De La Estructura A La Enfermedad[1]

DE LA ESTRUCTURA A LA ENFERMEDAD ACUAPORINAS Nuestro entendimiento acerca del movimiento del agua a través de las membranas celulares está satisfactoriamente avanzado por el descubrimiento de una familia de canales proteicos de membrana agua específicas – las acuaporinas. Estas proteínas están presentes en organismos en todos los niveles de vida, y sus características únicas de permeabilidad y distribución en numerosos tejidos indica los diversos rotes en la regulación de la homeostasis del agua. El reconocimiento de acuaporinas estimuló una reconsideración de la permeabilidad de la membrana par el agua por los investigadores a lo largo de varias disciplinas. La existencia de proteínas que forman canales de membrana específicos para el agua fue postulado por varias décadas basados en mediciones biofísicas de la permeabilidad de la membranas de células rojas y de células epiteliales del túbulo renal proximal. La acuaporina 1 fue el primer canal de membrana descubierto. El agua puede ser transportada por varias otras proteínas de membrana como por ejemplo el cotransportador sodio glucosa. Como siempre, el reconocimiento de las propiedades únicas de las acuaporinas resulta en un paradigma en nuestra consideración de la permeabilidad de membrana: se conoce ahora que el transporte del agua puede ser regulado independientemente del transporte de solutos. Recientes reportes de laboratorios alrededor del mundo ha adelantado nuestro entendimiento de la biología de las acuaporinas, de los determinantes estructurales de la permeabilidad del canal en su función en diferentes órganos. La familia de las acuaporinas Once acuaporinas en mamíferos han sido reportadas hace tiempo. Cada una tiene una distribución celular y subcelular única. La familia de las acuaporinas puede ser dividida en dos grupos en base a sus características de permeabilidad que generalmente coincide con su secuencia de aa específica. La mayoría de miembros del primer grupo de acuaporinas son sólo permeables al agua, este grupo incluye las acuaporinas de la 1 a la 8, menos la 3. la acuaporina 6 y 8 están en este grupo en base al análisis de su secuencia de aminoácidos, sin embargo la acuaporina 6 es también permeable a aniones y la acuaporina 8 puede ser permeable al agua y urea. Los miembros del segundo grupo (3, 7, 9 y 10) son permeables al agua en diferentes grados, pero también son permeables a solutos pequeños, en particular el glicerol. Por que necesitamos tantas acuaporinas? La respuesta probablemente deriva de la diversidad de requerimientos en diferentes células y órganos para la regulación de la homeostasis del agua. En la familia de acuaporinas se han identificado diferencias en la regulación transcripcional de los genes, tanto como en la modificación post transcripcional, estabilidad y distribución polarizada de las proteínas. Es evidente que las características de permeabilidad difieren dentro de algunos miembros de la familia de acuaporinas. Lal complejidad en la regulación de la expresión y las necesidades de permeabilidad obliga a la existencia de más de un gen para los canales de agua. La estructura de las acuaporinas El análisis bioquímico de la acuaporina 1 reveló que la acuaporina está presente en la membrana celular como un tetrámero. Estudios recientes han revelado el arreglo tridimensional de la proteína así como las características que explican las características de permeabilidad de los canales de agua. Estructura monomérica La secuencia básica de las acuaporinas son tres aa, …., prolina y alanina (NPA). Un NAP es encontrado en encontrada en la mitad el extremo aminoterminal de cada monómero, y el segundo NPA está en la mitad del extremo carboxiterminal. La similitud entre diferentes acuaporinas las mitades de los extremos amino y carboxiterminales de la acuaporina 1 esta dada por su secuencia y estas mitades están orientadas en direcciones opuestas al cruzar la membrana celular. El análisis de la acuaporina 1 indica la presencia de 6 hélices transmembrana en cada monómero. Se ha hallado una forma de baso con dos orejas, la oreja B intracelular y la oreja E extracelular, ordenándose en la membrana para formar un poro. Estudios estructurales recientes en los ue se incluye la microscopia de la acuaporina 1 en glóbulos rojos humanos han confirmado la estructura en vaso.

