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| Acuaporinas – Canales de agua | |
| El agua atraviesa las membranas celulares por difusión a través de la bicapa lipídica, a través de proteínas de canal de agua llamadas acuaporinas. |
La caracterización funcional de la primera proteína de membrana acuaporina se comunicó en 1992, pero la mayoría de los fisiólogos de las membranas consideraron que debía haber aberturas (poros o canales) en las membranas celulares para permitir un flujo de agua, porque la permeabilidad osmótica de algunas células epiteliales era demasiado grande para ser explicada por la simple difusión a través de la membrana plasmática. Se prevé que una sola proteína de canal de acuaporina-1 humana facilita el transporte de agua a una velocidad de aproximadamente 3.000 millones de moléculas de agua por segundo. Dicho transporte parece ser bidireccional, de acuerdo con el gradiente osmótico imperante.
En 1992 se identificó un «canal de agua» y se sugirió cómo podría ser su maquinaria molecular; es decir, se identificaron proteínas que formaban un canal real en las membranas que facilitaban el movimiento del agua.
A mediados de los años 80, el doctor Peter Agre (profesor de Química Biológica y Medicina – Escuela de Medicina John Hopkins – Premio Nobel de Química 2003) estudió varias proteínas de membrana aisladas de los glóbulos rojos. También encontró una de ellas en las células renales. Tras determinar su secuencia peptídica y la correspondiente secuencia de ADN, especuló que podría tratarse de la proteína del llamado canal de agua celular. Llamó a esta proteína de canal – acuaporina.
Agre comprobó su hipótesis de que la acuaporina podría ser una proteína de canal de agua en un sencillo experimento (fig. 1 – abajo). Comparó células que contenían la proteína en cuestión con células que no la tenían. Cuando las células se colocaron en una solución de agua, las que tenían la proteína en sus membranas absorbieron agua por ósmosis y se hincharon, mientras que las que carecían de la proteína no se vieron afectadas en absoluto. Agre también realizó ensayos con membranas celulares artificiales, denominadas liposomas, que son unas simples gotas de agua unidas por lípidos. Descubrió que los liposomas se volvían permeables al agua sólo si se implantaba la proteína acuaporina en sus membranas artificiales.
Figura 1. Experimento de Agre con células que contienen o carecen de acuaporina. La acuaporina es necesaria para que la «célula» absorba agua y se hinche.
Agre también sabía que los iones de mercurio suelen impedir que las células tomen y liberen agua, y demostró que el transporte de agua a través de sus sacos de membrana artificiales con la proteína acuaporina se veía impedido del mismo modo por el mercurio. Esto fue una prueba más de que la acuaporina podría ser realmente un canal de agua.
¿Cómo podría funcionar un canal de agua?
En el año 2000, junto con otros equipos de investigación, Agre comunicó las primeras imágenes de alta resolución de la estructura tridimensional de la acuaporina. Con estos datos, fue posible trazar un mapa detallado de cómo podría funcionar un canal de agua. ¿Cómo es que la acuaporina sólo admite moléculas de agua y no otras moléculas o iones? Por ejemplo, la membrana no permite la fuga de protones. Esto es crucial porque la diferencia de concentración de protones entre el interior y el exterior de la célula es la base del sistema de almacenamiento de energía celular.
Las acuaporinas forman tetrámeros en la membrana celular y facilitan el transporte de agua y, en algunos casos, de otros pequeños solutos, como el glicerol, a través de la membrana. Sin embargo, los poros de agua son completamente impermeables a las especies cargadas, como los protones, una propiedad notable que es crítica para la conservación del potencial electroquímico de la membrana. Basándose en los gráficos de hidrofobicidad de sus secuencias de aminoácidos, se predice que las acuaporinas tienen seis segmentos que atraviesan la membrana, como se representa en el modelo de la acuaporina-1 a continuación. Las acuaporinas existen en la membrana plasmática como homotetrámeros. Cada monómero de acuaporina contiene dos hemiporos, que se pliegan para formar un canal de agua (fig. 3).
