Seminario 1- acuaporinas

Acuaporinas:los canalesde agua celularesLas acuaporinas regulan el paso del agua a travs de la membrana celular.Forman una familia de protenas muy diversa; se hallan presentes en todos los seres vivos.Abundan sobre todo en plantas y en el sistema renal de animales

Miriam Echevarra y Rafael Zardoya

E l agua, el compuesto ms abundante de nuestro cuerpo, es esencial para la vida. Todos los iones, lpidos, azcares, protenas y otras ma-cromolculas que forman parte de las clulas y su entorno se encuentran disueltos en medio acuoso. Para realizar las funciones que hacen posible la vida, las clulas deben incorporar nutrientes, hormonas, iones y gases. Y deben tambin expulsar sus-tancias de desecho.

Ese intercambio de materia con el entorno se reali-za a travs de la membrana. Opera un mecanismo de difusin pasiva o se recurre a protenas transportadoras especfi cas. La circulacin de iones y otras molculas provoca una distribucin desigual de estas sustancias a un lado y otro de la membrana celular.

El transporte genera un fl ujo de agua a travs de la membrana. La entrada y salida de agua cambia el vo-lumen de la clula, amn de modifi car la composicin del medio intracelular y extracelular. Entender cmo el agua atraviesa las membranas celulares en nuestro cuerpo ha constituido una de las cuestiones de mayor inters en biologa.

Los primeros modelos tericosYa en 1895, Charles Overton public un extenso estudio sobre las propiedades osmticas de las clulas, vegetales y animales; analizaba all el efecto ejercido por ms de 500 compuestos qumicos en el fl ujo del agua a tra-vs de la membrana celular. Desde entonces, y durante muchos aos, se crey que el agua poda atravesar la membrana celular por difusin pasiva entre los lpidos que constituyen dicha estructura.

Pero la difusin pasiva no permita explicar la per-meabilidad al agua que muestran los glbulos rojos y las clulas del tbulo renal; aqu, el fl ujo de agua a travs de la membrana en presencia de un gradiente de concentracin era superior al fl ujo en ausencia de dicho gradiente. Adems, la energa disipada por la interaccin entre agua y membrana se acercaba a la del movimiento del agua en solucin libre. Se descubri tambin que el paso del agua a travs de estas membranas poda bloquearse mediante frmacos derivados de compuestos mercuriales.

Todas esas observaciones, sumadas a las realizadas en membranas artifi ciales, permitieron comparar la per-

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meabilidad al agua de membranas lipdicas artifi ciales con la de mem-branas biolgicas. De la comparacin en cuestin se dedujo la existencia de protenas especializadas en la for-macin de poros acuosos.

Descubrimientode las acuaporinasEl descubrimiento del primer canal de agua en la membrana celular, la acuaporina-1 (AQP1), el estudio de su distribucin en los tejidos y la inves-tigacin de sus propiedades estructu-rales y funcionales le valieron a Peter Agre el premio Nobel de qumica de 2003. Agre y su equipo, de la Uni-versidad Johns Hopkins, estudiaban en 1988 las protenas de la membrana de los eritrocitos. Durante sus traba-jos de purifi cacin de la protena de 32 kilodalton que determina el grupo sanguneo Rh, encontraron un poli-pptido de peso molecular inferior (28 kilodalton) que copurifi caba con su protena de inters. Pensaron que corresponda a un subproducto de la hidrlisis de la protena Rh. Pero el anlisis estructural de la molcula de 28 kilodalton, abundante en glbulos rojos y en clulas del tbulo proxi-mal del rin, revel que se trataba de una nueva protena integral de membrana. Sin relacin alguna con la protena Rh.

Hasta 1992 no descifraron la fun-cin de la protena. Denominada en un comienzo CHIP28, abreviacin de protena integral de 28 kilodalton formadora de canales, recibira ms tarde el nombre de AQP1.

En sus trabajos hallaron que los ovocitos de la rana Xenopus laevis inyectados con cantidades exiguas de ARN mensajero de AQP1 desarro-llaban una permeabilidad al agua superior a la de un ovocito control sin inyectar o inyectado con agua. Se descubri tambin que la per-meabilidad al agua dependiente de AQP1 se inhiba mediante cloruro de mercurio y que tal efecto se reverta con agentes reductores.

