Durante mucho tiempo la capacidad que tienen las membranas para transportar el agua se consideró un misterio. Múltiples evidencias apuntaban a favor de la existencia de canales acuosos. Sin embargo, no fue hasta hace alrededor de diez años que se demostró su presencia en las membranas plasmáticas. La identificación del primer canal, así como otros relacionados, permitió agruparlos en una familia de proteínas denominadas Aquaporinas.
La aquaporina es una proteína transmembranal, encargada de transportar el agua a través de los compartimientos celulares. Está formada por un haz de 6 hélices α que dejan una estrecha abertura en su interior por la que pueden pasar moléculas de agua. Como en todas las proteínas transmembrana, la superficie de la proteína en contacto con la bicapa lipídica es rica en aminoácidos hidrofóbicos mientras que los aminoácidos polares se concentran hacia los dos extremos de la proteína. Estas proteínas transmembrana son especializadas, no permiten que los aniones y la mayoría de los cationes grandes puedan atravesarla. Además hay un par de aminoácidos catiónicos que actúan como “puerta”, impidiendo el paso de cationes pequeños como el ion H3O+.
La importancia de las aquaporinas recalca que no solo explican los rapidos cambios del volumen celular causados por la entrada o salida del agua sino también, respuestas de cambios fisiológicos o a alteraciones patológicas.
Las acuaporinas pueden activarse o desactivarse por diferentes mecanismos de regulación. Las acuaporinas pertenecen a la familia de las proteínas integrales de membrana (PIM), parece ser que todas las acuaporinas evolutivamente tienen su origen en un mismo gen originario.
Estas proteínas acuaporinas se extienden por toda la membrana celular, podemos encontrar un mayor número de ellas en las células de riñón y en los eritrocitos. La acuaporinas forman tetrameros, es decir, se agrupan de 4 en 4. Estas transportan el agua formando una línea de 10 moléculas de agua como fila india que cruza en su interior.
Clasificación y distribución de las aquaporinas (AQP)
Hasta el momento se han identificado 10 AQP en el ser humano (5), las cuales se clasifican en dos grupos: Aquagliceroporinas y AQP ortodoxo(6). Las primeras, además de participar en el transporte de agua, permiten el paso de otros compuestos como urea, glicerol y gases como el CO2. Entre ellas se encuentran: AQP-3, AQP-7, AQP-9, mientras que las segundas, participan solamente en el paso de agua a través de las membranas. En este grupo se encuentran: las AQP-0, AQP-1, AQP-2, AQP-4, AQP-5, AQP-6 y AQP-8 (6).
Las AQP se encuentran distribuidas en todas las membranas del organismo, donde desempeñan la importante función de permitir el paso de agua. La AQP-0 se halla en las membranas celulares de la fibra del cristalino(7), en tanto las AQP-2 parecen desempeñar un papel importante en el funcionamiento del riñón(8). En el cerebro se detectan principalmente las AQP- 4(9), entre tanto en las glándulas salivales, lagrimales y sudoríparas predominan las AQP- 5 (10). Las AQP-6 aunque se encuentran en el epitelio renal, su función no está completamente definida (6). En los testículos son características las AQP-7(11), en hígado y páncreas, las AQP- 8(12) y las AQP- 9 se hallan en los leucocitos(13). Resulta sobresaliente la función de las AQP-1 y 3 en las membranas eritrocitarias, en los túbulos proximales renales y en las vías respiratorias(6).
Características estructurales de la AQP-1.
Constituye la primera proteína transportadora de agua que se identificó. Es un homotetrámero de 190-200 kDa, que se organiza en cuatro canales acuosos independientes. Cada monómero está constituido 269 aminoácidos que se encuentran distribuidos en seis a - hélices que se expanden a través de la membrana y en cinco lazos que las interconectan. Los extremos amino terminal y carboxilo terminal están expuestos hacia el citoplasma. Mediante estudios de mutagénesis se comprobó en cada entidad monomérica la presencia del motivo NPA( Asparagina-Prolina-Alanina) que es esencial para el transporte de agua. Esta proteína resulta inhibida por los mercuriales como el HgCl2. Esta inhibición ha sido atribuida a la formación de un enlace tipo mercáptido con un residuo de cisteina en la posición 189, supuestamente involucrado en la formación del poro (6). El compuesto orgánico no mercurial tetraetilamonio reduce de manera selectiva la permeabilidad al agua, al parecer por su interacción con un residuo de tirosina localizado cerca del poro(14). Se estimó que el flujo de agua es bidireccional y que por cada poro acuoso fluyen 3 x109 moléculas seg-1. La cantidad de moléculas de agua que atraviesan los canales, junto al número de moléculas proteínicas (2x105) por célula, hacen a estas entidades importantes para el transporte de agua en los eritrocitos humanos.