Formación de tetrámeros las acuaporinas están presentes en la membrana como tetrámeros pero a diferencia de los canales iónicos, la permeabilidad de los canales para el agua no reside en el centro del tetrámero; cada monómero contiene un canal. La hélices de cada monómero de acuaporina que están ubicadas hacia fuera del tetrámero son hidrofóbicas y las que están ubicadas hacia el centro del tetrámero son hidrofilicas. Selectividad y entrada del canal: Estudios estructurales también han revelado que la restricción de la permeabilidad de la acuaporina 1 para el agua se basa en dos mecanismos principales. El primero, los canales tienen un diámetro de aproximadamente 2.8 A, lo cual físicamente limita el tamaño de las moléculas que pueden pasar a través de él. Como el agradamiento del canal es predecible que ocurre en todos los homólogos de las acuaporinas que tienen permeabilidad por moléculas pequeñas como el glicerol y la urea. El segundo mecanismo envuelve la orientación de un par de APA. Estas parejas interactúan con moléculas individuales de agua e impiden que entre las moléculas de agua se formen puentes de hidrógeno, la separación funcional del agua en moléculas elimina la posibilidad de la transferencia de iones hidrógeno a través del canal. La combinación del tamaño y la carga son las bases para las características únicas de permeabilidad de las acuaporinas. Para muchos miembros de la familia de las acuaporinas la puerta de entrada del canal tiene un rol importante en la regulación de la permeabilidad. Estudios indican que la puerta de entrada del canal puede conducir a una alteración rápida de la permeabilidad de la membrana para el agua en tejidos y condiciones especificas. La fisiología de las acuaporinas en la salud y la enfermedad: Las siguientes secciones describen la regulación y fisiología de las acuaporinas en diferentes órganos en los que se cree que cumplen un rol fundamental. Las acuaporinas en el riñón: el riñón es el órgano primario para la regulación del agua corporal y la función de las acuaporinas es mejor conocida en este órgano. Cada riñón contiene aproximadamente un millón de neuronas y cada segmento de nefrón tiene una permeabilidad al agua que se correlaciona con la presencia de diferentes acuaporinas. En el nefrón proximal abunda la acuaporina 1 tanto en la membrana apical como en la baso lateral del túbulo contorneado proximal. La acuaporina 7 y la 8 también están presentes en el epitelio del túbulo contorneado proximal. Investigaciones recientes en ratones y humanos confirmaron el rol funcional de la acuaporina 1 en el riñón. En el ratón el bloqueo de la acuaporina 1 incrementa el flujo urinario y disminuye la capacidad de concentración, tanto como disminuye la permeabilidad al agua del túbulo contorneado proximal y de los vasos rectos descendentes. Estas consecuencias funcionales son consistentes con las predicciones que se han hecho en base a la distribución de esta proteína. Al examinar la hipótesis de que la ausencia de acuaporina 1 produciría defectos en la homeostasis del agua bajo condicione de estrés, la función renal fue evaluada en dos humanos sin acuaporina 1. ambos individuos tuvieron volumen urinario normal y índices normales del clearence renal, cuando se depriva de agua los individuos con acuaporina 1 nula tuvieron incrementos normales de la osmolaridad plasmática y de vasopresina; ambos tuvieron una habilidad limitada para la concentración urinaria. Esto indica que en contraste con los ratones con acuaporina 1 nula, el defecto primario en los humanos no es en el túbulo proximal sino en los vasos rectos descendentes. Muchas proteínas de canales de agua son expresadas en los túbulos renales, por ejemplo, la acuaporina 2 esta presente en las principales células que reaborden el agua. La vasopresina es la hormona antidiurética y estimula la concentración urinaria incrementando la permeabilidad al agua en el túbulo colector. Después de la unión de la vasopresina a su receptor en el túbulo colector, vesículas intracelulares que contienen acuaporina 2 son traslocados a la membrana apical lo que incrementa la permeabilidad del túbulo colector al agua. La acuaporina 2 se encuentra fundamentalmente en la membrana apical de túbulo colector, pero en la médula renal se puede hallar en la membrana baso lateral. Algunos de los componentes fundamentales del mecanismo de la acuaporina 2 han sido establecidos. Siguiendo la unión de la vasopresina a su receptor, los niveles de AMPc incrementan y la acuaporina 2 es fosforilada por una proteínquinasa A. el movimiento de las vesículas con acuaporina 2 luego de su síntesis no necesita fosforilación. Las acuaporinas 3 y 4 son expresadas en la membrana basolateral del túbulo colector. La acuaporina 3 está difusamente distribuida en la membrana mientras que la acuaporina 4 se