El comportamiento reseado corresponda al esperado para un fl ujo de agua mediado por canales. Se percataron entonces de que haban descubierto, por fi n, la protena del canal de agua. La presencia de AQP1 justifi caba la elevada permeabilidad al agua de la membrana del hemate y del tbulo proximal renal. Pero, cmo explicar la reabsorcin de agua dependiente de la hormona va-sopresina en el segmento ms distal de la nefrona, el tbulo colector y en otros tejidos que no poseen esta protena? La identifi cacin molecular de AQP1 fue el detonante de la bs-

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queda que condujo al descubrimiento de las trece acuaporinas que hoy se conocen en humanos.

Lo primero que llam la atencin, al comparar la secuencia de AQP1 con las almacenadas en el banco de genes, fue su estrecha semejanza con miembros de una familia de protenas integrales de membrana (PIM); entre ellas, la protena Big Brain de Dro-sophila, la Nodulina26 de la semilla del gnero Glycine, el transportador de glicerol GLpF de Escherichia coli y PIM, una protena de 26 kilodalton que abunda en el cristalino bovino, que da nombre a la familia. AQP1 comparte con ellas varios aminoci-dos en determinadas posiciones de la secuencia: todos los miembros de la familia PIM mostraban el triplete asparragina-prolina-alanina (NPA)

mentario. El ADNc se utiliz como molde en una reaccin en cadena de la polimerasa, junto con cebadores que reconoceran y se hibridaran a las regiones NPA de cualquier miembro de la familia PIM presente en la mues-tra de ARN. El grupo de Agre clon las protenas AQP1, AQP4, AQP5 y AQP6; el de Sei Sasaki, de la Uni-versidad de Medicina y Odontologa de Tokio, identifi c las secuencias de AQP2, AQP7, AQP8, AQP9, AQP10, AQP11 y AQP12. En la identifi cacin de AQP3 intervino uno de los autores (Miriam Echevarra).

Un reloj de arenaEl tamao de las acuaporinas suele oscilar entre 250 y 300 aminocidos. Muy hidrofbicas, se organizan en seis segmentos de estructura -hlice que atraviesan la membrana de lado a lado, unidos por cinco lazos conec-tores. Dos de los lazos (uno extrace-lular y otro intracelular) se pliegan hacia la membrana y se aproximan para formar el poro. La estructura resultante encierra una zona central estrecha que se ensancha abrindose hacia ambos lados de la membrana. Este particular plegamiento, en forma de reloj de arena, pone en contacto los tripletes NPA para formar el sitio ms estrecho del poro. Aunque cada acuaporina constituye por s sola un canal, en la membrana celular estas protenas se ensamblan en grupos de cuatro.

repetido dos veces, adems de otros aminocidos 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 cada mitad, el primero en un lazo intrace-lular y el segundo en uno extracelu-lar. Se procedi luego a la clonacin sucesiva de otras acuaporinas que, en conjunto, forman la familia de protenas integrales de membrana res-ponsables del transporte de agua. Se nombraron desde AQP2 a AQP12; la protena PIM se denomin AQP0.

Se sigui el mismo protocolo de clonacin para todas ellas. De los teji-dos donde se sospechaba la existencia de un nuevo canal de agua se extrajo ARN. A partir de ste se obtuvo, por transcripcin inversa, el ADN comple-

CONT

ROL

AQP1

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

a b HgCl21. EL PRIMER MODELO que describa la cir-culacin de agua a travs de la membrana celular data de 1895. Segn ste, el agua se escurra por difusin pasiva entre los lpidos (amarillo) que constituyen la membra-na (a). El estudio de la infl uencia del gra-diente, la energa disipada por la interaccin del agua con la membrana, el bloqueo de compuestos mercuriales y la comparacin de membranas puramente lipdicas con membranas biolgicas llev a proponer la existencia de protenas (rojo) especializadas en la formacin de poros hdricos (b).

