Canali dell’acqua – Proteine acquaporine

Acquaporine – Canali dell’acqua
L’acqua attraversa le membrane cellulari per diffusione attraverso il doppio strato lipidico, attraverso proteine canale dell’acqua chiamate acquaporine.

La caratterizzazione funzionale della prima proteina di membrana aquaporina è stata riportata nel 1992, ma la maggior parte dei fisiologi di membrana ritenevano che ci dovessero essere delle aperture (pori o canali) nelle membrane cellulari per permettere un flusso di acqua, perché la permeabilità osmotica di alcune cellule epiteliali era troppo grande per essere spiegata dalla semplice diffusione attraverso la membrana plasmatica. Si prevede che una singola proteina canale aquaporin-1 umana faciliti il trasporto di acqua ad un tasso di circa 3 miliardi di molecole d’acqua al secondo. Tale trasporto sembra essere bidirezionale, in accordo con il gradiente osmotico prevalente.

Nel 1992 è stato identificato un “canale d’acqua” ed è stato suggerito come potrebbe essere il suo macchinario molecolare; cioè, sono state identificate proteine che formano un vero e proprio canale nelle membrane che facilita il movimento dell’acqua.

A metà degli anni 80 Peter Agre, M.D. (professore di Chimica Biologica e Medicina – John Hopkins Med School – Premio Nobel 2003 per la Chimica) studiò varie proteine di membrana isolate dai globuli rossi. Ne trovò una anche nelle cellule dei reni. Avendo determinato sia la sua sequenza peptidica che la corrispondente sequenza di DNA, ipotizzò che questa potesse essere la proteina del cosiddetto canale dell’acqua cellulare. Chiamò questa proteina canale – acquaporina.

Agre ha testato la sua ipotesi che l’acquaporina potrebbe essere una proteina canale d’acqua in un semplice esperimento (fig. 1 – sotto). Ha confrontato cellule che contenevano la proteina in questione con cellule che non l’avevano. Quando le cellule sono state messe in una soluzione d’acqua, quelle che avevano la proteina nelle loro membrane hanno assorbito l’acqua per osmosi e si sono gonfiate, mentre quelle a cui mancava la proteina non erano affatto interessate. Agre ha anche condotto prove con membrane cellulari artificiali, chiamate liposomi, che sono semplici goccioline d’acqua legate ai lipidi. Ha scoperto che i liposomi diventavano permeabili all’acqua solo se la proteina aquaporina veniva impiantata nelle loro membrane artificiali.

Fig 1. Esperimento di Agre con cellule contenenti o prive di acquaporina. L’acquaporina è necessaria per far sì che la “cellula” assorba l’acqua e si gonfi.

Agre sapeva anche che gli ioni di mercurio spesso impediscono alle cellule di assumere e rilasciare acqua, e ha mostrato che il trasporto dell’acqua attraverso i suoi sacchi di membrana artificiale con la proteina acquaporina era impedito allo stesso modo dal mercurio. Questa era un’ulteriore prova che l’aquaporina potrebbe effettivamente essere un canale d’acqua.

Come potrebbe funzionare un canale d’acqua?

Nel 2000, insieme ad altri gruppi di ricerca, Agre ha riportato le prime immagini ad alta risoluzione della struttura tridimensionale dell’acquaporina. Con questi dati, è stato possibile mappare in dettaglio il funzionamento di un canale d’acqua. Come mai l’acquaporina ammette solo molecole d’acqua e non altre molecole o ioni? La membrana, per esempio, non può perdere protoni. Questo è cruciale perché la differenza di concentrazione di protoni tra l’interno e l’esterno della cellula è la base del sistema di stoccaggio dell’energia cellulare.

