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| Aquaporins – Canais de água | |
| A água atravessa as membranas celulares por difusão através da camada lipídica, através das proteínas do canal de água chamado Aquaporins. |
Caracterização funcional da primeira proteína da membrana da aquaporina foi relatada em 1992, mas a maioria dos fisiologistas de membrana sentiram que deve haver aberturas (poros ou canais) nas membranas celulares para permitir um fluxo de água, porque a permeabilidade osmótica de algumas células epiteliais era muito grande demais para ser contabilizada pela simples difusão através da membrana plasmática. Prevê-se que uma única proteína de aquaporina-1 canal humano facilita o transporte de água a uma taxa de aproximadamente 3 bilhões de moléculas de água por segundo. Tal transporte parece ser bidirecional, de acordo com o gradiente osmótico predominante.
Em 1992 um “canal de água” foi identificado e como sua maquinaria molecular poderia parecer foi sugerido; isto é, proteínas foram identificadas que formaram um canal real nas membranas que facilitaram o movimento da água.
Em meados dos anos 80, Peter Agre, M.D. (professor de Química e Medicina Biológica – John Hopkins Med School – 2003 Nobel de Química) estudou várias proteínas de membranas isoladas dos glóbulos vermelhos. Ele também encontrou uma delas nas células renais. Tendo determinado tanto a sua sequência peptídeo como a sequência de ADN correspondente, ele especulou que esta poderia ser a proteína do chamado canal de água celular. Ele chamou este canal de proteína – aquaporin.
Agre testou a sua hipótese de que a aquaporin pode ser uma proteína do canal de água numa experiência simples (fig. 1 – abaixo). Ele comparou células que continham a proteína em questão com células que não a tinham. Quando as células foram colocadas numa solução de água, aquelas que tinham a proteína nas membranas absorveram água por osmose e incharam enquanto aquelas que não tinham a proteína não foram afectadas de todo. A Agre também realizou testes com membranas celulares artificiais, chamadas lipossomas, que são gotas simples de água ligadas a lipídios. Ele descobriu que os lipossomas só se tornavam permeáveis à água se a proteína aquaporina fosse implantada em suas membranas artificiais.
Fig 1. Experiência da Agre com células contendo ou carecendo de aquaporina. Aquaporin é necessário para que a ‘célula’ absorva água e inchaço.
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Agre também sabia que os iões de mercúrio muitas vezes impedem as células de absorver e libertar água, e mostrou que o transporte de água através dos seus sacos de membranas artificiais com a proteína de aquaporin era evitado da mesma forma pelo mercúrio. Isto foi mais uma prova de que a aquaporina pode ser realmente um canal de água.
Como é que um canal de água pode funcionar?
Em 2000, juntamente com outras equipas de pesquisa, Agre relatou as primeiras imagens de alta resolução da estrutura tridimensional da aquaporina. Com estes dados, foi possível mapear em detalhe como um canal de água poderia funcionar. Como é que a aquaporina só admite moléculas de água e não outras moléculas ou iões? A membrana, por exemplo, não permite a fuga de prótons. Isto é crucial porque a diferença na concentração de prótons entre o interior e o exterior da célula é a base do sistema de armazenamento de energia celular.
Aquaporinas formam tetrâmeros na membrana celular, e facilitam o transporte de água e, em alguns casos, de outros pequenos solutos, como glicerol, através da membrana. No entanto, os poros de água são completamente impermeáveis às espécies carregadas, como os prótons, uma propriedade notável que é fundamental para a conservação do potencial eletroquímico da membrana. Com base nas parcelas de hidrofobicidade das suas sequências de aminoácidos , prevê-se que as aquaporinas tenham seis segmentos de membranas, conforme descrito no modelo de aquaporina-1 abaixo. As aquaporinas existem na membrana plasmática como homotetramers. Cada monômero de aquaporina contém dois hemi-poros, que se dobram para formar um canal de água (fig. 3.).
O provável mecanismo de acção dos canais de aquaporina é estudado através de simulações de supercomputador. Na edição de Abril de 2002 de Science, as simulações realizadas por investigadores da Universidade de Illinois (Morten Jensen, Sanghyun Park, Emad Tajkhorshid, e Klaus Schulten) e da Universidade da Califórnia em San Francisco (D. Fu, A. Libson, L.J.W. Miercke, C. Weitzman, P. Nollert, J. Krucinski, e R.M. Stroud) sugeriram a orientação das moléculas de água que se movem através de throughaquaporins, assegurando que apenas a água, e não íons como prótons, passam entre as células. As simulações computadorizadas da dinâmica molecular (MD) dos canais compreenderam um sistema de mais de 100.000 átomos e revelaram a formação de um único arquivo dentro do canal indicando que as moléculas de água passam através do único arquivo do canal. Ao entrar, as moléculas de água estão face a face com o seu átomo de oxigénio ao longo do canal. No meio do canal, elas invertem a orientação, voltadas para cima com o átomo de oxigênio. Ao passar pelo canal, o balé das moléculas de água flui, entrando sempre de face para baixo e saindo de face para cima.
Selectividade é uma propriedade central do canal. As moléculas de água percorrem o canal estreito, orientando-se no campo eléctrico local formado pelos átomos da parede do canal. As orientações estritamente opostas das moléculas de água impedem-nas de conduzir protões, ao mesmo tempo que permitem um fluxo rápido das moléculas de água. Os prótons (ou melhor, íons de hidrônio, H3O+) são parados no caminho e rejeitados por causa de suas cargas positivas.
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| Jensen, Park, Tajkhorshid, & Schulten – | Animações cortesia de Tajkhorshid & Schulten ou de Groot e H. Grubmüller |
| Fig 2. Canal monomérico de aquaglyceroporin GlpF |
Fig 3. Passagem de moléculas de água através do aquaporin AQP1. Devido à carga positiva no centro do canal, iões com carga positiva como o H3O+, são desviados. Isto evita a fuga de protões através do canal. |
O significado fisiológico e médico de possíveis canais de água.
As proteínas da aquaporina foram encontradas como sendo uma grande família de proteínas. Mais de 10 diferentes aquaporinas de mamíferos foram identificadas até à data. Proteínas de canais de água estreitamente relacionadas foram isoladas de plantas, insectos e bactérias. Aquaporina-1 a partir de glóbulos vermelhos humanos foi a primeira a ser descoberta e é provavelmente a melhor estudada. Só no corpo humano, foram encontradas pelo menos onze variantes diferentes de proteínas de aquaporina.
O rim remove as substâncias residuais que o corpo deseja eliminar. Na água dos rins, os iões e outras pequenas moléculas deixam o sangue como urina ‘primária’. Durante 24 horas, cerca de 170 litros de urina primária podem ser produzidos. A maior parte da água é reabsorvida para que finalmente cerca de um litro de urina por dia deixe o corpo.
Do glomérulo do rim, a urina primária é passada através de um tubo enrolado onde cerca de 70% da água é reabsorvida ao sangue pela proteína AQP1 da aquaporina. Na extremidade do tubo de glomérulo, outros 10% da água é reabsorvida com uma aquaporina semelhante, AQP2. Além disso, os íons sódio, potássio e cloreto também são reabsorvidos no sangue. A hormona antidiurética (vasopressina) estimula o transporte de AQP2 para as membranas celulares nas paredes do tubo e, portanto, aumenta a reabsorção de água da urina. Pessoas com deficiência deste hormônio podem ser afetadas pela doença diabetes insípido com uma produção diária de urina de 10-15 litros.
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