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

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M E

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Por fi n, el grupo de Fujiyoshi Yo-shinori, de la Universidad de Kyoto, Andreas Engel, de la Universidad de Basilea, y Agre, determinaron la es-tructura molecular de AQP1 con una resolucin de 3,8 angstrom. A partir de este anlisis tridimensional se de-termin una correlacin directa entre aminocidos especfi cos y estructura proteica. Los seis segmentos -hli-ce transmembranales conforman una suerte de ramo en el que los segmen-tos se hallan levemente inclinados y girados hacia la derecha. La es-tructura se mantiene estable merced a los grandes ngulos de cruce de los segmentos transmembrana y a la interaccin en los sitios de cruce de glicinas altamente conservadas. Los lazos que conforman la zona central, que tambin son -hlices cortas, se proyectan hacia el centro del ramo en ngulo de casi 90 grados para crear la barrera de permeabilidad del canal. Ambos lazos interaccionan a travs del triplete NPA y se mantienen en contacto mediante fuerzas de van derWaals entre sus prolinas. Dos as-parraginas convergen para delimitar el sitio ms estrecho del canal, de unos 3 angstrom de dimetro. El dimetro de la molcula de agua es ligeramente inferior: 2,8 angstrom.

Otros aminocidos conforman el centro del poro acuoso: una isoleu-cina de la -hlice 2, una fenilala-nina de la -hlice 1, una leucina de la -hlice 4 y una valina de la -hlice 5. Cerca de este sitio, por el lado extracelular del poro, se en-cuentra la cistena responsable de la sensibilidad de AQP1 a compuestos mercuriales.

El resto de las paredes que for-man la superfi cie del canal acuoso corresponden a aminocidos de los segmentos transmembrana 1, 2, 4 y 5. Los segmentos 3 y 6 constituyen las hlices ms perifricas del canal; quedan encarados hacia los lpidos de la membrana.

Funcin y selectividadEl estudio de la funcin de un canal de agua entraa varias difi cultades. Al tratarse de una molcula neutra, su fl ujo constituye un proceso silen-te desde el punto de vista elctrico. Ni puede medirse con las tcnicas de electrofi siologa clsicas en la investigacin de canales inicos, ni se dispone de inhibidores especfi cos.

ACUAPORINAS DISTRIBUCION

AQP0 Ojo (cristalino)AQP1 Eritrocitos

CerebroRinTrqueaCoraznPlacentaUtero

Urter y vejiga urinariaPulmnBronquiosConductos biliaresPielEndotelio capilar (excepto cerebro)Ojo

AQP2 Tbulo conectory colector renal

Urter y vejiga urinaria

AQP3 Tbulo colector renalTracto gastrointestinalHgadoPncreasBazoPrstataUrter y vejiga urinaria

OjoGlndula lacrimal y sudorparaPulmnClulas menngeasEritrocitosUtero

AQP4 CerebroTracto gastrointestinalTbulo colector renalMdula espinalOdo

PulmnMsculo esquelticoOjo (retina, iris, cuerpo ciliar)Glndula lacrimal

AQP5 Glndula salivalGlndula lacrimalPulmn

Tracto gastrointestinalCrneaOjo

AQP6 Rin

AQP7 Espermtidas tardasy espermas madurosTestculoTejido adiposo

Tbulo proximal renalCoraznMsculo esqueltico

AQP8 HgadoPncreasTestculoPlacentaUtero

Glndula salivalIntestino delgadoColonCorazn

AQP9 Tejido adiposoCoraznColonLeucocitosHgadoCerebro

Mdula seaRinIntestino delgadoPulmnBazoTestculo

AQP10 Intestino delgado

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

Para determinar la permeabilidad al agua de clulas animales suele me-dirse el cambio de volumen celular que se produce cuando las clulas pasan de un medio isosmtico a uno hipo o hiperosmtico. La elevada per-meabilidad al agua de las membra-nas biolgicas explica la celeridad extrema del fl ujo.

La identifi cacin molecular de los canales de agua se inici mediante la

extraccin del ARN mensajero de teji-dos con alta permeabilidad al agua (el rin, por ejemplo) y la inyeccin del mismo en ovocitos de Xenopus laevis. Se vena recurriendo a los ovocitos de la rana para estudiar la expresinde numerosas protenas. En el caso de los canales de agua, ofrecan claras ventajas: eran clulas grandes, con un volumen fcil de medir y una baja permeabilidad intrnseca al agua que MIR

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facilitaba la determinacin de los cam-bios de permeabilidad inducidos por la expresin de protenas exgenas. Hoy la tcnica se emplea de forma rutinaria en la caracterizacin funcio-nal de todas las acuaporinas clonadas para el estudio de las propiedades de permeabilidad al agua, selectividad a otros solutos, dependencia de la temperatura y del pH, amn de otros aspectos funcionales.

