustración dunha molécula de acuaporina

As acuaporinas son "o sistema de fontanería das células". A auga móvese a través das células de maneira organizada, máis rapidamente en tecidos que teñen canles acuosas de acuaporina. Durante moitos anos, os científicos asumiron que a auga se filtraba pola membrana celular e parecía que parte da auga así o facía. Porén, isto non explicaba como a auga podía moverse tan rapidamente a través dalgunhas células.A Conversation With Peter Agre: Using a Leadership Role to Put a Human Face on Science, de Claudia Dreifus, New York Times, January 26, 2009

As acuaporinas conducen selectivamente moléculas de auga dentro e fóra da célula, mentres que impiden o paso de ións e outros solutos. As acuaporinas, tamén coñecidas como canles acuosas, son proteínas de poros integrais de membranas. Algunhas delas, coñecidas como acuagliceroporinas, tamén transportan outras moléculas pequenas disoltas non cargadas, como o amoníaco, CO2, glicerol e urea. Por exemplo, a canle acuaporina 3 ten unha anchura de poro de 8 a 10 ángstroms e permite o paso de moléculas hidrófilas de entre 150 e 200 Da. Porén, os poros acuosos bloquean completamente ións incluíndo protóns, esenciais para conservar a diferenza de potencial electroquímico da membrana.

As moléculas de auga atravesan polos poros da canle en fila india. A presenza de canles de auga incrementa a permeabilidade de membrana para a auga. Son tamén esenciais para o sistema de transporte de auga en plantas e a tolerancia á seca e estrés salino.

 Estrutura 

miniatura|300px|Diagrama esquemático da estrutura 2D da acuaporina 1 (AQP1) mostrando as súas seis hélices transmembrana e as cinco rexións bucle interhélices A-E
miniatura|300px|Estrutura 3D da acuaporina Z salientando a canle acuosa con forma de 'reloxio de area' que atravesa o centro da proteína

As proteínas acuaporinas están compostas por un feixe de seis hélices α transmembrana. Están incrustadas na membrana plasmática. Os extremos carboxilo terminal e amino terminal están ambos na parte interna da célula. As metades amino e carboxilo son moi similares, aparentemente cun padrón de nucleótidos repetidos. Algúns investigadores cren que isto foi o resultado da duplicación dun xene inicialmente coa metade do tamaño. Entre as hélices hai cinco rexións (A – E) que forman bucles dentro e fóra da membrana plasmática, dúas delas hidrófobas (B, E), cun padrón de asparaxina–prolina–alanina ("motivo NPA"). Adoptan unha forma distintiva de reloxo de area, facendo que a canle acuosa sexa estreita no medio e máis ancha en cada extremo.

Outra parte aínda máis estreita da canle é o "filtro de selectividade ar/R", un grupo de aminoácidos que permiten que a acuaporina permita ou bloquee selectivamente o paso de diferentes moléculas.

As acuaporinas forman tetrámeros na membrana, e cada monómero actúa como canle acuosa. As diferentes acuaporinas teñen un distinto tamaño de canle acuosa, e os tipos máis pequenos só permiten o paso de auga e máis nada.

Os perfís de raios X mostran que as acuaporinas teñen dúas entradas cónicas. Esta forma de reloxo de area podería ser o resultado dun proceso de selección natural cara a unha permeabilidade óptima. Mostrouse que as entradas cónicas cun ángulo de apertura axeitado poden proporcionar un grande incremento na permeabilidade hidrodinámica da canle.

 Motivo NPA 

As canles de acuaporina nas simulacións parecen permitir unicamente o paso de moléculas de auga, xa que as moléculas pasan unha por unha en fila india. O oxíxeno de cada molécula de auga, guiado polo camo eléctrico local da acuaporina, é o que pasa por diante cando a auga entra, pero a medio camiño a molécula dáse a volta a medida que pasa e o oxíxeno queda mirando cara a atrás. Non está claro por que ocorre esta rotación. Algúns investigadores identificaron un campo electrostático xerado polas dúas medias hélices HB e HE da acuaporina que podería ser a explicación. Outros suxeriron que os enlaces de hidróxeno entre o aminoácido asparaxina nas dúas rexións NPA e o oxíxeno da auga causan a rotación. Aínda non está claro se a rotación das moléculas de auga ten un significado biolóxico. Os estudos iniciais especulaban sobre que a orientación "bipolar" das moléculas de auga bloquean o fluxo de protóns por medio do mecanismo de Grotthuss. Estudos máis recentes cuestionaron esta interpretación e poñen a énfase na barreira electrostática como razón do bloqueo de protóns. Nesta nova interpretación, a rotación das moléculas de auga é só un efecto colateral da barreira electrostática. Actualmente (en 2008), a orixe do campo electrostático é un asunto debatido. Mentres que algúns estudos céntranse principalmente no campo eléctrico é xerado polas medias hélices HB e HE da proteína, outros enfatizan os efectos de desolvatación a media que o protón entra no estreito poro da acuaporina.

