Aquaporins water channels: molecular mechanisms for human diseases

Peter Agre, David KozonoFEBS Letters 555 (2003)

Bases Moleculares de la Patología

Camila Ochoa Campuzano

Peter Agre Receives 2003 Nobel Prize in Chemistry

Introducción (I)

El agua puede atravesar las membranas biológicas mediante dos mecanismos

Difusión simple a través de la bicapa lipídica

A través de canales especializados: Aquaporinas

Familia de los canales de membrana Aquaporinas

Se han identificado proteínas con estructura similar en prácticamente todas las formas de vidaEn mamíferos se han aislado y parcialmente caracterizado 11Aquaporinas clásicas/ AquagliceroporinasEn mamíferos la expresión varía según el tipo celular y la etapa del desarrollo

Características Estructurales de AQP1

Homotetrámero de 28 kDa con los extremos N y C terminales situados hacia la región intracelular

Presenta en el cDNA dos repeticiones en tandem que contienen tres α-hélices que atraviesan la bicapa

Los loops que conectan los segmentos transmembrana 2 y 3 contienen varios aa altamente conservados y el motivo característico Asn-Pro-Ala (NPA)

Estrutura de AQP1 (II)

Cada uno de los monómeros de AQP1 está formado por seis α-hélices transmembrana que se disponen de manera compacta rodeando el poro acuoso formado por los dos loops NPA que entran a la membrana desde las superficies opuestas y se yuxtaponen en el centro por interacciones de van der Waals

Estructura simétrica de seudo doble plegamiento, similar a un reloj de arena (hourglass model) que explica la bidireccionalidad en el movimiento del agua.

Modelo del Monómero de AQP1

Esquema del canal de AQP1

Mecanismo para el transporte de agua a través de AQP1 excluyendo H3O+ (I)

La estructura en forma de reloj de arena de AQP1 posee dos vestíbulos (in y ex ) en forma de cono llenos de agua y separados por un estrecho canal de 20 Å a través del cual las moléculas de agua deben pasar en fila sencilla y sin establecer puentes de H

El segmento más estrecho del canal (8 Å por encima del centro del poro) posee un radio de 2.8 Å, similar al radio de van der Waals de las moléculas de agua. El paso a través de esta región está restringido por tamaño y repulsión electrostática

-F56 (2da α -hélice) -R195 (+, altamente conservada)(2do NPA) -H180 (altamente conservada, carga parcial + a pH neutro)

Esquema del canal de AQP1

Mecanismo para el transporte de agua a través de AQP1 excluyendo H3O+ (II)

Interacción con O carbonílicos de G188, C189, G190, I 191, sustitutos energéticamente favorables para los puentes de H

Reorientación temporal del dipolo de agua como consecuencia de la formación de puentes de H parciales con los dos residuos de Asn de los motivos NPA

Interacción con otra cadena de O carbonílicos de L75, H74, A73, G72

-Pocos sitios de interaccion: rapidez en el movimiento

Modelo Atómico de una subunidad

Mecanismos Moleculares para Enfermedades en Humanos

La definición de los sitios subcelulares de expresión ha permitido predecir sus posibles funciones fisiológicas y potenciales desórdenes clínicos

AQP1

Es muy abundante en las membranas apical y basolateral de los túbulos renales proximales. Se ha propuesto que participe en el mecanismo de concentración contra-corriente del filtrado glomerular.

Se han identificado mutaciones en tres individuos nulos para AQP1. En ausencia de estrés estos individuos no resultaron clínicamente afectados pero en un estudio cuidadosamente supervisado, luego de privárseles de líquidos por 24 hrs sólo fueron capaces de concentrar la orina a 450 mOsm (vs >1000 Osm)

AQP2 Participa en las etapas finales de concentración de la orina en los

conductos colectores renales. En condiciones de diuresis se encuentra en vesículas intracelulares. Por acción de la vasopresina es exocitada a la membrana apical permitiendo la reabsorción de agua del filtrado glomerular

Individuos con mutaciones en el gen de AQP2 padecen una forma severea de Diabetes Nefrogénica Insípida (NDI) con herencia recesiva y pueden llegar a liberar hasta 20 L de orina por día. Varios de estos individuos resultaron homocigóticos o heterocigóticos compuestos para sustituciones en aa que forman parte de las paredes del poro.

Se piensa que la sobreexpresión de AQP2 pueda contribuir en estados de

retención de líquido encontrados en pacientes con fallo cardíaco o embarazadas

NID provocada por una sustitución R195C

AQP6

Se postula que participe en los mecanismos renales de control de la acidificación de la orina.

Muestra una permeabilidad al agua mínima. Se localizan junto a H+-ATPasa en vesículas intracelulares en las células secretoras de ácido del conducto colector.

Funcionan como canales aniónicos regulados por pH con gran selectividad para nitrato.

Se piensa que AQP6 pueda actuar como regulador negativo de las poblaciones intracelulares de H+-ATPasa, enzima que se conoce es inhibida por ácido nítrico

AQP0 Se expresa en células del cristalino. Posee baja permeabilidad al

agua. Algunos estudios sugieren que intervenga en la adhesión molecular célula-célula

Se han identificado mutaciones en el gen que codifica para AQP0 con herencia dominante que ocasionan cataratas en niños pequeños. Estas tienen lugar en aa muy conservados y críticos para la estructura

E134G: opacidades lamelares correspondientes con el área del cristalino al nacer

T138R: opacidades polimórficas en todo el cristalino debido a la deposición de proteína

La identificación de grandes perturbaciones en el gen de AQP0 en individuos con catarata congénita severa sugiere que polimorfismos más sutiles podrían ser factores de riesgo que contribuyan a la precipitación de las cataratas, mucho más comunes en individuos mayores

Cataratas Congénita producida por una sustitución E134G

AQP4 En el cerebro se encuentra altamente concentrada en la membrana

perivascular de las células astrogliales. Se piensa que regule el movimiento de agua entre el parénquima del cerebro y el espacio vascular.

En ratones, tanto la delección del gen de AQP4 como el cambio en la localización celular de la proteína resultaron protectores en animales estresados por edema cerebral agudo hiponatrémico o por daño cerebral isquémico

El cerebro, al ser un órgano protegido por una estructura rígida como el cráneo, posee espacio limitado para acomodar el hinchamiento sin que se produzcan daños irreversibles en las neuronas. La supervivencia y recuperación depende en muchos casos de la prevención o rápida reducción del edema cerebral, lo cual indica que la manipulación farmacológica de AQP4 puede ofrecer importantes oportunidades terapeúticas

Aquagliceroproteínas de mamíferos

AQP3 (eritrocitos): se han identificado humanos nulos para esta proteína y en ellos el transporte de glicerol en los eritrocitos está muy disminuido

AQP7 (adipocitos): liberación del glicerol procedente de la degradación de los TAG

AQP9 (hepatocitos): captación del glicerol para gluconeogénesis. Su expresión aumenta en gran medida durante el ayuno prolongado y la diabetes mellitus descontrolada. Individuo homocigótico para una mutación de pérdida de sentido en AQP7 (G226V) mostró una muy disminuída capacidad para liberar glicerol durante el ejercicio.

AQP7/AQP9 transportan arsenito As(OH)3, lo cual está relacionado con la toxicidad hepática por arsénico