acuaporinas 12-06_Zardoya

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Acuaporinas:los canalesde agua celularesLas acuaporinas regulan el paso del agua a través de la membrana celular.

Forman una familia de proteínas muy diversa; se hallan presentes en todos los seres vivos.

Abundan sobre todo en plantas y en el sistema renal de animales

Miriam Echevarría y Rafael Zardoya

El agua, el compuesto más abundante de nuestrocuerpo, es esencial para la vida. Todos losiones, lípidos, azúcares, proteínas y otras ma-cromoléculas que forman parte de las célulasy su entorno se encuentran disueltos en medioacuoso. Para realizar las funciones que hacen

posible la vida, las células deben incorporar nutrientes,hormonas, iones y gases. Y deben también expulsar sus-tancias de desecho.

Ese intercambio de materia con el entorno se reali-za a través de la membrana. Opera un mecanismo dedifusión pasiva o se recurre a proteínas transportadorasespecíficas. La circulación de iones y otras moléculasprovoca una distribución desigual de estas sustancias aun lado y otro de la membrana celular.

El transporte genera un flujo de agua a través de lamembrana. La entrada y salida de agua cambia el vo-lumen de la célula, amén de modificar la composicióndel medio intracelular y extracelular. Entender cómoel agua atraviesa las membranas celulares en nuestrocuerpo ha constituido una de las cuestiones de mayorinterés en biología.

Los primeros modelos teóricosYa en 1895, Charles Overton publicó un extenso estudiosobre las propiedades osmóticas de las células, vegetalesy animales; analizaba allí el efecto ejercido por más de500 compuestos químicos en el flujo del agua a tra-vés de la membrana celular. Desde entonces, y durantemuchos años, se creyó que el agua podía atravesar lamembrana celular por difusión pasiva entre los lípidosque constituyen dicha estructura.

Pero la difusión pasiva no permitía explicar la per-meabilidad al agua que muestran los glóbulos rojos ylas células del túbulo renal; aquí, el flujo de agua através de la membrana en presencia de un gradiente deconcentración era superior al flujo en ausencia de dichogradiente. Además, la energía disipada por la interacciónentre agua y membrana se acercaba a la del movimientodel agua en solución libre. Se descubrió también queel paso del agua a través de estas membranas podíabloquearse mediante fármacos derivados de compuestosmercuriales.

Todas esas observaciones, sumadas a las realizadasen membranas artificiales, permitieron comparar la per-

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meabilidad al agua de membranaslipídicas artificiales con la de mem-branas biológicas. De la comparaciónen cuestión se dedujo la existenciade proteínas especializadas en la for-mación de poros acuosos.

Descubrimientode las acuaporinasEl descubrimiento del primer canalde agua en la membrana celular, laacuaporina-1 (AQP1), el estudio de sudistribución en los tejidos y la inves-tigación de sus propiedades estructu-rales y funcionales le valieron a PeterAgre el premio Nobel de química de2003. Agre y su equipo, de la Uni-versidad Johns Hopkins, estudiabanen 1988 las proteínas de la membranade los eritrocitos. Durante sus trabajos de purificación de la proteína de32 kilodalton que determina el grupo

sanguíneo Rh, encontraron un poli-péptido de peso molecular inferior(28 kilodalton) que copurificaba consu proteína de interés. Pensaron quecorrespondía a un subproducto de lahidrólisis de la proteína Rh. Pero elanálisis estructural de la molécula de28 kilodalton, abundante en glóbulosrojos y en células del túbulo proxi-mal del riñón, reveló que se tratabade una nueva proteína integral demembrana. Sin relación alguna conla proteína Rh.

Hasta 1992 no descifraron la fun-ción de la proteína. Denominada enun comienzo CHIP28, abreviaciónde proteína integral de 28 kilodaltonformadora de canales, recibiría más

tarde el nombre de AQP1.En sus trabajos hallaron que los

ovocitos de la rana Xenopus laevis inyectados con cantidades exiguas deARN mensajero de AQP1 desarro-llaban una permeabilidad al aguasuperior a la de un ovocito controlsin inyectar o inyectado con agua.Se descubrió también que la per-meabilidad al agua dependiente deAQP1 se inhibía mediante cloruro demercurio y que tal efecto se revertíacon agentes reductores.

El comportamiento reseñadocorrespondía al esperado para unflujo de agua mediado por canales.

