Acuaporinas: qué son, funciones, estructura, tipos, patologías asociadas
¿Qué son las acuaporinas?
Las acuaporinas, también conocidas como canales de agua, son moléculas de proteína que atraviesan las membranas biológicas. Se encargan de mediar el flujo rápido y eficiente de agua dentro y fuera de las células, evitando que el agua interactúe con las porciones hidrofóbicas típicas de las bicapas de fosfolípidos.
Estas proteínas se asemejan a un barril y tienen una estructura molecular muy particular, compuesta principalmente por hélices. Están ampliamente distribuidas en distintos linajes, incluyendo desde pequeños microorganismos hasta los animales y plantas, donde son abundantes.
Perspectiva histórica
Con un conocimiento básico en fisiología y en los mecanismos que los solutos se mueven a través de las membranas (activo y pasivo), podríamos intuir que el transporte de agua no supone problema alguno, entrando y saliendo de la célula por difusión simple.
Esta idea se manejó durante muchos años. Sin embargo, algunos investigadores divisaban la existencia de algún canal de transporte de agua, ya que en ciertos tipos celulares con altas permeabilidades ante el agua (como las del riñón, por ejemplo), la difusión no sería un mecanismo suficiente para explicar el transporte de agua.
El médico e investigador Peter Agre (1949) descubrió estos canales proteicos en 1992, mientras trabajaba con la membrana de los eritrocitos.
Gracias a este descubrimiento, ganó (junto con sus colegas), el premio Nobel en 2003. Esta primera acuaporina recibió el nombre de “acuaporina 1”.
Estructura
La forma de la acuaporina recuerda a un reloj de arena, con dos mitades simétricas orientadas de manera opuesta. Esta estructura cruza la doble membrana lipídica de la célula.
Hay que mencionar que la forma de la acuaporina es muy particular y no se parece a ningún otro tipo de proteínas que atraviesan la membrana.
Las secuencias de aminoácidos son predominantemente polares. Las proteínas transmembranales se caracterizan por poseer un segmento rico en segmentos alfa helicoidales. Sin embargo, las acuaporinas carecen de dichas regiones.
Gracias a las tecnologías actuales, se ha logrado dilucidar con detalle la estructura de la porina: son monómeros desde 24 hasta 30 KDa, que consisten en seis segmentos helicoides con dos pequeños segmentos que rodean el citoplasma y se conectan mediante un pequeño poro.
Estos monómeros se ensamblan en grupo de cuatro unidades, aunque cada uno puede funcionar de manera independiente. En las hélices pequeñas, existen algunos motivos conservados, entre ellos el NPA.
En algunas acuaporinas encontradas en mamíferos (AQP4) ocurren agregaciones superiores que forman arreglos cristalinos supramolecuares.
Para poder transportar el agua, el interior de la proteína es polar y el exterior es apolar, contrario a las proteínas globulares comunes.
Funciones de las acuaporinas
La función de las acuaporinas es transportar el agua hasta el interior de la célula en respuesta de un gradiente osmótico.
No necesita ningún tipo de fuerza adicional o bombeo: el agua entra y sale de la célula por ósmosis, mediada por la acuaporina. Algunas variantes también transportan moléculas de glicerol.
Para realizar este transporte y aumentar la permeabilidad ante el agua sustancialmente, la membrana celular se encuentra repleta de moléculas de acuaporinas, en un orden de densidad de 10.000 micrómetros cuadrados.
Funciones en animales
El transporte de agua es vital para los organismos. Tomemos el ejemplo puntual de los riñones: estos deben filtrar a diario cantidades inmensas de agua. Si este proceso no ocurre adecuadamente, las consecuencias serían fatales.
Además de la concentración de la orina, las acuaporinas están involucradas en la homeostasis general de los fluidos corporales, en la función cerebral, secreción de las glándulas, hidratación de la piel, fertilidad en los machos, visión o audición –solo por mencionar algunos procesos biológicos–.
En experimentos realizados en ratones se concluyó que también participan en la migración celular, papel que se aleja mucho del transporte de agua.
Funciones en plantas
Las acuaporinas son mayormente diversas en el reino de los vegetales. En estos organismos median procesos cruciales como la transpiración, la reproducción o el metabolismo.
Además, juegan un papel importante como mecanismo adaptativo en ambientes cuyas condiciones ambientales no son óptimas.
Funciones en microorganismos
Aunque las acuaporinas están presentes en los microorganismos, aún no se ha encontrado una función concreta.
Principalmente por dos razones: la elevada relación superficie-volumen de los microbios supone un equilibrio osmótico rápido (haciendo innecesarias a las acuaporinas) y estudios de deleciones en microbios no han arrojado un fenotipo claro.
No obstante, se especula que las acuaporinas puedan ofrecer cierta protección ante eventos sucesivos de congelación y descongelación, manteniendo la permeabilidad del agua en las membranas a temperaturas bajas.
Tipos de acuaporinas
Se conocen moléculas de acuaporinas en diversos linajes, tanto en plantas y animales como en organismos menos complejos, y estas se asemejan mucho entre sí –suponemos entonces que aparecieron temprano en la evolución–.
En plantas se han encontrado unas 50 moléculas diferentes, mientras que los mamíferos poseen solo 13, distribuidos por diversos tejidos, como el tejido epitelial y endotelial del riñón, pulmón, glándulas exocrinas y órganos relacionados con la digestión.
Sin embargo, las acuaporinas también pueden expresarse en tejidos que no poseen una relación obvia y directa con el transporte de fluidos en el cuerpo, como en los astrocitos del sistema nervioso central y en ciertas regiones del ojo, como la córnea y el epitelio ciliar.
Existen acuaporinas hasta en la membrana de hongos, de bacterias (como E. coli) y en las membranas de orgánulos, como cloroplastos y mitocondrias.
Patologías médicas asociadas a las acuaporinas
En pacientes que poseen algún defecto en la secuencia de la acuaporina 2 presente en las células del riñón, deben tomar más de 20 litros de agua para lograr mantenerse hidratados. En estos casos médicos, no existe una concentración adecuada de la orina.
El caso contrario también resulta en un caso clínico interesante: la producción de acuaporina 2 en exceso lleva a la retención de líquido excesiva en el paciente.
En los periodos de embarazo, tiene lugar un incremento en la síntesis de las acuaporinas. Este hecho explica la retención de líquido común en las embarazadas. Del mismo modo, la ausencia de la acuaporina 2 se ha relacionado con la aparición de cierto tipo de diabetes.
Referencias
- Brown, D. The discovery of water channels (Aquaporins). Annals of Nutrition and Metabolism.
- Campbell, A, N., & Reece, J. B. Biología. Editorial Médica Panamericana.
- Lodish, H. Biología celular y molecular. Editorial Médica Panamericana.
- Sadava, D., & Purves, W. H. Vida: La ciencia de la biología. Editorial Médica Panamericana.
- Verkman, A. S. Aquaporins in clinical medicine. Annual review of medicine.