Todos los miembros de esta familia proteínica son considerados canales de agua, debido a que poseen motivos estructurales similares a los presentes en las AQP –1, los cuales son esenciales para su función.
Importancia biomédica de las aquaporinas.
Diversas enfermedades se encuentran relacionadas con una inadecuada expresión de estas entidades proteínicas.
Una de las más estudiadas ha sido la Diabetes Nefrogénica Insípida (DNI). La permeabilidad al agua de los conductos colectores renales está regulada por la acción de la vasopresina. Las AQP-2 se sintetizan en el interior celular y son exportadas hacia la membrana plasmática mediante un tráfico vesicular por un mecanismo de exocitosis, el cual está regulado por la hormona. La DNI es un trastorno en el cual los niveles de vasopresina se encuentran elevados, sin embargo, el riñón no responde a este estímulo. Como consecuencia, se excretan grandes volúmenes de orina diluida. Se han observado mutaciones en los genes que codifican para las AQP-2 específicamente en los dominios del poro acuoso(15). Por otra parte, el exceso de su expresión puede ocasionar retención renal de agua lo que se ha observado en pacientes con enfermedades del sistema cardiovascular(16). Debido a esta relación las AQP-2 han sido consideradas como esenciales en el metabolismo del agua.
Otra de las aquaporinas de importancia clínica es la AQP-5. La ausencia o disminución de su expresión está relacionada con la aparición del Síndrome de Sjögren, una enfermedad que se caracteriza por la destrucción autoinmune de las glándulas salivales y lagrimales y el tejido respiratorio y conduce a ojo seco y boca seca (17). Recientemente se demostró que esta entidad es esencial para la secreción del sudor, encontrándose hiperhidrosis en modelos animales carentes del gen que codifica a esta proteína, lo que permitió concluir que sin AQP-5, no se suda(18).
La deficiencia de AQP-1 en los humanos al parecer no es letal. Individuos carentes de AQP-1 son incapaces de producir orina concentrada y cuando se exponen a un déficit de agua, sufren de deshidratación(6).
El déficit de la AQP-0 se relaciona con la aparición de cataratas congénita(6) , mientras que la falta de AQP-4 parece estar involucrada con la ocurrencia de edema cerebral(19).
A pesar de los pocos años que llevan de identificadas, el tema de las aquaporinas parece ser de gran importancia en el desarrollo de la Medicina.
Hasta el momento se han identificado 10 AQP en el ser humano (5), las cuales se clasifican en dos grupos: Aquagliceroporinas y AQP ortodoxo(6). Las primeras, además de participar en el transporte de agua, permiten el paso de otros compuestos como urea, glicerol y gases como el CO2. Entre ellas se encuentran: AQP-3, AQP-7, AQP-9, mientras que las segundas, participan solamente en el paso de agua a través de las membranas. En este grupo se encuentran: las AQP-0, AQP-1, AQP-2, AQP-4, AQP-5, AQP-6 y AQP-8 (6).
Las AQP se encuentran distribuidas en todas las membranas del organismo, donde desempeñan la importante función de permitir el paso de agua. La AQP-0 se halla en las membranas celulares de la fibra del cristalino(7), en tanto las AQP-2 parecen desempeñar un papel importante en el funcionamiento del riñón(8). En el cerebro se detectan principalmente las AQP- 4(9), entre tanto en las glándulas salivales, lagrimales y sudoríparas predominan las AQP- 5 (10). Las AQP-6 aunque se encuentran en el epitelio renal, su función no está completamente definida (6). En los testículos son características las AQP-7(11), en hígado y páncreas, las AQP- 8(12) y las AQP- 9 se hallan en los leucocitos(13). Resulta sobresaliente la función de las AQP-1 y 3 en las membranas eritrocitarias, en los túbulos proximales renales y en las vías respiratorias(6).
