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