Aquaporina el verdadero Watergate de las proteínas

La pequeña molécula de agua con sus 2.8Å de ancho y su fuerte polaridad es la molécula clave para la vida y por tanto un bien a conservar por todo organismo, pero hasta hace bien poco no se le conocía transportador específico, un watergate, algo como una presa molecular. Esa estructura es ahora conocida como acuaporina y está presente en casi todos los organismos, bacterias, arqueas, hongos, plantas y todos los animales. En humanos hay unas doce acuaporinas distintas que se expresan en diferentes tipos de células como ciertas del riñón, globulos rojos, del ojo, capilares, piel etc. Las acuoporinas son unos ejemplos simples y muy interesantes sobre como funciona una proteína de membrana y se dan muchos descubrimientos científicos en biología.

En las bicapas lipídicas que delimitan las células se produce un fenómeno de paso de agua por difusión pasiva que era conocido desde mucho tiempo atrás. Si ponemos una célula en agua salina ésta perderá el agua y se arrugará como una pasa, por el contrario si la echamos en agua destilada se hinchará hasta explotar. Esto pasa con todas las células rodeadas únicamente de una bicapa, se produce por paso simple pero lento de moléculas de agua a través de la membrana, pues esta es muy impermeable pero no totalmente. También se había observado en ciertas células como los glóbulos rojos que este proceso es más rápido que la simple difusión, son más permeables al agua por alguna razón. Además, en los años 70 Bob Macy de la Universidad de Berkley California descubrió que la difusión pasiva de agua a través de las membranas no parecía bloqueable pero en ciertas células como los eritrocitos, el ión mercurio, sí bloqueaba el transporte rápido de agua. Además, el tratamiento con agentes reductores devolvía la permeabilidad rápida del agua. Esto parecía señalar claramente a la existencia de un mecanismo de transporte facilitado de agua, como una proteína que contuviera un grupo sulfihidrilo libre como el del aminoácido cisteina, pero no aparecía se resistía a mostrarse como watergate panza arriba.

aquaporin water molecule channel tetramer extracelular bottom intracellular top membrane cut view dc

Tetrámero de aquaporina, la proteína transportadora de moléculas de agua de un lado al otro de la membrana lipídica. Cada cadena individual forma un poro por si sola. La figura muestra un corte transversal de la membrana (arriba parte intracelular) con uno de los monómeros representado como modelo de cinta representando la estructura secundaria del esqueleto polipétidico. Se aprecian la seis hélices transmembrana más dos hélices alfa más cortas opuestas. Los canales son los suficientemente estrechos para permitir solo el paso de una molécula de agua. Las células que expresan aquaporina en sus membranas llegan antes al equilibrio osmótico con su medio que las que no la expresan y el agua paso por difusión pasiva.

Por accidente, el laboratorio de Peter Agre estudiando la proteína implicada en el grupo sanguíneo Rh encontró que junto a la que él buscaba le precipitaba siempre otra proteína muy abundante en la membrana de los eritrocitos. Al ver que existía otra similar en riñón decidieron obtener el mensajero de ARN y su correspondiente ADN complementario (cDNA). Al analizar la secuencia descubrieron que este transcrito codificaba una proteína de 269 aminoácidos y además en riñón se encontró un mensajero similar. De la secuencia de una proteína se pueden inferir algunas cosas al compararlas con otras de estructura conocida. Por estos estudios de secuencia se averiguó que la proteína que por sí sola forma el poro tiene una pseudo simetría doble con varias posibles hélices transmembrana, es decir tiene dos mitades parecidas contrapuestas como si conformara un yin-yang cilíndrico.

La estructura siempre es congruente con la función y lo siguiente que se hizo fue intentar resolver la estructura de la acuaporina. Y en 2000 Yoshinori Fujiyoshi y Andreas Engel publicaron la estructura aproximada de la primera acuaporina confirmando muchas de la suposiciones hechas a partir e la secuencia. Se vio que era un tetrámero de poros muy estrechos individuales situados en el centro de cada monómero. Confirmando la estructura compuesta por seis hélices transmembrana y dos hélices que penetran hasta la mitad de la membrana y la cuasi simetría doble. De tal manera que una de las hélices pequeñas que en la parte extracelular y la otra en la intracelular que como se aprecia en la figura parecen unirse en el centro para formar las dos astas de una equis. Posteriores estudios con rayos x resolvieron una estructura más detallada de las posiciones exactas de los residuos revelando el funcionamiento del poro y su selectividad hacia la molécula de agua.

No obstante, el conducto de agua que forma la acuaporina no es simplemente una conducto de paso de moléculas de agua en fila india, pues esto sería una grave problema. Las moléculas de agua polares a su paso se alinearían formando enlaces de hidrógeno y esto a su vez convertiría la hilera de moléculas en un cable conductor de protones de un lado al otro de la membrana. Mediante un mecanismo conocido como “mecanismo Grotthuss”. Las membranas biológicas suelen mantener una diferencia de potencial electroquímimco entre dentro y fuera que se desharía si se produjeran estos cables pasa protones. La acuaporina posiciona la moléculas de agua cuando pasan a su través de modo que no puedan alinearse entre ellas en partes del recorrido y sí con los residuos de la proteína como las asparaginas situadas en el centro del conducto. Parece ser que las moléculas a la entrada se direccionan en sentido contrario que en la salida no permitiendo la alineación.