Características estructurales de la AQP-1.
Constituye la primera proteína transportadora de agua que se identificó. Es un homotetrámero de 190-200 kDa, que se organiza en cuatro canales acuosos independientes. Cada monómero está constituido 269 aminoácidos que se encuentran distribuidos en seis a - hélices que se expanden a través de la membrana y en cinco lazos que las interconectan. Los extremos amino terminal y carboxilo terminal están expuestos hacia el citoplasma. Mediante estudios de mutagénesis se comprobó en cada entidad monomérica la presencia del motivo NPA( Asparagina-Prolina-Alanina) que es esencial para el transporte de agua. Esta proteína resulta inhibida por los mercuriales como el HgCl2. Esta inhibición ha sido atribuida a la formación de un enlace tipo mercáptido con un residuo de cisteina en la posición 189, supuestamente involucrado en la formación del poro (6). El compuesto orgánico no mercurial tetraetilamonio reduce de manera selectiva la permeabilidad al agua, al parecer por su interacción con un residuo de tirosina localizado cerca del poro(14). Se estimó que el flujo de agua es bidireccional y que por cada poro acuoso fluyen 3 x109 moléculas seg-1. La cantidad de moléculas de agua que atraviesan los canales, junto al número de moléculas proteínicas (2x105) por célula, hacen a estas entidades importantes para el transporte de agua en los eritrocitos humanos.
Todos los miembros de esta familia proteínica son considerados canales de agua, debido a que poseen motivos estructurales similares a los presentes en las AQP –1, los cuales son esenciales para su función.
Importancia biomédica de las aquaporinas.
Diversas enfermedades se encuentran relacionadas con una inadecuada expresión de estas entidades proteínicas.
Una de las más estudiadas ha sido la Diabetes Nefrogénica Insípida (DNI). La permeabilidad al agua de los conductos colectores renales está regulada por la acción de la vasopresina. Las AQP-2 se sintetizan en el interior celular y son exportadas hacia la membrana plasmática mediante un tráfico vesicular por un mecanismo de exocitosis, el cual está regulado por la hormona. La DNI es un trastorno en el cual los niveles de vasopresina se encuentran elevados, sin embargo, el riñón no responde a este estímulo. Como consecuencia, se excretan grandes volúmenes de orina diluida. Se han observado mutaciones en los genes que codifican para las AQP-2 específicamente en los dominios del poro acuoso(15). Por otra parte, el exceso de su expresión puede ocasionar retención renal de agua lo que se ha observado en pacientes con enfermedades del sistema cardiovascular(16). Debido a esta relación las AQP-2 han sido consideradas como esenciales en el metabolismo del agua.
Otra de las aquaporinas de importancia clínica es la AQP-5. La ausencia o disminución de su expresión está relacionada con la aparición del Síndrome de Sjögren, una enfermedad que se caracteriza por la destrucción autoinmune de las glándulas salivales y lagrimales y el tejido respiratorio y conduce a ojo seco y boca seca (17). Recientemente se demostró que esta entidad es esencial para la secreción del sudor, encontrándose hiperhidrosis en modelos animales carentes del gen que codifica a esta proteína, lo que permitió concluir que sin AQP-5, no se suda(18).
La deficiencia de AQP-1 en los humanos al parecer no es letal. Individuos carentes de AQP-1 son incapaces de producir orina concentrada y cuando se exponen a un déficit de agua, sufren de deshidratación(6).
El déficit de la AQP-0 se relaciona con la aparición de cataratas congénita(6) , mientras que la falta de AQP-4 parece estar involucrada con la ocurrencia de edema cerebral(19).
A pesar de los pocos años que llevan de identificadas, el tema de las aquaporinas parece ser de gran importancia en el desarrollo de la Medicina.
Referencias Bibliográficas:
1- Sidel V.W., Solomon A.K. (1957). Entrance of water into human red cells under an osmotic pressure gradient. J Gen Physiol , 41: 243-257.
2- Preston, G. M. and Agre, P. (1991). Isolation of the cDNA for erythrocyte integral membrane protein of 28 kilodaltons: member of an ancient channel family. Proc. Natl Acad. Sci. USA, 88, 11110-11114.