ubica principalmente en la parte intramedular del túbulo colector. Déficit de acuaporina 3 causa poliuria. La acuaporina 6 es un canal de agua intracelular que reside en las vesículas intracelulares de las células intercaladas que secretan ácido en el túbulo colector. En estas vesículas la acuaporina 6 se localiza con la H ATPasa, una proteína que participa en la secreción de ácido hacia la orina. La acuaporina 6 es permeable a aniones y agua y su función como canal es activada por el pH ácido y el nitrato. La acuaporina 6 participa probablemente en la regulación ácido básica por la regulación de las células intercaladas. Acuaporinas en el pulmón: la homeostasis del agua es un elemento crucial en numerosos procesos fisiopatológicos que ocurren en el tracto respiratorio y el trabajo de las acuaporinas está presente en este tracto. En el tracto respiratorio superior, el epitelio nasofaríngeo y de la tráquea muestra patrones similares de expresión de acuaporinas en humanos ratas y ratones. La acuaporina 3 se encuentra en las células basales, la acuaporina 4 en la membrana basolateral de las células columnares ciliadas, la acuaporina 5 en la membrana apical de las células de las glándulas secretoras que están en el epitelio. La acuaporina 1 es abundante en las células endoteliales de los capilares y vénulas alrededor de las vías respiratorias y alvéolos. En los alvéolos la acuaporina 5 está presente en la membrana apical de los neumocitos tipo I y los neumocitos tipo II pueden expresar acuaporina 3. Las acuaporinas del tracto respiratorio son reguladas por varios niveles. Los corticoides inducen la expresión de acuaporina 1 en pulmones fetales y adultos. El FNT induce la expresión de acuaporina 5 y el AMPc y la hipertonicidad incrementan el número de acuaporina 5. finalmente, la acuaporina 3 dependiente de pH da el medio ácido normal que se encuentra en el tracto respiratorio normal. Las glándulas submucosas en las vías aéreas contribuye a la generación de la película líquida de las vías respiratorias, ésta ayuda a atrapar partículas y microorganismos inhalados y así son eliminados por los cilios. La acuaporina 5 es abundante en la membrana apical de de las células secretoras en estas glándulas. Los neumocitos tipo I que expresan acuaporina 5 son extremadamente permeables al agua, los niveles de acuaporina 1 y 5 son reducidos en los pulmones de ratones luego de una infección viral al mismo tiempo que incrementa el edema pulmonar. Estas observaciones son consistentes con la participación de las acuaporinas en la homeostasis alterada del agua que está asociada a la injuria pulmonar. Acuaporinas en los ojos: la homeostasis del agua es crucial para el funcionamiento de los ojos, por ejemplo para proteger el epitelio , para regular la presión intraocular y para mantener transparente el camino de la luz. La acuaporina 0 constituye el 50% del total de las proteínas de membrana en las fibras celulares de los lentes, aquí, es creíble que tengan un rol estructural como molécula de adhesión intercelular además de funcionar como un canal de agua con poca capacidad. Mutaciones en los genes que codifican la acuaporina 0 han sido identificadas en pacientes con catarata bilateral congénita. Las acuaporinas en otras partes del ojo solo cumplen su rol como canales de agua y participan en la homeostasis de la misma. La acuaporina 1 está presente en los fibroblastos de la esclera, el endotelio y en los queratinocitos de la córnea y en el epitelio de los lentes. La acuaporina 1 y 4 están presentes en epitelios no pigmentados del cuerpo ciliar anterior (una estructura que contribuye al movimiento del