Se percataron entonces de que habíandescubierto, por fin, la proteína delcanal de agua. La presencia de AQP1 justificaba la elevada permeabilidadal agua de la membrana del hematíey del túbulo proximal renal. Pero,¿cómo explicar la reabsorción deagua dependiente de la hormona va-sopresina en el segmento más distalde la nefrona, el túbulo colector yen otros tejidos que no poseen estaproteína? La identificación molecularde AQP1 fue el detonante de la bús-

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queda que condujo al descubrimientode las trece acuaporinas que hoy se

conocen en humanos.Lo primero que llamó la atención,

al comparar la secuencia de AQP1con las almacenadas en el banco degenes, fue su estrecha semejanza conmiembros de una familia de proteínasintegrales de membrana (PIM); entreellas, la proteína Big Brain de Dro-sophila, la Nodulina26 de la semilladel género Glycine, el transportadorde glicerol GLpF de Escherichia coli y PIM, una proteína de 26 kilodaltonque abunda en el cristalino bovino,que da nombre a la familia. AQP1comparte con ellas varios aminoáci-dos en determinadas posiciones dela secuencia: todos los miembros dela familia PIM mostraban el tripleteasparragina-prolina-alanina (NPA)

mentario. El ADNc se utilizó comomolde en una reacción en cadena de lapolimerasa, junto con cebadores quereconocerían y se hibridarían a lasregiones NPA de cualquier miembrode la familia PIM presente en la mues-

tra de ARN. El grupo de Agre clonólas proteínas AQP1, AQP4, AQP5 yAQP6; el de Sei Sasaki, de la Uni-versidad de Medicina y Odontologíade Tokio, identificó las secuencias deAQP2, AQP7, AQP8, AQP9, AQP10,AQP11 y AQP12. En la identificaciónde AQP3 intervino uno de los autores(Miriam Echevarría).

Un reloj de arenaEl tamaño de las acuaporinas sueleoscilar entre 250 y 300 aminoácidos.Muy hidrofóbicas, se organizan enseis segmentos de estructura α-héliceque atraviesan la membrana de ladoa lado, unidos por cinco lazos conec-tores. Dos de los lazos (uno extrace-lular y otro intracelular) se plieganhacia la membrana y se aproximanpara formar el poro. La estructuraresultante encierra una zona centralestrecha que se ensancha abriéndosehacia ambos lados de la membrana.Este particular plegamiento, en formade reloj de arena, pone en contactolos tripletes NPA para formar el sitio

más estrecho del poro. Aunque cadaacuaporina constituye por sí sola uncanal, en la membrana celular estasproteínas se ensamblan en gruposde cuatro.

repetido dos veces, además de otrosaminoácidos individuales a lo largo

de la secuencia, muy conservados.AQP1 consta de dos grandes domi-

nios, imagen especular uno de otro,con un triplete NPA presente en cadamitad, el primero en un lazo intrace-lular y el segundo en uno extracelu-lar. Se procedió luego a la clonaciónsucesiva de otras acuaporinas que,en conjunto, forman la familia deproteínas integrales de membrana res-ponsables del transporte de agua. Senombraron desde AQP2 a AQP12; laproteína PIM se denominó AQP0.

Se siguió el mismo protocolo declonación para todas ellas. De los teji-dos donde se sospechaba la existenciade un nuevo canal de agua se extrajoARN. A partir de éste se obtuvo, portranscripción inversa, el ADN comple-

C O N T R O L

A Q P 1

TIEMPO (minutos)0,5 1,5 2,5 3,5

a b HgCl2

1. EL PRIMER MODELO que describía la cir-

culación de agua a través de la membrana

celular data de 1895. Según éste, el agua

se escurría por difusión pasiva entre los

lípidos (amarillo) que constituyen la membra-

na (a). El estudio de la influencia del gra-

diente, la energía disipada por la interacción

del agua con la membrana, el bloqueo de

compuestos mercuriales y la comparaciónde membranas puramente lipídicas con

membranas biológicas llevó a proponer la

existencia de proteínas ( rojo) especializadas

en la formación de poros hídricos ( b).