3- Agre P., Preston G.M., Smith B.L. (1993). Aquaporin CHIP: The archetypal molecular water channel. Am J. Physiol. 265: F463-476.
4- Agre P. (1997). Molecular physiology of water transport: aquaporin nomenclature workshop. Mammalian aquaporins. Biol. Cell. 89:255-257.
5- Landon, K.; Yasui, M.; Agre, P. (2000) Aquaporins in health and disease. Molecular Medicine Today, 6: 60-65 .
6- Borgnia, M., Nielsen, S., Engel, A, and Agre, P.(1999). Cellular and Molecular Biology of the Aquaporin Water Channels. Annu, Rev. Biochem. 68: 425-458
7- Shiels, A., Bassnett, S. (1996). Mutations in the founder of the MIP gene family underlie cataract development in the mouse. Nat. Genet. 12:212-215.
8- Fushimi, K., Uchida, S., Hara, Y., Hirata, Y., Marumo, F., Sasaki, S. (1993). Cloning and expression of apical membrane water channel of rat kidney collecting tubule. Nature 361:549-552.
9- Hasegawa, H., Ma, T., Skach, W., Matthay, M.A., Verkman, A.S.(1994). Molecular cloning of a mercurial-insensitive water channel expressed in selected water-transporting tissues. J.Biol..Chem. 269:5497-5500.
10- Nielsen, S., King, L.S., Christensen, B.M, Agre, P. (1997). Aquaporins in complex tissues. II. Subcellular distribution in respiratory and glandular tissues of rat. Am. J. Physiol. 273: C1549-1561.
11- Ishibashi, K.,Kuwahara, M.,Gu, Y., Kageyama, Y., Tohsaka, A. (1997). Cloning and functional expression of a new water channel abundantly expressed in the testis permeable to water, glycerol and urea. J. Biol. Chem. 272: 20782-20786.
12- Ishibashi, K.,Kuwahara, M.,Gu, Y., Kageyama, Y., Tohsaka, A., Marumo, F., Sasaki, S. (1997). Cloning and functional expression of a second new aquaporin abundantly expressed in testis. Biochem. Biophysis. Res.Commun. 237:714-718.
13- Ishibashi, K., Kuwahara, M., Gu, Y., Tanaka, Y., Marumo, F., Sasaki, S. (1998). Cloning and functional expression of a new aquaporin (AQP9) abundantly expressed in the peripheral leukocytes permeable to water and urea, but not to glycerol. Biochem. Biophys.Res. Commun. 244:268-274.
14- Brooks, H.,Regan, J and Yool, A.(2000). Inhibition of Aquaporin-1 water permeability by TEA: Involvement of the loop E pore region. Molecular Pharmacology 57:1021-1026.
15- van Lieburg, A.F., Verdijk, M. A., Knoers, V. V. (1994). Patients with autosomal nephrogenic diabetes insipidus homozygous for mutations in aquaporin-2 water-channel gene. Am. J. Hum. Genet 55:648-652.
16- Xu, D.L., Martín, P.Y., Ohara, M., St John, J., Pattison, T., Meng, X., et al (1997). Upregulation of aquaporin-2 water channel expression in chronic heart failure rat. J. Clin Invest. 99:1500-1505.
17- Fox, R.I. (1995). Sjogren's syndrome. Curr. Opin. Rheumatol 7:409-416.
18- Nejsum, L. N., Kwon, T. H., Jensen, U. B., Fumagalli, O., Frokiaer, J., Krane, C., et al. (2002) Functional requirement of aquaporin-5 in plasma membranes of sweat glands. Proc Natl Acad Sci U S A. 8;99(1):511-516.
19 -Nielsen, S., Nagelhus, E.A., Amiry-Moghaddam, M., Bourque, C., Agre, P., Ottersen, O. P. (1997). Specialized membrane domains for water transport in glial cells: High resolution immunogold cytochemistry of aquaporin-4 in rat brain. J.Neurosci. 17:171-180
1- Sidel V.W., Solomon A.K. (1957). Entrance of water into human red cells under an osmotic pressure gradient. J Gen Physiol , 41: 243-257.