La AQP1 presenta una permeabi-lidad elevada. De las trece acuapori-nas de mamfero que hoy conocemos, cuatro de ellas (AQP3, AQP7, AQP9 y AQP10) forman el subgrupo de las acuagliceroporinas, que son permea-

bles tambin a la urea, el glicerol y a otros solutos de tamao reducido. Excepto AQP6, tales acuaporinas se muestran impermeables a solutos do-tados de carga elctrica y iones.

La selectividad de las acuaglice-roporinas no depende slo de la es-trechez del poro. En algunas, como AQP3, la permeabilidad al glicerol es mucho mayor que a la urea, una molcula de dimetro inferior. En AQP1, los aminocidos dotados de carga elctrica de los dos segmentos -hlice que conforman el paso del canal se orientan con sus polos po-sitivos hacia el centro del poro. Esto genera un importante campo electros-

ttico positivo que repele protones y otros cationes, mientras que admite el paso de solutos neutros.

La obstruccin de AQP1 al paso de iones responde tambin al tamao de los iones hidratados. En solucin, los iones se encuentran rodeados de una capa de agua que aumenta su di-metro. En la acuaporina-1 no existe ninguna estructura que se encargue de liberar al ion de esta capa de solvatacin; por tanto, es imposible que pase a travs de su dimetro. La estrechez del poro y la notable hi-drofobicidad de la superfi cie interna del canal explican la permeabilidad al agua de AQP1 y su selectividad.

H2N

HOOC

DOMINIO-1

NPA

A

B D

CE

NPA

DOMINIO-2

GLICOSILACION

EXTRACELULAR

MEMBRANA

INTRACELULAR

1 2 3 4 5 6

C189HgCl2

DOS TRIPLETES NPAAQP1 se compone de dos grandes dominios, imagen especular uno del otro. Se organiza en seis segmen-tos de estructura -hlice (1-6) que atraviesan la membrana de lado a lado; estn unidos por cinco lazos conectores (A-E). El lazo intracelular B y el extracelular E son portadores de un triplete asparragina-prolina-ala-nina NPA. Esta duplicacin del triple-te NPA es caracterstica de todas las acuaporinas.

B

AC

DH2N

HOOC

EXTRACELULAR

MEMBRANA

INTRACELULAR

A P NN A

GLICOSILACIONH2O

EXTRACELULAR

INTRACELULAR

H2O

1 2

43

DE CUATRO EN CUATROAunque cada acuaporina forma por s sola un canal, en la membrana celular estas protenas se ensam-blan en grupos de cuatro. Parece que un arreglo tetramrico confi ere a la estructura una mayor estabi-lidad en el entorno lipdico de la membrana.

ESTRUCTURA MOLECULAR DE LAS ACUAPORINAS

EL RELOJ DE ARENAEl lazo B y E se pliegan hacia la membrana para formar el poro o canal acuoso de la protena. La estructura resultante encierra una zona central estrecha que se ensancha abrindose hacia ambos lados de la membrana. Se denomin reloj de arena, por su semejanza con ste. En el sitio ms estrecho del poro acuoso se ponen en contacto los tripletes NPA.

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El transporte de aguapaso a pasoDentro del canal, las molculas de agua tienden puentes de hidrgeno entre s y con las paredes del canal. Sin embargo, a medida que una mol-cula de agua se acerca a la parte ms estrecha del canal, proceda aqulla del interior o del exterior celulares, la intensa carga electrosttica positiva de la zona, creada por los lazos que forman el poro, provoca una reorien-tacin de la molcula que obliga a su tomo de oxgeno a tender puentes de hidrgeno con las dos asparragi-nas del poro. Primero la molcula de agua se une slo a uno de esos ami-nocidos, permaneciendo unida por el otro puente de hidrgeno a la mo-lcula de agua vecina; luego se une a las dos asparraginas, rompiendo as por completo la molcula de agua su conexin con las otras molculas de agua en el canal. La imposibilidad de tender puentes de hidrgeno con los aminocidos hidrofbicos que forman la pared del canal favorece la permeabilidad. Asimismo, en el sitio de mayor constriccin del canal se rompe la concatenacin de puen-tes de hidrgeno entre las molculas de agua que llenan el poro, lo que impide el transporte de protones que se establecera a travs de AQP1. La acuaporina-1 es permeable al CO2. De hecho, la protena forma un ca-nal para el transporte del dixido de carbono.