2. OVOCITOS DE LA RANA Xenopus laevis inyectados con cantidades reducidas deARN mensajero de acuaporina-1 (0,1-10 ng).Muestran una permeabilidad al agua supe-rior a la de un ovocito control no inyectadoo inyectado con agua. M

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Por fin, el grupo de Fujiyoshi Yo-shinori, de la Universidad de Kyoto,Andreas Engel, de la Universidad deBasilea, y Agre, determinaron la es-tructura molecular de AQP1 con unaresolución de 3,8 angstrom. A partirde este análisis tridimensional se de-terminó una correlación directa entreaminoácidos específicos y estructuraproteica. Los seis segmentos α-héli-ce transmembranales conforman unasuerte de ramo en el que los segmen-tos se hallan levemente inclinadosy girados hacia la derecha. La es-tructura se mantiene estable merceda los grandes ángulos de cruce delos segmentos transmembrana y a lainteracción en los sitios de cruce deglicinas altamente conservadas. Loslazos que conforman la zona central,que también son α-hélices cortas, seproyectan hacia el centro del ramo en

ángulo de casi 90 grados para crearla barrera de permeabilidad del canal.Ambos lazos interaccionan a travésdel triplete NPA y se mantienen encontacto mediante fuerzas de van derWaals entre sus prolinas. Dos as-parraginas convergen para delimitarel sitio más estrecho del canal, deunos 3 angstrom de diámetro. Eldiámetro de la molécula de agua esligeramente inferior: 2,8 angstrom.

Otros aminoácidos conforman elcentro del poro acuoso: una isoleu-cina de la α-hélice 2, una fenilala-nina de la α-hélice 1, una leucinade la α-hélice 4 y una valina de laα-hélice 5. Cerca de este sitio, porel lado extracelular del poro, se en-cuentra la cisteína responsable de lasensibilidad de AQP1 a compuestosmercuriales.

El resto de las paredes que for-man la superficie del canal acuosocorresponden a aminoácidos de lossegmentos transmembrana 1, 2, 4 y5. Los segmentos 3 y 6 constituyenlas hélices más periféricas del canal;

quedan encarados hacia los lípidosde la membrana.

Función y selectividadEl estudio de la función de un canalde agua entraña varias dificultades.Al tratarse de una molécula neutra,su flujo constituye un proceso silen-te desde el punto de vista eléctrico.Ni puede medirse con las técnicasde electrofisiología clásicas en lainvestigación de canales iónicos, nise dispone de inhibidores específicos.

ACUAPORINAS DISTRIBUCION

AQP0 Ojo (cristalino)

AQP1 EritrocitosCerebroRiñónTráqueaCorazón

PlacentaUtero

Uréter y vejiga urinariaPulmónBronquiosConductos biliaresPiel

Endotelio capilar (excepto cerebro)Ojo

AQP2 Túbulo conectory colector renal

Uréter y vejiga urinaria

AQP3 Túbulo colector renalTracto gastrointestinalHígadoPáncreasBazoPróstataUréter y vejiga urinaria

OjoGlándula lacrimal y sudoríparaPulmónCélulas meníngeasEritrocitosUtero

AQP4 CerebroTracto gastrointestinalTúbulo colector renalMédula espinalOído

PulmónMúsculo esqueléticoOjo (retina, iris, cuerpo ciliar)Glándula lacrimal

AQP5 Glándula salivalGlándula lacrimalPulmón

Tracto gastrointestinalCórneaOjo

AQP6 Riñón

AQP7 Espermátidas tardíasy espermas madurosTestículoTejido adiposo

Túbulo proximal renalCorazónMúsculo esquelético

AQP8 HígadoPáncreasTestículoPlacentaUtero

Glándula salivalIntestino delgadoColonCorazón

AQP9 Tejido adiposoCorazónColonLeucocitosHígadoCerebro

Médula óseaRiñónIntestino delgadoPulmónBazoTestículo

AQP10 Intestino delgado

3. DISTRIBUCION TISULAR de las acuaporinas de mamíferos (y posiblemente vertebrados).

Para determinar la permeabilidad alagua de células animales suele me-dirse el cambio de volumen celularque se produce cuando las célulaspasan de un medio isosmótico a unohipo o hiperosmótico. La elevada per-meabilidad al agua de las membra-nas biológicas explica la celeridadextrema del flujo.