2- Preston, G. M. and Agre, P. (1991). Isolation of the cDNA for erythrocyte integral membrane protein of 28 kilodaltons: member of an ancient channel family. Proc. Natl Acad. Sci. USA, 88, 11110-11114.
3- Agre P., Preston G.M., Smith B.L. (1993). Aquaporin CHIP: The archetypal molecular water channel. Am J. Physiol. 265: F463-476.
4- Agre P. (1997). Molecular physiology of water transport: aquaporin nomenclature workshop. Mammalian aquaporins. Biol. Cell. 89:255-257.
5- Landon, K.; Yasui, M.; Agre, P. (2000) Aquaporins in health and disease. Molecular Medicine Today, 6: 60-65 .
6- Borgnia, M., Nielsen, S., Engel, A, and Agre, P.(1999). Cellular and Molecular Biology of the Aquaporin Water Channels. Annu, Rev. Biochem. 68: 425-458
7- Shiels, A., Bassnett, S. (1996). Mutations in the founder of the MIP gene family underlie cataract development in the mouse. Nat. Genet. 12:212-215.
8- Fushimi, K., Uchida, S., Hara, Y., Hirata, Y., Marumo, F., Sasaki, S. (1993). Cloning and expression of apical membrane water channel of rat kidney collecting tubule. Nature 361:549-552.
9- Hasegawa, H., Ma, T., Skach, W., Matthay, M.A., Verkman, A.S.(1994). Molecular cloning of a mercurial-insensitive water channel expressed in selected water-transporting tissues. J.Biol..Chem. 269:5497-5500.
10- Nielsen, S., King, L.S., Christensen, B.M, Agre, P. (1997). Aquaporins in complex tissues. II. Subcellular distribution in respiratory and glandular tissues of rat. Am. J. Physiol. 273: C1549-1561.
11- Ishibashi, K.,Kuwahara, M.,Gu, Y., Kageyama, Y., Tohsaka, A. (1997). Cloning and functional expression of a new water channel abundantly expressed in the testis permeable to water, glycerol and urea. J. Biol. Chem. 272: 20782-20786.
12- Ishibashi, K.,Kuwahara, M.,Gu, Y., Kageyama, Y., Tohsaka, A., Marumo, F., Sasaki, S. (1997). Cloning and functional expression of a second new aquaporin abundantly expressed in testis. Biochem. Biophysis. Res.Commun. 237:714-718.
13- Ishibashi, K., Kuwahara, M., Gu, Y., Tanaka, Y., Marumo, F., Sasaki, S. (1998). Cloning and functional expression of a new aquaporin (AQP9) abundantly expressed in the peripheral leukocytes permeable to water and urea, but not to glycerol. Biochem. Biophys.Res. Commun. 244:268-274.
14- Brooks, H.,Regan, J and Yool, A.(2000). Inhibition of Aquaporin-1 water permeability by TEA: Involvement of the loop E pore region. Molecular Pharmacology 57:1021-1026.
15- van Lieburg, A.F., Verdijk, M. A., Knoers, V. V. (1994). Patients with autosomal nephrogenic diabetes insipidus homozygous for mutations in aquaporin-2 water-channel gene. Am. J. Hum. Genet 55:648-652.
16- Xu, D.L., Martín, P.Y., Ohara, M., St John, J., Pattison, T., Meng, X., et al (1997). Upregulation of aquaporin-2 water channel expression in chronic heart failure rat. J. Clin Invest. 99:1500-1505.
17- Fox, R.I. (1995). Sjogren's syndrome. Curr. Opin. Rheumatol 7:409-416.
18- Nejsum, L. N., Kwon, T. H., Jensen, U. B., Fumagalli, O., Frokiaer, J., Krane, C., et al. (2002) Functional requirement of aquaporin-5 in plasma membranes of sweat glands. Proc Natl Acad Sci U S A. 8;99(1):511-516.
19 -Nielsen, S., Nagelhus, E.A., Amiry-Moghaddam, M., Bourque, C., Agre, P., Ottersen, O. P. (1997). Specialized membrane domains for water transport in glial cells: High resolution immunogold cytochemistry of aquaporin-4 in rat brain. J.Neurosci. 17:171-180
No hay comentarios:
Publicar un comentario