DistribucinLa mayora de las clulas de nuestro cuerpo poseen acuaporinas. Las c-lulas principales del tbulo colector renal, por ejemplo, expresan AQP2, AQP3 y AQP4; los astrocitos y c-lulas gliales de determinadas zonas cerebrales, en cambio, expresan slo AQP4; se han hallado indicios de la presencia de acuaporinas en las neuronas. Desconocemos la razn de tal diversidad.

En coherencia con su funcin de canal hdrico, el ojo, el rin, el pulmn, el tracto gastrointestinal o las glndulas secretoras, rganos que se caracterizan por un alto trasiego de agua, presentan varias de estas protenas. En el cerebro, en cam-bio, donde escasea el fl ujo de agua a travs de la membrana celular (para minimizar las variaciones del medio extracelular que pudieran afectar a la

funcin neuronal) hay una presencia y distribucin limitadas de AQP.

Con excepcin de AQP2 y AQP6, las acuaporinas intervienen en la com-posicin de la membrana celular. Tras su sntesis, AQP2 permanece como una protena de membrana en vescu-las intracelulares; slo bajo la accin de la hormona antidiurtica (arginina-vasopresina), las vesculas se fusio-nan con la cara apical de las clulas principales del tbulo colector renal; de ese modo las clulas exponen en la membrana la protena responsable del aumento de la permeabilidad al agua en dicho tbulo.

La acuaporina-6 es tambin una protena intracelular. Se aloja en ve-sculas que permanecen siempre en el interior de la clula. En la cara apical de otros epitelios encontramos tambin AQP5. Las acuaporinas 3 y 4 son principalmente de membrana basolateral. AQP1 presenta una dis-tribucin ubicua en toda la membra-na. AQP8 reside en vesculas intra-celulares as como en la cara apical de las clulas acinares del pncreas. AQP9 parece preferir la parte baso-lateral de la membrana.

RegulacinVeamos cmo opera la regulacin de la acuaporina-2 en el tbulo renal. La unin de la hormona vasopresina

a receptores especfi cos provoca un aumento del AMP cclico intracelu-lar. Este mensajero molecular activa la protena quinasa A (PKA), que se encarga de fosforilar a AQP2. La activacin de AQP2 causa entonces la traslocacin y fusin de vesculas que contienen AQP2: se funden con la cara apical de la clula renal.

Tambin AQP1, en el hgado, AQP5, en las glndulas salivales, y AQP8, en el pncreas, se transportan desde vesculas intracelulares hasta la membrana celular. En estos ca-sos, sin embargo, no se conoce el mecanismo de regulacin. AQP6, presente en vesculas de las clulas intercaladas del tbulo colector renal, cambia su conformacin a pH < 5,5: se hace permeable a agua y cloro. El pH regula tambin la actividad de AQP0 y AQP3. Algunas acuaporinas cuentan con secuencias conservadas para la fosforilacin por interaccin con protenas quinasas A (AQP2, AQP5 y AQP9) o protenas quinasas C (AQP4, AQP5 y AQP7). En algu-nos casos, la regulacin se produce por fosforilacin directa del canal. La fosforilacin de la acuaporina-2 en la Ser-256 resulta fundamental para el incremento de permeabilidad al agua dependiente de vasopresina.

