AQUAPORINE

INTRODUCERE

Apa este solventul fiziologic de al carei transport depinde echilibrarea presiunilor colloidosmotice si supravietuirea celulelor.Prin membrana celulara apa trece atat prin difuzie simpla( prin lipidele membranare) cat si prin difuzie facilitata, deoarece multe celule si-au produs complexe proteice transmembranare destinate transportului pasiv al apei numite aquaporine. Aquaporinele permit trecerea mult mai rapida a apei in celula, cu o viteza de 10-100 ori mai mare decat prin difuzie simpla prin bistratul fosfolipidic.

Aquaporinele sunt proteine integrale apartinand unei familii mari de proteine intrinseci majore(MIP)..O parte din ele numite aquagliceroporine transporta si glicerol, CO2, amoniac si uree de-a lungul membranei , in functie de diametrul porului.

Rolul lor este acela de a eficientiza trecerea apei prin membrane astfel incat, pe de o parte, fenomenele fiziologice sa se petreaca dupa o dinamica adecvata si, pe de alta parte, la aparitia unor dezechilibre osmotice accidentale, homeostazia celulara sa nu sufere dramatic si sa puna in pericol supravietuirea.

LOCALIZARE

Aceste canale de apa sunt proteine identificate in toate organismele (sunt ubicuitare): bacterii, mamifere ,plante. Aquaporinele sunt localizate in membranele tuturor celulelor din corpul uman, avand rol deosebit de important in cresterea, dezvoltarea si mentinerea sanatatii organismului.

Ca proteine canal pentru apa, aquaporinele sunt abundente mai ales in celulele unde transportul de apa este foarte intens, cum ar fi in membranele eritrocitare sau la nivel renal, fiind implicate in echilibrul osmotic transmembranar.

DESCOPERIRE

Una din primele dovezi experimentale ale prezentei aquaporinei in membrana eritrocitara a fost adusa de profesorul dr. Gheorghe Benga, seful Catedrei de Biologie Celulara si Moleculara de la Scoala medicala clujeana cu doi ani inaintea (1986) “descoperirii” acesteia de catre Peter Agre si MacKennon, recent onorati cu premiul Nobel. Este o omisiune regretabila si un nou act de nedreptate impotriva unui distins cercetator roman, dupa cel comis contra prof. dr. N. Paulescu, adevaratul descoperitor al insulinei

STRUCTURA si FIZIOLOGIE

Aquaporinele sunt alcatuite din 6 domenii transmembranare si din 2 segmente scurte, helicoidale, care strajuiesc vestibulele citoplasmatic, respective extracelular ale canalului. Capetele amino- si carboxi- terminale ale lantului polipeptidic sa afla pe fata citosolica. In membrane, monomerii astfel organizati se asociaza cate patru formand homotetrameri care sunt asociati intr-o retea octogonala. Sunt proteine cu masa moleculara de ~ 30kDa iar formele glicozilate variaza intre 40-60kDa.

Pentru a se mentine gradientul ionic al membranei, acestea trebuie sa permita transportul rapid al moleculelor de apa si sa blocheze trecerea ionilor. In acest sens, aquaporinele prezinta un por ingust cu forma de clepsidra ce asigura substratul morfologic al selectivitatii pentru apa. Acest por prezinta un vestibul delimitat de resturi hidrofobe si hidrofile intr-o configuratie care sa permita doar trecerea apei intr-un singur sir. Astfel, filtrarea se realizeaza atat steric prin dimensiunile porilor de 0,28-0,30 Å si chimic in functie de distributia aminoacizilor care delimiteaza porul respectiv. Porul prezinta, pe de o parte, pe peretii circulari interiori aminoacizi hidrofili care formeaza legaturi de hidrogen cu moleculele de apa iar pe de alta parte,prezinta aminoacizi hidrofobi.

La intrarea in por are loc interactiunea dintrea atomii de hydrogen incarcati pozitivi ai moleculei de apa si rezuduurile incarcate negative de la nivelul acestuia.Aceasta afinitate permite pasajul moleculelor de apa. Asadar primii care vor interactiona cu formatiunile celulare propriu-zise sunt cei doi atomi de hidrogen.

In centrul fiecarui por, aquaporinele mai prezinta 2 asparagine in pozitiile 76 si 192, cu grupari amido care formeaza o bariera electrostatica pozitiva, ce exclude protonii si ionii pozitivi. La acest nivel, molecula de apa se rasuceste , are loc interactiunea dintre atomii de oxygen incarcati negative ai molecule de apa si resturile incarcate pozitiv ale porului. Asadar, o importanta proprietate a canalului este selectivitatea pentru apa.

Moleculele se apa circula cu viteza mare prinAQP. Acest fenomense datoreaza atat faptului ca molecula de apa interactioneaza slab cu peretii proteinei canal, cat si datorita complexului transportor, care imprima acceleratia necesara intrarii molecului de apa inpartea ingustata a clepsidreiAQP. Aceasta forma de clepsidra aAQPare multiple avantaje pentru transportul de apa. Astfel,moleculele de apa pot circula in ambele directii cu viteza, atat in exterior spre celula, cat si dinspre celula spre exterior, depinzand de presiunile colloid osmotice existente pe cele doua parti ale membrane.