humor acuoso) en la cámara anterior del ojo. Además, la acuaporina 1 está presente en el cuerpo trabecular y en los canales de schelemm, estructuras que reabsorven el humor acuoso fuera de la cámara anterior del ojo. La acuaporina 5 esta expresada en las células de las glándulas lacrimales así como en la membrana apical del epitelio corneal en el que contribuye probablemente a la generación de la fase líquida que ayuda a proteger la córnea de injuria mecánica. La acuaporina 3 se encuentra en el epitelio que recubre los márgenes del ojo (conjuntiva) y puede ayudar a lubricar la superficie ocular. La acuaporina 4 está presente en dos tipos celulares de la retina, celulas de muller y células gliales y aquí probablemente contribuyen en la regulación de la osmolaridad extracelular que fluctua con la actividad neuronal. Acuaporinas en las glándulas secretoras: la secreción de las glándulas lacrimales, salivales y sudoríparas están diferencialmente reguladas. Como siempre, en cada glándula las secreciones son generadas gracias a la dupla del transporte de electrolitos gracias al flujo acuoso y la acuaporina 5 puede ser hallada en la membrana apical de las células secretoras de cada una de estas glándulas. El síndrome de Sjogren es una enfermedad autoinmune cuya principal manifestación clínica es la sequedad de ojos y boca, la expresión de la acuaporina 5 en

glándulas lacrimales y salivales indican un rol potencial de esta acuaporina en la fisiopatología de esta enfermedad ya que se ha encontrado niveles disminuidos de esta acuaporina en las glándulas salivales y lacrimales de individuos afectados por esta enfermedad. Acuaporinas en el cerebro: la regulación del agua es crucial para el funcionamiento cerebral. El cerebro está formado principalmente por dos tipos celulares, las neuronas que reciben y transmiten señales nerviosas y las células gliales que cumplen varios roles de soporte para las neuronas. Las acuaporinas están expresadas en las células gliales en sitios que indican su función en la homeostasis del agua en el cerebro. Los astrositos, un tipo de células gliales, forman proyecciones de membrana plasmática alrededor de los vasos sanguíneos en el cerebro. Se cree que contribuyen a las propiedades especializadas de la barrera hematoencefalica que limita la permeabilidad de moléculas y agua. Estas proyecciones expresan acuaporina 4 abundantemente, además estudios han mostrado que las células endoteliales cerebrales también expresan la acuaporina 4. La acuaporina 1 se expresa en la membrana apical de las células de los plexos coroideos. Otros roles de las acuaporinas La acuaporina 3 es expresa en los queratinocitos de la piel y parece que tienen un rol en la hidratación del estrato córneo (en ratones) y, estudios han demostrado que la acuaporina 3 es un elemento crucial en las funciones básicas de la piel. Se ha descubierto la presencia de acuaporina 8 1 y 5 en células pancreáticas y de los conductos pancreáticos que indicaría un rol potencial en la función exocrina del páncreas. Muchas acuaporinas se han descubierto en las células de los oídos. La distribución de acuaporina 7 y 8 en el desarrollo de espermatozoides indican roles potenciales de éstas en la fertilidad masculina. Han emergido roles potenciales de las acuaporinas en el metabolismo de carbohidratos, la acuaporina 7 está presente en adipositos y es permeable al glicerol, la acuaporina 9 es abundante en los hepatocitos y también son permeables al glicerol. El descubrimiento de las acuaporinas ha engrandecido nuestro conocimiento de las bases moleculares del transporte del agua a través de la membrana y obliga a una reconsideración de los determinantes de la permeabilidad de las membranas al agua. Estudios sobre la expresión genética como estudios de la estabilidad proteica pueden revelar mecanismos para la manipulación del nivel de expresión de las acuaporinas. El grado por el que las acuaporinas determinan la permeabilidad de las membranas al agua es específico en cada tejido. Estos conocimientos dan herramientas para considerar a las acuaporinas como blancos terapéuticos específicos de varias condiciones fisiopatológicas en las que la disrupción de la homeostasis del agua es la principal manifestación.