La identificación molecular de loscanales de agua se inició mediante la

extracción del ARN mensajero de teji-dos con alta permeabilidad al agua (elriñón, por ejemplo) y la inyección delmismo en ovocitos de Xenopus laevis.Se venía recurriendo a los ovocitosde la rana para estudiar la expresiónde numerosas proteínas. En el caso delos canales de agua, ofrecían clarasventajas: eran células grandes, con unvolumen fácil de medir y una bajapermeabilidad intrínseca al agua que M

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facilitaba la determinación de los cam-bios de permeabilidad inducidos porla expresión de proteínas exógenas.Hoy la técnica se emplea de formarutinaria en la caracterización funcio-nal de todas las acuaporinas clonadaspara el estudio de las propiedades depermeabilidad al agua, selectividada otros solutos, dependencia de latemperatura y del pH, amén de otrosaspectos funcionales.

La AQP1 presenta una permeabi-lidad elevada. De las trece acuapori-nas de mamífero que hoy conocemos,cuatro de ellas (AQP3, AQP7, AQP9y AQP10) forman el subgrupo de lasacuagliceroporinas, que son permea-

bles también a la urea, el glicerol ya otros solutos de tamaño reducido.Excepto AQP6, tales acuaporinas semuestran impermeables a solutos do-tados de carga eléctrica y iones.

La selectividad de las acuaglice-roporinas no depende sólo de la es-trechez del poro. En algunas, comoAQP3, la permeabilidad al gliceroles mucho mayor que a la urea, unamolécula de diámetro inferior. EnAQP1, los aminoácidos dotados decarga eléctrica de los dos segmentosα-hélice que conforman el paso delcanal se orientan con sus polos po-sitivos hacia el centro del poro. Estogenera un importante campo electros-

tático positivo que repele protones yotros cationes, mientras que admiteel paso de solutos neutros.

La obstrucción de AQP1 al paso deiones responde también al tamaño delos iones hidratados. En solución, losiones se encuentran rodeados de unacapa de agua que aumenta su diá-metro. En la acuaporina-1 no existeninguna estructura que se encarguede liberar al ion de esta capa desolvatación; por tanto, es imposibleque pase a través de su diámetro. Laestrechez del poro y la notable hi-drofobicidad de la superficie internadel canal explican la permeabilidad alagua de AQP1 y su selectividad.

H2N

HOOC

DOMINIO-1

N P A

A

B D

CE

N P A

DOMINIO-2

GLICOSILACION

EXTRACELULAR

MEMBRANA

INTRACELULAR

1 2 3 4 5 6

C189HgCl2

DOS TRIPLETES NPA

AQP1 se compone de dos grandesdominios, imagen especular uno delotro. Se organiza en seis segmen-tos de estructura α-hélice (1-6 ) queatraviesan la membrana de lado alado; están unidos por cinco lazosconectores (A-E ). El lazo intracelularB y el extracelular E son portadoresde un triplete asparragina-prolina-ala-nina NPA. Esta duplicación del triple-te NPA es característica de todas lasacuaporinas.

B

A

C

D

H2N

HOOC

EXTRACELULAR

MEMBRANA

INTRACELULAR

A P NN A

GLICOSILACION

H2O

EXTRACELULAR

INTRACELULAR

H2O

1 2

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DE CUATRO EN CUATRO

Aunque cada acuaporina forma porsí sola un canal, en la membranacelular estas proteínas se ensam-blan en grupos de cuatro. Pareceque un arreglo tetramérico confierea la estructura una mayor estabi-lidad en el entorno lipídico de lamembrana.

ESTRUCTURA MOLECULAR DE LAS ACUAPORINAS

EL RELOJ DE ARENA

El lazo B y E se pliegan haciala membrana para formar el poroo canal acuoso de la proteína.La estructura resultante encierrauna zona central estrecha quese ensancha abriéndose haciaambos lados de la membrana. Sedenominó “reloj de arena”, por susemejanza con éste. En el sitio másestrecho del poro acuoso se ponenen contacto los tripletes NPA.