TIPURI DE AQUAPORINE

Prin cercetari successive, s-a evidentiat ca la mamifere, exista 13 tipuri de aquaporine cunoscute( desemnate abreviat prin AQPx, cu x incepand de la 0, AQP0 fiind aquaporina din cristalin, numita initial proteina integral majora) dintre care 6 sunt localizate in rinichi, dar se crede ca ar exista mult mai multe. AQP1 sunt pe locul 2 ca abundenta dintre proteinele membrane eritrocitare cu aprox. 200 000 copii per celula .Prin fiecare canal de apa trec cate 10⁹ molecule de apa per secunda.

LOCALIZARE ROL

Aquaporina 0 Cristalin Echilibrul fluidului in cristalinAquaporina 1 Eritrocite Protectie osmotica

Rinichi-tubul proximal Concentrarea urineiOchi-epiteliul ciliar Producerea umorii apoaseCreier-plexul coroid Producerea lichidului cefalorahidianPlaman-celule epiteliale alveolare Starea de hidratare alveolara

Aquaporina 2 Rinichi-tubul colector Regleaza acitivitatea hormonului antidiuretic

Aquaporina 3(aquagliceroporina)

Rinichi-tubul colector Reabsorbtia apeiTrahee-celulele epiteliale Secretie de apa in trahee

Aquaporina 4 Rinichi-tubul colector Reabsorbtia apeiCreier-celulele ependimare Echilibrul LCRCreier-hipotalamus Functie osmoticaPlaman: epiteliul bronsic Secretie fluid bronsic

Aquaporina 5 Glande salivare Producere salivaGlande lacrimale Producere lichid lacrimal

Aquaporina 6 Rinichi Permeabilitate scazuta pentru apaAquaporina 7(aquagliceroporina)

Adipocite Transportul glicerolului in afara adipocitelor

Testicule si spermaAquaporina 8 Testicule, pancreas, ficatAquaporina 9(aquagliceroporina)

Leucocite

Exprimarea adecvata a aquagliceroporinelor in celule este importanta pentru multe fenomene fiziologice: adsorbtia adecvata la nivelul cailor urinare pentru formarea urinei, semnalizare neuronala prin modularea transportului prin canale ionice, motilitate celulara, hidratarea pielii, proliferare celulara, metabolismul lipidic (implicarea aquagliceroporinelor)

In celulele principale ale tubilor colectori renali se gasesc cel putin doua tipuri de aquaporine: AQP 2 sunt sintetizate, dar in absenta hormonului ADH, stau in vezicule cu membrana in citoplasma. Legarea hormonului la receptorul sau stimuleaza transcriptia genei AQP2 si determina inserarea AQP din vezicule in membrana apicala.Celula este astfel capabila sa preia eficient apa din lumenul tubului.AQP3 se gasesc in membrana bazolaterala a celulelor.Cand apa intra in celula prin AQP2 poate sa iasa rapid din celula prin AQP3, ajungand in sange.

Investigatiile au aratat ca sunt putini oameni care nu au AQP1 deloc.Toti cei identificati pana acum, au fost femei care au produs anticorpi anti-AQP1 in timpul sarcinii.Surprinzator, niciuna nu prezenta semne clinice fenotipice evidente, ci un defect in abilitatea de a concentra urina si a pastra apa in organism in caz de deshidratare.

IMPLICATII CLINICE

Deficiente in exprimarea aquaporinelor sau lipsa lor pot induce sau insoti diverse patologii (cataracta, diabet insipid, edem cerebral, obezitate etc.)

Lipsa AQP la nivel renal poate cauza o absorbtie ineficienta de apa. Lipsa AQP la nivelul glandelor salivare sau arborelui traheobronsic duce la aparitia deficientelor secretorii. AQP intervin in angiogeneza- explicabil si la nivel tumoral. S-a observant o inaintare mai inceata a

tumorilor la soareci care nu prezentau AQP. Lipsa aquagliceroporinelor la nivelul pielii duc la deshidratare. Mutatii in gena pentru AQP2 duc la diabet insipid nefrogen ereditar. De asemenea, AQP joaca un rol

cheie in formele dobandite de diabet insipid nefrogen.Acestea pot rezulta din reglarea defectuoasa a AQP2 datorita administrarii de saruri de litiu ca tratament pentru tulburarea bipolara,unor concentratii scazute de potasiu in sange(hypokalemia), concentratii mari de calciu in sange sau datorita consumului excesiv de apa fata de necesarul normal, care se transforma din obicei in ceva cronic.

Reactiile autoimune impotriva AQP4 produc boala Devic (neuromielita optica) ce consta in inflamarea si demielinizarea periodica si simultana a nervului optic si maduvei spinarii.

Daca aquaporinele ar putea fi manipulate, s-ar putea rezolva probleme medicale precum retinerea de fluid in bolile de inima si edem cerebral dupa infarct.

BIBLIOGRAFIE

Medical Physiology Walter F. Boron, Emile L. Boulpaep

Molecular Biology of the Cell Bruce Alberts