En fecha reciente se ha propuesto que la interaccin directa entre las

OJOAQP0, 1, 3, 4, 5

CEREBROAQP1, 4, 9

PULMONAQP1, 3, 4,

RION

AQP6AQP7

AQP1TUBULO PROXIMAL

AQP4

AQP2AQP3

TUBULO COLECTOR

AQP1

ASA DE HENLE

4. LAS ACUAPORINAS SE HALLAN PRESENTES en la mayora de las clulas de nuestro cuerpo. Las clulas principales del tbulo colector renal expresan AQP2, AQP3 y AQP4. Los astrocitos y clulas gliales de determinadas zonas cerebrales expresan slo AQP4. Los rganos que, como el ojo, el rin, el pulmn, el tracto gastrointestinal o las glndulas se-cretoras, se caracterizan por su alto trasiego de agua, presentan varias de estas protenas. En el cerebro, donde escasea el fl ujo de agua a travs de la membrana celular, hay una presencia y distribucin limitadas de AQP.

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elchele-zarponTachado






acuaporinas y otras protenas celula-res constituira un mecanismo de se-alizacin. En el extremo C-terminal de la acuaporina-4 se han identifi cado secuencias de reconocimiento para el anclaje en protenas del citoes-queleto que podran determinar la distribucin espacial de AQP4 en la membrana del astrocito. La regula-cin crnica se realiza por diversos mecanismos que alteran la transcrip-cin de tales protenas.

El nmero de molculas de acua-porina-2 aumenta con la vasopresina. Tal regulacin se debe a la presencia, en el promotor del gen de AQP2, de regiones que unen AMP cclico y, por tanto, activan la transcripcin del gen. La deshidratacin provoca el aumento de AQP3 en el rin, la vejiga urinaria y los urteres. Un estrs hiperosmtico estimula la expresin de AQP4 y AQP9 en la corteza cerebral.

PatologasNumerosos trastornos se han asocia-do con una distribucin aberrante de

las acuaporinas en un rgano determi-nado. Tambin la alteracin en la fun-cin o regulacin de estas protenas puede resultar patolgica. Determina-das mutaciones en el gen de AQP2 se han relacionado con nefropatas. En el laboratorio de Alan Verkman se obtuvieron ratones knockout en los que se haba silenciado la expresin de cada una de las acuaporinas. Los mridos transgnicos se utilizaron para el estudio de las alteraciones funcionales que acarrea la ausencia de una de estas protenas. Se obser-v que dos mutaciones gnicas de AQP0 provocan en ratones cataratas congnitas.

Debido a su ubicuidad, la acuapori-na-1 se halla implicada en numerosos trastornos. La presencia de AQP1 en el endotelio de la crnea y de AQP5 en el cristalino sugiere una funcin de estas protenas en el mantenimien-to de la transparencia de la crnea y el cristalino, respectivamente. AQP1

es responsable de la reabsorcin de casi el 80 por ciento del agua en el tbulo renal. As, los ratones en los que se ha eliminado esta prote-na son incapaces de producir orina concentrada. En el cerebro, AQP1 participa en la produccin del lquido cefalorraqudeo. En el pulmn, la ex-presin de AQP1 aumenta al nacer y en presencia de corticosteroides; ello sugiere que la protena interviene en el aclaramiento del agua pulmonar que requiere el recin nacido para iniciar la respiracin.

La disfuncin de las cuatro acua-porinas que se expresan en el tracto respiratorio (AQP1, AQP3, AQP4 y AQP5) podra guardar relacin con el asma, edemas pulmonares u otras patologas asociadas a la homeostasis del agua pulmonar.

La disfuncin de la acuaporina-2 provoca trastornos graves. En 1994, el equipo que dirige Peter Deen, de la 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 ramifi caciones indican la signifi cacin estadstica.

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sitario de Nimega, public el primer caso de diabetes inspida nefrognica (NDI) hereditaria asociada a muta-ciones del gen de AQP2. Los indi-viduos que sufren esta enfermedad eliminan grandes cantidades de orina diluida debido a una insufi ciencia renal que impide la reabsorcin de agua en respuesta a la vasopresi-na. Un aumento en la expresin de AQP2 se relaciona con un incre-mento en la retencin de lquido: as ocurre en la cirrosis heptica, la insufi ciencia cardaca congestiva y el embarazo.