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Vista del conducto de paso del agua a través de la aquaporina 1. En el vestíbulo extracelular (arriba) y el intracelular (abajo) del conducto esperan las moléculas de agua en solución para pasar por el estrecho pasaje que los conecta de unos 3 nanómetros de ancho y 20Å de largo, en fila de una en una. En la figura se muestran los aminoácidos de arginina 195 e histidina 180 (H180) muy cercanos que aseguran esta restricción de tamaño a 2.8Å, justo el porte de la molécula de agua y electrostática ya que con su carga positiva también repelen el paso de protones o más correctamente moléculas agua protonadas (H3O+). En la entrada también se encuentra un residuo de cisteína que es el sitio de unión del ion mercurio capaz de bloquear el paso de agua por la aquaporina. Además, en la mitad del pasaje se muestran dos residuos de asparagina (ASN76 y ASN92) capaces de formar enlaces de hidrógeno con una molécula de agua y así reorientarla. Cada una pertenece a una de las hélices más pequeñas que penetra hasta la mitad de la bicapa dispuestas para formar una carga positiva parcial en el interior que reoriente la molécula de agua a su paso. Todo ello permite el paso rápido selectivo de moléculas de agua en función de la presión osmótica sin permitir el paso de protones qua alteraría la diferencia de cargas entre el interior y exterior celular imprescindible para las funciones vitales.

En la figura se explica la estructura y el mecanismo que permite la gran selectividad del poro a la molécula de agua en detalle. El conducto que atraviesa la bicapa tiene un estrechamiento en el centro donde las moléculas pasan en fila india. En él se encuentra filtro de tamaño constituido por los residuos de cisteina 189, histidina 180 (voluminosa y con algo de carga positiva) y arginina 195 (con una fuerte carga positiva) que también impedirían la entrada del ion hidronio (H3O+) al tener este también carga positiva. Además, hay una segunda barrera en el centro donde la molécula de agua se reorienta formando enlaces de hidrógeno transitorios con dos residuos de asparagina muy conservados. El resultado es un flujo de agua sin resistencia, muy muy rápido más que un conducto iónico normal, pero muy restrictivo a otras moléculas pequeñas y a los peligrosos protones.

Poco después se descubrió que hay unos componentes de la familia acuaporinas que además de agua dejan pasar otra molécula amás grande y muy importante, el glicerol. En la gliceroacuaporinas el aminoácido de histidina 180 no está presente y su cambio por un aminoácido pequeño le da un amstrong más de diámetro al poro y lo hace menos selectivo. Es por esto por lo que se considera que esta histina es fundamental para el filtro de especificidad en las acuaporinas que solo dejan pasar agua.

Los humanos tenemos hasta 12 acuaporinas diferentes implicadas en numerosas funciones como son la secreción del fluido cerebroespinal, el humor acuoso de los ojos, saliva, lagrimas , sudor, la humedad de las vías aéreas concentración de la orina durante los periodos sin beber y está íntimamente relacionada con dolencias que cursan con retención de agua, deshidratación, edema cerebral, exceso de sudoración, ojos secos, etc. Las gliceroacuaporinas también están relacionadas con el metabolismo el tejido adiposo como el uso de glicerol en épocas de ayuno o inanición o en el caso contrario en su utilización por el hígado para fabricar glucosa.

Peter Agre recibió el Nobel de Química en 2003 por el descubrimiento de estos conductos de agua presentes en las membranas celulares. El Nobel lo compartió con Roderick Mackinnon por su trabajo en otro tipo de conductos de membrana en este caso los transportadores de potasio. Peter Agre es un científico comprometido socialmente y por ello a formado parte en comités de acercamientos a las sociedades científicas de países como Cuba tras el relajamiento del estricto embargo por parte de Estados Unidos e incluso a países como Korea del Norte, Myammar e Iran con el fin de acercar posturas con sus sociedades científicas. Desde 2008 dirige el Jonhs Hopkins Malaria Research Institute que el creó junto con la Bloomber Fundation y que está dedicado al estudio de la malaria y la puesta en marcha de programas en zonas donde la malaria se resiste o reaparece. Actualmente está menos activo tras ser diagnosticado de parkinson en 2012. En sus charlas siempre deja bien clara la implicación y el fuerte papel de los jóvenes en los descubrimientos científicos y por tanto en progreso de la sociedad.

Esta entrada participa en la LXII edición del Carnaval de Química, alojada en el blog ‘Huele a Química‘ de @hueleaquimica

REFERENCIAS

The Structure of Aquaporin-1 at 4.5-Å Resolution Reveals Short α-Helices in the Center of the Monomer. Kaoru Mitsuoka, Kazuyoshi Murata, Thomas Walz, Teruhisa Hirai, Peter Agre, J.Bernard Heymann, Andreas Engel, Yoshinori Fujiyoshi. Journal of Structural Biology. Volume 128, Issue 1, 1 December 1999, Pages 34–43

Aquaporin water channels: atomic structure molecular dynamics meet clinical medicine. Kozono D, Yasui M, King LS, Agre P. J Clin Invest 2002;109:1395–1399.

The Aquaporin Water Channels. Peter Agre. Proc Am Thorac Soc. 2006 Mar; 3(1): 5–13.doi: 10.1513/pats.200510-109JHPMCID: PMC2658677

Structural basis for conductance by the archaeal aquaporin AqpM at 1.68 Å.John K. Lee, David Kozono, Jonathan Remis, Yoshichika Kitagawa, Peter Agre, and Robert M. Stroud. doi: 10.1073/pnas.0509469102
Benga G, Popescu O, Pop VI, Holmes RP (1986). “p-(Chloromercuri)benzenesulfonate binding by membrane proteins and the inhibition of water transport in human erythrocytes”. Biochemistry. 25 (7): 1535–8. doi:10.1021/bi00355a011. PMID 3011064.

Benga G, Popescu O, Pop VI, Holmes RP (1986). “p-(Chloromercuri)benzenesulfonate binding by membrane proteins and the inhibition of water transport in human erythrocytes”. Biochemistry. 25 (7): 1535–8. doi:10.1021/bi00355a011. PMID 3011064.

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