El probable mecanismo de acción de los canales de acuaporinas se estudia mediante simulaciones en superordenadores. En el número de abril de 2002 de Science, las simulaciones realizadas por investigadores de la Universidad de Illinois (Morten Jensen, Sanghyun Park, Emad Tajkhorshid y Klaus Schulten) y de la Universidad de California en San Francisco (D. Fu, A. Libson, L.J.W. Miercke, C. Weitzman, P. Nollert, J. Krucinski y R.M. Stroud) sugirieron que la orientación de las moléculas de agua que se mueven a través de las acuaporinas asegura que sólo el agua, y no iones como los protones, pase entre las células. Las simulaciones informáticas de dinámica molecular (DM) de los canales comprendían un sistema de más de 100.000 átomos y revelaron la formación de una sola fila dentro del canal, lo que indica que las moléculas de agua pasan por el canal en fila india. Al entrar, las moléculas de agua se orientan con su átomo de oxígeno hacia el canal. A mitad de camino, invierten su orientación, orientándose con el átomo de oxígeno hacia arriba. Al pasar por el canal, el ballet de moléculas de agua fluye, siempre entrando boca abajo y saliendo boca arriba.
La selectividad es una propiedad central del canal. Las moléculas de agua se abren paso a través del estrecho canal orientándose en el campo eléctrico local formado por los átomos de la pared del canal. Las orientaciones estrictamente opuestas de las moléculas de agua impiden que conduzcan protones, al tiempo que permiten un flujo rápido de moléculas de agua. Los protones (o más bien los iones de hidronio, H3O+) son detenidos en el camino y rechazados debido a sus cargas positivas.
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| Jensen, Park, Tajkhorshid, & Schulten – | Animaciones cortesía de Tajkhorshid & Schulten o de Groot y H. Grubmüller |
| Fig 2. Canal monomérico de la aquagliceroporina GlpF |
Fig 3. Paso de moléculas de agua a través de la acuaporina AQP1. Debido a la carga positiva en el centro del canal, los iones con carga positiva, como el H3O+, son desviados. Esto evita la fuga de protones a través del canal. |
La importancia fisiológica y médica de los posibles canales de agua.
Se ha descubierto que las proteínas acuaporinas son una gran familia de proteínas. Hasta la fecha se han identificado más de 10 acuaporinas de mamíferos diferentes. Se han aislado proteínas de canales de agua estrechamente relacionadas en plantas, insectos y bacterias. La acuaporina-1 de los glóbulos rojos humanos fue la primera en ser descubierta y es probablemente la mejor estudiada. Sólo en el cuerpo humano se han encontrado al menos once variantes diferentes de la proteína acuaporina.
El riñón elimina las sustancias de desecho que el cuerpo desea eliminar. En el riñón, el agua, los iones y otras pequeñas moléculas abandonan la sangre en forma de orina «primaria». En 24 horas se pueden producir unos 170 litros de orina primaria. La mayor parte del agua se reabsorbe, de modo que finalmente sale del cuerpo alrededor de un litro de orina al día.
Desde el glomérulo del riñón, la orina primaria pasa a través de un tubo serpenteante en el que alrededor del 70% del agua se reabsorbe hacia la sangre mediante la proteína acuaporina AQP1. Al final del tubo del glomérulo, se reabsorbe otro 10% de agua con una acuaporina similar, la AQP2. Además, también se reabsorben en la sangre iones de sodio, potasio y cloro. La hormona antidiurética (vasopresina) estimula el transporte de AQP2 a las membranas celulares de las paredes de los tubos y, por tanto, aumenta la reabsorción de agua de la orina. Las personas con una deficiencia de esta hormona pueden verse afectadas por la enfermedad de la diabetes insípida con una producción de orina diaria de 10-15 litros.
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