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El transporte de aguapaso a pasoDentro del canal, las moléculas deagua tienden puentes de hidrógenoentre sí y con las paredes del canal.Sin embargo, a medida que una molé-cula de agua se acerca a la parte másestrecha del canal, proceda aquélladel interior o del exterior celulares,la intensa carga electrostática positivade la zona, creada por los lazos queforman el poro, provoca una reorien-tación de la molécula que obliga a suátomo de oxígeno a tender puentesde hidrógeno con las dos asparragi-nas del poro. Primero la molécula deagua se une sólo a uno de esos ami-noácidos, permaneciendo unida porel otro puente de hidrógeno a la mo-lécula de agua vecina; luego se unea las dos asparraginas, rompiendo así por completo la molécula de agua su

conexión con las otras moléculas deagua en el canal. La imposibilidadde tender puentes de hidrógeno conlos aminoácidos hidrofóbicos queforman la pared del canal favorecela permeabilidad. Asimismo, en elsitio de mayor constricción del canalse rompe la concatenación de puen-tes de hidrógeno entre las moléculasde agua que llenan el poro, lo queimpide el transporte de protones quese establecería a través de AQP1. Laacuaporina-1 es permeable al CO2.De hecho, la proteína forma un ca-nal para el transporte del dióxidode carbono.

DistribuciónLa mayoría de las células de nuestrocuerpo poseen acuaporinas. Las cé-lulas principales del túbulo colectorrenal, por ejemplo, expresan AQP2,AQP3 y AQP4; los astrocitos y cé-lulas gliales de determinadas zonascerebrales, en cambio, expresan sóloAQP4; se han hallado indicios dela presencia de acuaporinas en las

neuronas. Desconocemos la razón detal diversidad.

En coherencia con su función decanal hídrico, el ojo, el riñón, elpulmón, el tracto gastrointestinal olas glándulas secretoras, órganos quese caracterizan por un alto trasiegode agua, presentan varias de estasproteínas. En el cerebro, en cam-bio, donde escasea el flujo de agua através de la membrana celular (paraminimizar las variaciones del medioextracelular que pudieran afectar a la

función neuronal) hay una presenciay distribución limitadas de AQP.

Con excepción de AQP2 y AQP6,las acuaporinas intervienen en la com-posición de la membrana celular. Trassu síntesis, AQP2 permanece comouna proteína de membrana en vesícu-las intracelulares; sólo bajo la acciónde la hormona antidiurética (arginina-vasopresina), las vesículas se fusio-nan con la cara apical de las célulasprincipales del túbulo colector renal;de ese modo las células exponen enla membrana la proteína responsabledel aumento de la permeabilidad alagua en dicho túbulo.

La acuaporina-6 es también unaproteína intracelular. Se aloja en ve-sículas que permanecen siempre enel interior de la célula. En la caraapical de otros epitelios encontramostambién AQP5. Las acuaporinas 3 y

4 son principalmente de membranabasolateral. AQP1 presenta una dis-tribución ubicua en toda la membra-na. AQP8 reside en vesículas intra-celulares así como en la cara apicalde las células acinares del páncreas.AQP9 parece preferir la parte baso-lateral de la membrana.

RegulaciónVeamos cómo opera la regulación dela acuaporina-2 en el túbulo renal.La unión de la hormona vasopresina

a receptores específicos provoca unaumento del AMP cíclico intracelu-lar. Este mensajero molecular activala proteína quinasa A (PKA), quese encarga de fosforilar a AQP2. Laactivación de AQP2 causa entoncesla traslocación y fusión de vesículasque contienen AQP2: se funden conla cara apical de la célula renal.

También AQP1, en el hígado,AQP5, en las glándulas salivales, yAQP8, en el páncreas, se transportandesde vesículas intracelulares hastala membrana celular. En estos ca-sos, sin embargo, no se conoce elmecanismo de regulación. AQP6,presente en vesículas de las célulasintercaladas del túbulo colector renal,cambia su conformación a pH < 5,5:se hace permeable a agua y cloro. El pH regula también la actividad deAQP0 y AQP3. Algunas acuaporinas

cuentan con secuencias conservadaspara la fosforilación por interaccióncon proteínas quinasas A (AQP2,AQP5 y AQP9) o proteínas quinasasC (AQP4, AQP5 y AQP7). En algu-nos casos, la regulación se producepor fosforilación directa del canal. Lafosforilación de la acuaporina-2 en laSer-256 resulta fundamental para elincremento de permeabilidad al aguadependiente de vasopresina.