 Filtro de selectividade ar/R 

miniatura|300px|Representación esquemática do movemento da auga a través do estreito filtro de selectividade da canle da acuaporina
O filtro de selectividade aromático/arxinina ou "ar/R" é un agrupamento de aminoácidos que axudan a unir moléculas de auga e excluír outras moléculas que poden tratar de entrar no poro. É un mecanismo polo cal a acuaporina pode unirse selectivamente a moléculas de auga (permitindo así que pasen ao seu través) e impide a entrada doutras moléculas. O filtro ar/R está constituído por dous grupos de aminoácidos pertencentes ás hélices B (HB) e E (HE) e dous grupos do bucle E (LE1, LE2), a ambos os lados do motivo NPA. A súa posición normal está a 8 Å no lado externo do motivo NPA; é tipicamente a parte máis apertada da canle. A súa estreiteza debilita os enlaces de hidróxeno entre as moléculas de auga, permitindo que as arxininas, que teñen carga positiva, interaccionen coas moléculas de auga para filtrar os protóns indesexables.Jochen S. Hub e Bert L. de Groot. Mechanism of selectivity in aquaporins and aquaglyceroporins. PNAS 29 de xaneiro de 2008, 105 (4) 1198-1203; Abul Kalam Azadab, Naoki Yoshikawaa, Takahiro Ishikawaa, Yoshihiro Sawaa, HitoshiS hibataa. Substitution of a single amino acid residue in the aromatic/arginine selectivity filter alters the transport profiles of tonoplast aquaporin homologs. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes
Volume 1818, Número 1, xaneiro de 2012, Páxinas 1-11. 

 Distribución entre as especies 

 En mamíferos 
Coñécense trece tipos de acuaporinas en mamíferos, e seis deles están localizadas nos riles, pero sospéitase da existencia de moitas máis. As acuaporinas máis estudadas compáranse na seguinte táboa:

TipoLocalizaciónUnless else specified in table boxes, then ref is:  Page 842FunciónAcuaporina 1 ril (apical)
 túbulo contorneado proximal
 túbulo recto proximal
 asa de Henle descendente delgada Reabsorción da augaAcuaporina 2 ril (apical)
 túbulo conector
 conduto colector cortical
 conduto colector medular externo
 conduto colector medular interno Reabsorción de auga en resposta a ADHAcuaporina 3 ril (basolateral)
 túbulo conector
 conduto colector cortical
 conduto colector medular externo Reabsorción de auga e permeabilidade ao glicerolAcuaporina 4 ril (basolateral)
 conduto colector medular interno Reabsorción de auga

 En plantas 

As plantas captan a auga do chan polas raíces, desde onde pasa ao córtex e aos tecidos vasculares (xilema). Hai tres rutas polas que a auga flúe cara a eses tecidos, chamadas vías apoplástica, simplástica e transcelular. Nas plantas, as acuaporinas encóntranse non só na membrana plasmática, senón tamén na membrana vacuolar. A vía transcelular consiste no transporte de auga a través das membranas plasmática e vacuolar. Cando as raíces das plantas son expostas ao cloruro mercúrico, que inhibe as acuaporinas, o fluxo de auga vese grandemente reducido, pero o fluxo de ións non, o que apoia a idea de que teñen un mecanismo para o transporte de auga independente do transporte de ións, que son as acuaporinas.

Ademais do mantemento dunha osmolaridade normal no citosol, as acuaporinas poden desempeñar un importante papel no crecemento por expansión ao permitir un influxo de auga nas células en expansión, un proceso necesario para soster o desenvolvemento da planta.