Las alteraciones en la expresin de las acuaporinas provocan tam-bin trastornos cerebrales. Las AQP4 aberrantes se asocian al desarrollo de patologas relacionadas con desequi-librios en la homeostasis inica. Una disfuncin de la acuaporina-4 podra provocar cambios en la concentracin de iones potasio (K+) que lleven a un aumento de la excitabilidad neu-ronal. La relacin entre la AQP4 y el edema cerebral se descubri me-diante experimentos llevados a cabo con ratones en los que la expresin de AQP4 se haba silenciado. Se ha observado tambin que el edema que se produce tras un perodo isqumi-co puede reducirse de forma notable mediante la eliminacin de la AQP4 perivascular.

Evolucin por duplicacin gnicaComo hemos mencionado, las acua-porinas pertenecen a la familia de protenas integrales de membrana (PIM). Esta familia agrupa a ms de 200 miembros. Su evolucin arranca de la duplicacin de un gen originario, que supuso la aparicin de dos protenas con funciones di-ferenciadas: los canales de agua y los canales de glicerol y urea. Esta es la situacin que se observa hoy en bacterias y hongos, que cuentan slo con una copia de cada uno de estos canales. Luego, ambos tipos de canales se diversifi caron mediante duplicaciones gnicas en animales y plantas. En Arabidopsis se han identifi cado hasta 35 protenas; ello resalta la importancia del control del fl ujo de agua en las plantas.

Las protenas transportadoras de glicerol han experimentado nume-rosas duplicaciones en el nemtodo Caenorhabditis elegans. En mam-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 seis canales de agua resultantes de du-plicaciones gnicas consecutivas: AQP0, AQP1, AQP2, AQP4, AQP5 y AQP6. El nmero de acuaporinas se desconoce en invertebrados; has-ta la fecha, se ha descrito slo una AQP en tres especies de insectos. La acuaporina-8 se encuentra en todos los animales.

El mayor nmero de acuaporinas se encuentra en el reino vegetal. La caracterizacin de los canales de agua en plantas se debe sobre todo a dos grupos de investigacin, el de Maarten J. Chrispeels, de la Universidad de San Diego en Ca-lifornia, y el de Per Kjellbom, de la Universidad de Lund. La primera acuaporina que se aisl en plantas se denomin 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 localizacin celular diferencial: las protenas in-trnsecas de membrana plasmtica (PIP), las protenas intrnsecas del tonoplasto o membrana vacuolar (TIP), las pequeas protenas bsi-cas intrnsecas (SIP) y las nodulinas (NIP). Las protenas intrnsecas de membrana plasmtica parecen derivar de una nica duplicacin gnica que

dio lugar a dos tipos bsicos de PIP: el tipo 1 y el tipo 2. Las protenas intrnsecas del tonoplasto resultan de al menos dos duplicaciones gnicas sucesivas.

De todas las acuaporinas vegetales, las que revisten mayor inters desde el punto de vista evolutivo son las nodulinas. Se describieron en los n-dulos simbiticos de las races de leguminosas, pero se encuentran tam-bin en plantas sin ndulos simbiti-cos. Segn los anlisis de parentesco, todas las nodulinas descenderan de un mismo tipo de canales de agua que fue adquirido por el ancestro comn de todas las plantas a partir de bacterias por transferencia gni-ca horizontal. Luego, puesto que las plantas carecen de transportadores de glicerol-urea, estos canales de agua habran cambiado su funcin: una fuerte presin selectiva los trans-form en los actuales canales de glicerol-urea.

Dado que las nodulinas adquirieron su capacidad de transportar glicerol-urea de forma distinta al resto de acuagliceroporinas (mediante conver-gencia funcional), los aminocidos implicados en la selectividad por glicerol-urea son tambin distintos. La secuencia de las nodulinas guarda semejanza con la secuencia tpica de los canales de agua, pero presenta algunos cambios, necesarios para su funcin, que recuerdan a las acua-gliceroporinas.

Miriam Echevarra Irusta se doctor en biologa por la Universidad Simn Bolvar de Caracas. Es profesora de la Universidad de Sevilla. Se dedica al estudio funcional de las acuaporinas en el departamento de fi siologa mdica y biofsica del Laborato-rio de Investigaciones Biomdicas del Hospital Virgen del Roco. Rafael Zardoya San Sebastin se doctor en biologa por la Universidad Complutense de Madrid. Desarrolla su investigacin sobre fi logenia y evolucin molecular en el Museo Nacional de Ciencias Naturales del CSIC.

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Los autores

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