En fecha reciente se ha propuestoque la interacción directa entre las

OJOAQP0, 1, 3, 4, 5

CEREBROAQP1, 4, 9

PULMONAQP1, 3, 4,

RIÑON

AQP6AQP7

AQP1

TUBULO PROXIMAL

AQP4

AQP2AQP3

TUBULO COLECTOR

AQP1

ASA DE HENLE

4. LAS ACUAPORINAS SE HALLAN PRESENTES en la mayoría de las células de nuestrocuerpo. Las células principales del túbulo colector renal expresan AQP2, AQP3 y AQP4.Los astrocitos y células gliales de determinadas zonas cerebrales expresan sólo AQP4. Losórganos que, como el ojo, el riñón, el pulmón, el tracto gastrointestinal o las glándulas se-

cretoras, se caracterizan por su alto trasiego de agua, presentan varias de estas proteínas.En el cerebro, donde escasea el flujo de agua a través de la membrana celular, hay unapresencia y distribución limitadas de AQP.

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acuaporinas y otras proteínas celula-res constituiría un mecanismo de se-ñalización. En el extremo C-terminalde la acuaporina-4 se han identificadosecuencias de reconocimiento parael anclaje en proteínas del citoes-queleto que podrían determinar ladistribución espacial de AQP4 en lamembrana del astrocito. La regula-ción crónica se realiza por diversosmecanismos que alteran la transcrip-ción de tales proteínas.

El número de moléculas de acua-porina-2 aumenta con la vasopresina.Tal regulación se debe a la presencia,

en el promotor del gen de AQP2,de regiones que unen AMP cíclicoy, por tanto, activan la transcripcióndel gen. La deshidratación provocael aumento de AQP3 en el riñón,la vejiga urinaria y los uréteres. Unestrés hiperosmótico estimula laexpresión de AQP4 y AQP9 en lacorteza cerebral.

PatologíasNumerosos trastornos se han asocia-do con una distribución aberrante de

las acuaporinas en un órgano determi-nado. También la alteración en la fun-ción o regulación de estas proteínaspuede resultar patológica. Determina-das mutaciones en el gen de AQP2se han relacionado con nefropatías.En el laboratorio de Alan Verkman seobtuvieron ratones “knockout” en losque se había silenciado la expresiónde cada una de las acuaporinas. Losmúridos transgénicos se utilizaronpara el estudio de las alteraciones

funcionales que acarrea la ausenciade una de estas proteínas. Se obser-vó que dos mutaciones génicas deAQP0 provocan en ratones cataratascongénitas.

Debido a su ubicuidad, la acuapori-na-1 se halla implicada en numerosostrastornos. La presencia de AQP1 enel endotelio de la córnea y de AQP5en el cristalino sugiere una funciónde estas proteínas en el mantenimien-to de la transparencia de la córnea yel cristalino, respectivamente. AQP1

es responsable de la reabsorción decasi el 80 por ciento del agua enel túbulo renal. Así, los ratones enlos que se ha eliminado esta proteí-na son incapaces de producir orinaconcentrada. En el cerebro, AQP1participa en la producción del líquidocefalorraquídeo. En el pulmón, la ex-presión de AQP1 aumenta al nacer yen presencia de corticosteroides; ellosugiere que la proteína interviene enel aclaramiento del agua pulmonar

que requiere el recién nacido parainiciar la respiración.

La disfunción de las cuatro acua-porinas que se expresan en el tractorespiratorio (AQP1, AQP3, AQP4 yAQP5) podría guardar relación conel asma, edemas pulmonares u otraspatologías asociadas a la homeostasisdel agua pulmonar.

La disfunción de la acuaporina-2provoca trastornos graves. En 1994,el equipo que dirige Peter Deen, dela Universidad y el Hospital Univer-

Arabidopsis (BAB09487)Arabidopsis (AAF26B04)

Arabidopsis (AAC62397)

Arabidopsis (AAC49992)

Arabidopsis (AAB65787)

Arabidopsis (CAA16760)

Arabidopsis (Q08733)

Zea (AAK26766) Zea (AAK26764)Picea (CAA06335)

Nicotiana (CAA69353)

Nicotiana (CAA04750)

Nicotiana (AAL33586)

Picea (CAB39758)

Raphanus (BAA12711)

Raphanus(BAA32778)

Brassica (AAD39372)

Brassica (AAD39374)

Brassica(AAB61378)

Homo (BAA34223)Mus (P56404)

Caenorhabditis (CAA94903)

Caenorhabditis (AAA83205)

Mus (Q02013)Rana (P50501)

Rana (Q06019)

Rattus (AAD29856)

Rattus (P09011)

Rattus (AAC36020)

Mus (P56402)

Mus (ADD32491)

Mus (P51180)

Mus (AAC53155)

Mus (BAA24537)