As acuaporinas das plantas son tamén importantes para a nutrición de minerais e a detoxificación de ións esencial para a homeostase do boro, silicio, arsénico e bicarbonato.Namiki Mitani-Ueno, Naoki Yamaji, Fang-Jie Zhao, Jian Feng Ma. The aromatic/arginine selectivity filter of NIP aquaporins plays a critical role in substrate selectivity for silicon, boron, and arsenic. J Exp Bot. 2011 Aug; 62(12): 4391–4398. Published online 2011 May 16. doi: 10.1093/jxb/err158
PMCID: PMC3153687. PMID 21586431

As acuaporinas en plantas son divididas en cinco subfamilias principais de homólogos, ou grupos, que son:
 Proteína intrínseca da membrana plasmática (PIP)
 Proteína intrínseca do tonoplasto (TIP)
 Proteína intrínseca similar á nodulina-26 (NIP)
 Proteína intrínseca básica pequena (SIP)
 Proteína intrínseca X (XIP).

Estas cinco subfamilias divídense ulteriormente en subgrupos evolutivos máis pequenos baseándose na súa secuencia de ADN. As PIPs comprenden dous subgrupos, PIP1 e PIP2, mentres que as TIPs forman 5 subgrupos, TIP1, TIP2, TIP3, TIP4 e TIP5. Cada subgrupo é dividido de novo en isoformas, por exemplo, PIP1;1, PIP1;2. Dentro da variada selección de isoformas de acuaporinas das plantas, hai tamén padróns únicos de expresión específica de célula e de tecido.

O silenciamento das acuaporinas das plantas foi asociado ao decrecemento da condutancia hidráulica e a fotosíntese da folla.

A apertura e peche das acuaporinas é levado a cabo para parar o fluxo de auga a través do poro da proteína. Isto pode realizarse por varias razóns, por exemplo cando a planta contén baixas cantidades de auga celular debido a unha seca. A apertura ou peche dunha acuaporina ten lugar por unha interacción entre un mecanismo de apertura e a acuaporina, o cal causa un cambio tridimensional na proteína para que bloquee o poro e, así, impida o fluxo de auga polo poro. Nas plantas, observouse que hai polo menos dúas formas de regulación da apertura das acuaporinas. Estas son a apertura por desfosforilación de certos residuos de serina, que é unha resposta á seca, e a protonación de residuos específicos de histidina en resposta a un asolagamento do terreo. A fosforilación das acuaporinas foi ligada á apertura e peche dos pétalos das flores en resposta á temperatura.

 En arqueas, eubacterias e fungos 
Tamén a expresan certas bacterias e moitos outros organismos.

As acuaporinas descubríronse tamén nos fungos Saccharomyces cerevisiae (lévedo), Dictyostelium, Candida e Ustilago e os protozoos Trypanosoma e Plasmodium.

 Importancia clínica 

miniatura|A acuaporina 1 (AQP1) encóntrase no plexo coroideo e contribúe á produción de líquido cefalorraquídeo, e a AQP4 encóntrase nas células perivasculares e do epéndima.

Hai dous claros exemplos de doenzas que son resultado de mutacións nas acuaporinas, que son:
 Mutacións no xene da acuaporina 2, que causan diabetes insípida nefroxénica hereditaria en humanos.
 Os ratos homocigotos para mutacións inactivadoras do xene da acuaporina 0 desenvolven cataratas conxénitas.

Nun pequeno número de persoas identificouse unha deficiencia grave ou total de acuaporina 1. Son persoas en xeral con boa saúde, pero presentan un defecto na súa capacidade de concentrar solutos na urina e conservar a auga cando non poden beber auga. Os ratos con delecións específicas na acuaporina 1 tamén mostran unha deficiencia na conservación da auga debido a unha incapacidade de concentrar solutos na medula renal por multiplicación contracorrente.

Ademais do seu papel na diabete insípida nefroxénica determinada xeneticamente, as acuaporinas tamén xogan un papel en formas adquiridas de diabete insípida nefroxénica (trastornos que causan un incremento na produción de urina).  A diabetes insípida nefroxénica adquirida en ratas pode ser causada pola alteración da regulación da acuaporina 2 debido á administración de sales de litio, baixas concentracións de potasio no sangue (hipocalemia) e altas concentracións de calcio no sangue (hipercalcemia).

As reaccións autoinmunes contra a acuaporina 4 en humanos producen a enfermidade de Devic. Se fose posible manipular a acuaporina iso talvez podería resolver problemas médicos como a retención de fluídos en enfermidades cardíacas e os edemas cerebrais despois dun accidente cerebrovascular.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Outros artigos 
 Acuaporina 9

 Ligazóns externas 

 Animación (ficheiro MPEG en nobel.se)



Categoría:Proteínas integrais de membrana