Le acquaporine formano tetrameri nella membrana cellulare e facilitano il trasporto di acqua e, in alcuni casi, di altri piccoli soluti, come il glicerolo, attraverso la membrana. Tuttavia, i pori dell’acqua sono completamente impermeabili alle specie cariche, come i protoni, una proprietà notevole che è critica per la conservazione del potenziale elettrochimico della membrana. Sulla base dei diagrammi di idrofobicità delle loro sequenze di aminoacidi, si prevede che le acquaporine abbiano sei segmenti che attraversano la membrana, come illustrato nel modello di aquaporin-1 qui sotto. Le acquaporine esistono nella membrana plasmatica come omotetrameri. Ogni monomero di acquaporina contiene due emi-pori, che si piegano insieme per formare un canale d’acqua (fig. 3).

Il probabile meccanismo d’azione dei canali dell’acquaporina è studiato utilizzando simulazioni al supercomputer. Nel numero di aprile 2002 di Science, le simulazioni eseguite dai ricercatori dell’Università dell’Illinois (Morten Jensen, Sanghyun Park, Emad Tajkhorshid e Klaus Schulten) e dell’Università della California a San Francisco (D. Fu, A. Libson, L.J.W. Miercke, C. Weitzman, P. Nollert, J. Krucinski e R.M. Stroud) hanno suggerito che l’orientamento delle molecole d’acqua che si muovono attraverso le acquaporine assicura che solo l’acqua, non gli ioni come i protoni, passi tra le cellule. Le simulazioni al computer di dinamica molecolare (MD) dei canali comprendevano un sistema di più di 100.000 atomi e hanno rivelato la formazione di una singola fila all’interno del canale, indicando che le molecole d’acqua passano attraverso il canale in fila indiana. Entrando, le molecole d’acqua si rivolgono con il loro atomo di ossigeno verso il basso del canale. A metà corrente, invertono l’orientamento, affrontando con l’atomo di ossigeno verso l’alto. Mentre passa attraverso il canale, il balletto di molecole d’acqua scorre, entrando sempre a faccia in giù e uscendo a faccia in su.
La selettività è una proprietà centrale del canale. Le molecole d’acqua si fanno strada attraverso lo stretto canale orientandosi nel campo elettrico locale formato dagli atomi della parete del canale. Gli orientamenti strettamente opposti delle molecole d’acqua impediscono loro di condurre i protoni, pur permettendo un rapido flusso di molecole d’acqua. I protoni (o piuttosto gli ioni idronio, H3O+) sono fermati sul percorso e respinti a causa delle loro cariche positive.

Il significato fisiologico e medico di possibili canali d’acqua.

Le proteine dell’acquaporina sono state trovate come una grande famiglia di proteine. Più di 10 diverse acquaporine dei mammiferi sono state identificate fino ad oggi. Proteine di canali d’acqua strettamente correlate sono state isolate da piante, insetti e batteri. L’acquaporina-1 dei globuli rossi umani è stata la prima ad essere scoperta ed è probabilmente la più studiata. Solo nel corpo umano, sono state trovate almeno undici diverse varianti della proteina aquaporina.

Il rene rimuove le sostanze di scarto che il corpo vuole eliminare. Nel rene acqua, ioni e altre piccole molecole lasciano il sangue come urina “primaria”. In 24 ore, possono essere prodotti circa 170 litri di urina primaria. La maggior parte dell’acqua di questa viene riassorbita in modo che alla fine circa un litro di urina al giorno lascia il corpo.

Dal glomerulo del rene, l’urina primaria passa attraverso un tubo avvolgente dove circa il 70% dell’acqua viene riassorbita nel sangue dalla proteina aquaporina AQP1. Alla fine del tubo del glomerulo, un altro 10% di acqua viene riassorbito con un’acquaporina simile, AQP2. Oltre a questo, anche gli ioni sodio, potassio e cloruro sono riassorbiti nel sangue. L’ormone antidiuretico (vasopressina) stimola il trasporto di AQP2 alle membrane cellulari nelle pareti dei tubi e quindi aumenta il riassorbimento di acqua dall’urina. Le persone con una carenza di questo ormone potrebbero essere colpite dalla malattia del diabete insipido con una produzione giornaliera di urina di 10-15 litri.

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