Mus (ADD20305)

Homo (P29972)Bos (P47865)

Bufo (AAC69694)

Bos (P06624)

Cicadella (CAA65799)Haematobia (CAA65799)

Homo (Q13520)

Homo (P4L181)

Homo (P55064)

Homo (P30301)

Homo (P55087)

Lactococcus (P22094)Clostridium (AAK78746)

Thermus (BAB61772)Bacillus (AAA22490)

Brucella (AAF73105)Brucella (AAL51252)

Methanothermobacter (AB055880)

AQP

SIP

AQP8

TIP

PIP

NIP

GLP

AQP Bacterianas

Homo (O14520)Escherichia (P11244)

Listeria (CAC99617)Staphylococcus (BAB42394)

Thermotoga (AAD36499)

0,05 cambios

Homo (Q92482)

Xenopus (CAA10517) Homo (O43315)

Pinus (AAL05942)

Agrobacterium (AAL46049)Agrobacterium (AAK86288)

Escherichia (BAA08441)Plesiomonas (BAA85015)

Pseudomonas (AAG07421)

Smorhizobium(NP_435575)

Escherichia (BAA35593)Shigella (AAC12651)

Zea (AAC09245)Oryza (P50156)

Oryza (AAC16545)

Lotus (AAF82791)Pisum (CAB45652)

Glycine (P08995)

Glycine (AAA69490)

Solanum (CAB46350)

Vernicia (AAC39480)Helianthus (CAA65186)

Medicago (AA132128)

Solanum (CAB46351)Spinacia (AAA99274)

Oryza (S52003)

Toxocara (AAC32826)Saccharomyces (BAA09187)

Saccharomyces (AAC69713)Saccharomyces (P53386)Saccharomyces (AAD10058)

Zea (AAC24569)Solanum (AAB67881)Lycopersicon (AAB53329)

Zea (AAK26750)

Arabidopsis (CAB72165)

5. ARBOL DE LAS RELACIONES DE PARENTESCO DE LAS ACUAPORINAS: canales de agua(verde), canales de glicerol y urea (azul ) y nodulinas ( rojo). Los puntos en las ramificacionesindican la significación estadística.

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sitario de Nimega, publicó el primercaso de diabetes insípida nefrogénica(NDI) hereditaria asociada a muta-ciones del gen de AQP2. Los indi-viduos que sufren esta enfermedadeliminan grandes cantidades de orinadiluida debido a una insuficienciarenal que impide la reabsorción deagua en respuesta a la vasopresi-na. Un aumento en la expresión deAQP2 se relaciona con un incre-mento en la retención de líquido:así ocurre en la cirrosis hepática,la insuficiencia cardíaca congestivay el embarazo.

Las alteraciones en la expresiónde las acuaporinas provocan tam-bién trastornos cerebrales. Las AQP4aberrantes se asocian al desarrollo depatologías relacionadas con desequi-librios en la homeostasis iónica. Unadisfunción de la acuaporina-4 podría

provocar cambios en la concentraciónde iones potasio (K+) que lleven aun aumento de la excitabilidad neu-ronal. La relación entre la AQP4 yel edema cerebral se descubrió me-diante experimentos llevados a cabocon ratones en los que la expresiónde AQP4 se había silenciado. Se haobservado también que el edema quese produce tras un período isquémi-co puede reducirse de forma notablemediante la eliminación de la AQP4perivascular.

Evolución por duplicación génicaComo hemos mencionado, las acua-porinas pertenecen a la familia deproteínas integrales de membrana(PIM). Esta familia agrupa a másde 200 miembros. Su evoluciónarranca de la duplicación de un genoriginario, que supuso la apariciónde dos proteínas con funciones di-ferenciadas: los canales de agua ylos canales de glicerol y urea. Estaes la situación que se observa hoyen bacterias y hongos, que cuentan

sólo con una copia de cada uno deestos canales. Luego, ambos tiposde canales se diversificaron medianteduplicaciones génicas en animalesy plantas. En Arabidopsis se hanidentificado hasta 35 proteínas; elloresalta la importancia del control delflujo de agua en las plantas.

Las proteínas transportadoras deglicerol han experimentado nume-rosas duplicaciones en el nemátodoCaenorhabditis elegans. En mamí-feros, tres duplicaciones han dado

lugar, de forma sucesiva, a AQP3,AQP7, AQP9 y AQP10. Curiosamen-te, no hay miembros de esta subfa-milia en plantas.

En vertebrados encontramos seiscanales de agua resultantes de du-plicaciones génicas consecutivas:AQP0, AQP1, AQP2, AQP4, AQP5y AQP6. El número de acuaporinasse desconoce en invertebrados; has-ta la fecha, se ha descrito sólo unaAQP en tres especies de insectos. Laacuaporina-8 se encuentra en todoslos animales.

El mayor número de acuaporinasse encuentra en el reino vegetal.La caracterización de los canalesde agua en plantas se debe sobretodo a dos grupos de investigación,el de Maarten J. Chrispeels, de laUniversidad de San Diego en Ca-lifornia, y el de Per Kjellbom, de

la Universidad de Lund. La primeraacuaporina que se aisló en plantas sedenominó ALFA-TIP.

De acuerdo con su origen evoluti-vo, se conocen cuatro grandes gru-pos de canales de agua en plantas.Cada grupo presenta una localizacióncelular diferencial: las proteínas in-trínsecas de membrana plasmática(PIP), las proteínas intrínsecas deltonoplasto o membrana vacuolar(TIP), las pequeñas proteínas bási-cas intrínsecas (SIP) y las nodulinas(NIP). Las proteínas intrínsecas demembrana plasmática parecen derivarde una única duplicación génica que

dio lugar a dos tipos básicos de PIP:el tipo 1 y el tipo 2. Las proteínasintrínsecas del tonoplasto resultan deal menos dos duplicaciones génicassucesivas.

De todas las acuaporinas vegetales,las que revisten mayor interés desdeel punto de vista evolutivo son lasnodulinas. Se describieron en los nó-dulos simbióticos de las raíces deleguminosas, pero se encuentran tam-bién en plantas sin nódulos simbióti-cos. Según los análisis de parentesco,todas las nodulinas descenderían deun mismo tipo de canales de aguaque fue adquirido por el ancestrocomún de todas las plantas a partirde bacterias por transferencia géni-ca horizontal. Luego, puesto que lasplantas carecen de transportadores deglicerol-urea, estos canales de aguahabrían cambiado su función: una

fuerte presión selectiva los trans-formó en los actuales canales deglicerol-urea.

Dado que las nodulinas adquirieronsu capacidad de transportar glicerol-urea de forma distinta al resto deacuagliceroporinas (mediante conver-gencia funcional), los aminoácidosimplicados en la selectividad porglicerol-urea son también distintos.La secuencia de las nodulinas guardasemejanza con la secuencia típica delos canales de agua, pero presentaalgunos cambios, necesarios para sufunción, que recuerdan a las acua-gliceroporinas.

Miriam Echevarría Irusta se doctoró en biología por la Universidad Simón Bolívarde Caracas. Es profesora de la Universidad de Sevilla. Se dedica al estudio funcionalde las acuaporinas en el departamento de fisiología médica y biofísica del Laborato-rio de Investigaciones Biomédicas del Hospital Virgen del Rocío. Rafael Zardoya San

Sebastián se doctoró en biología por la Universidad Complutense de Madrid. Desarrollasu investigación sobre filogenia y evolución molecular en el Museo Nacional de CienciasNaturales del CSIC.

APPEARANCE OF WATER CHANNELS IN X ENOPUS OOCYTES EXPRESSING RED CELL CHIP28 PROTEIN.G. M. Preston y otros en Science, vol. 256, págs. 385-387, 1992.

CLONING AND EXPRESSION OF AQP3, A WATER CHANNEL FROM THE MEDULLARY COLLECTING DUCT OF RAT KIDNEY. M. Echevarría y otros en Proceeding of National Academy of SciencesUSA. vol. 91, págs. 10997-11001, 1994.

STRUCTURAL DETERMINANTS OF WATER PERMEATION THROUGH AQUAPORIN-1. K. Murata y otrosen Nature. vol. 407, págs. 599-605, 2000.

ORIGIN OF PLANT GLYCEROL TRANSPORTERS BY HORIZONTAL GENE TRANSFER AND FUNCTIONAL RECRUITMENT. R. Zardoya y otros en Proceeding National Academy of Sciences USA.vol . 99, págs. 14893-14896, 2002.

Los autores

Bibliografía complementaria

M I R I A M

E C H E V A R R I A

Y

R A F A E L

Z A R D O Y A

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