Acquaporine
Struttura cristallografica del canale (PDB 1J4N) dell'acquaporina 1 (AQP1).
Le acquaporine (AQP) sono una famiglia di proteine canale che facilitano il flusso molto veloce delle molecole d'acqua all'interno o all'esterno delle cellule di specifici tessuti che richiedono questa capacità (tubuli prossimali, eritrociti, membrane dei vacuoli delle cellule vegetali).Un' altra funzione è quella di far defluire l'afflusso di sangue all'interno del fallo.
Cenni generali
L'acqua è una delle sostanze più importanti presenti nell'organismo umano ed il suo contenuto varia dal 45% a 78%. La variazione di percentuale è dovuta alla costituzione dell'organismo; infatti, in un adulto obeso, la percentuale è più bassa perché è presente più sostanza diposa; in un individuo magro, la percentuale di acqua è maggiore.
Nella donna, il contenuto d'acqua è più basso rispetto ad un uomo di pari costituzione perché ha più contenuto adiposo.
Nel bambino invece, il contenuto d'acqua è maggiore.
Con l'avanzare dell'età, il contenuto d'acqua dell'organismo tende a diminuire.
L'acqua, è una molecola polare e grazie a queste sue proprietà chimio-fisiche, le molecole d'acqua, diffondono difficilmente attraverso le membrane biologiche.
Affinché l'acqua possa attraversare una membrana, è necessaria la presenza di canali proteici specifici per il trasporto dell'acqua. Tali canali sono chiamati acquaporine.
Il trasporto dell'acqua, è un trasporto passivo, cioè senza dispendio energetico, infatti, il passaggio dell'acqua da una parte all'altra della membrana, avviene secondo gradiente di concentrazione favorevole.
Cenni generali
Definizione
Le acquaporine, sono una famiglia di proteine intrinseche, che si trovano nel mezzo del doppio strato lipidico di membrana e che consentono il flusso dell'acqua bidirezionalmente. Il loro peso molecolare si aggira intorno ai 36 – 78 KDalton. Sono state identificate due famiglie di acquaporine:
Acquaporine specifiche: consentono solo il trasporto dell'acqua. Il canale è costituito esclusivamente da amminoacidi, i quali legano solo molecole d'acqua e gli altri ioni e molecole non passano attraverso questo canale.
Acquagliceroporine: anche queste consentono il passaggio dell'acqua, a differenza delle precedenti, consentono il passaggio di glicerolo e di altre molecole neutre.
Classificazione
Identificazione AcquaporinaPermeabilitàAcquaporine 1
Acquaporine 2
Acquaporine 5
Acquaporine 8
MediaAcquaporina 0
Acquaporina 3
BassaAcquagliceroporine 7
Acquagliceroporine 9
IntermediaAcquaporina 6
AnomalaStruttura ed organizzazione
La differenza sostanziale tra queste due classi di acquaporine, sta nella loro configurazione amminoacidica interna del canale. Infatti, sono presenti cinque porzioni all'interno del canale, note con il nome di P1, P2, P3, P4, P5. Ciascuna di queste porzioni, è costituita da una sequenza specifica di amminoacidi (configurazione specifica del canale proteico). A seconda della sequenza, potrà passare o solo acqua o acqua ed altre molecole.
Sia le acquaporine che le acquagliceroporine, sono proteine, formate da dei domini transmembrana, che attraversano lo strato dei fosfolipidi. Affinché ci sia affinità tra la porzione di acquaporine che attraversa la membrana (dominio transmembrana) e la porzione lipidica della membrana, gli amminoacidi apolari che sono presenti in questa porzione, formano dei legami deboli con i lipidi.
Struttura del porocanale
Le acquaporine sono etero o omotetrameri, il canale per il passaggio di acqua non si trova in mezzo alle 4 proteine, bensì ogni singola subunità proteica è dotata di un poro per il passaggio di acqua, che avviene attraverso il passaggio di una molecola alla volta.
Struttura della subunità
Ogni subunità, è formata da 6 dei domini transmembrana, che attraversano il doppio strato lipidico della membrana cellulare. Questi 6 domini transmembrana, sono orientati in modo particolare, cioè hanno un orientamento bidirezionale e sono speculari:
Struttura di una subunità proteica del porocanale.
I primi 3 domini(a, b, c), sono speculari con gli altri 3 (a1, b1, c1). Infatti, il segmento (a) è speculare al segmento (a1), ed il loro orientamento è opposto, in modo che quando il canale si forma all'interno della membrana cellulare, l'acqua viene trasportata in due sensi opposti (bidirezionalità).
Nel porocanale, gli amminoacidi, sono disposti in modo che i segmenti N-terminale e C-terminale delle catene polipeptidiche siano rivolte verso l'ambiente intracellulare.
La struttura dell'acquaporina, presenta inoltre delle anse extracellulari (A, C, E) e delle anse intracellulari (B, D). In particolare, ciò che forma il porocanale per l'acqua è l'ansa B ed E, che si ripiegano per formare il poro centrale.
Le anse B ed E, sono costituite da residui amminoacidici specifici, perché possiedono le caratteristiche chimico-fisiche adatte che favoriscono il passaggio delle molecole d'acqua. Questi residui amminoacidici specifici, in particolare sono: asparagina, prolina, alanina, ai quali la molecola d'acqua si lega e successivamente viene rilasciata.
Un altro residuo amminoacidico presente è quello della cisteina, importante dal punto di vista del meccanismo inibitorio delle acquaporine.
Legame delle molecole d'acqua agli amminoacidi
Nel porocanale, sono presenti degli amminoacidi che presentano dei gruppi carichi (ad esempio, come il gruppo NH3+ della catena laterale dell'asparagina), a ciascuno dei quali può andare a legarsi la molecola d'acqua. Ciascuna ansa, è costituita da amminoacidi che le consentono di assumere una conformazione elicoidale.
Prendendo in considerazione le anse (a) e (b), queste due sono opposte, infatti un'ansa sarà l'elica che direziona le molecole d'acqua, (dove in quest'elica non ci sono amminoacidi ai quali l'acqua si lega); invece l'altra ansa, sarà l'elica alla quale si legano le molecole d'acqua. La molecola dell'acqua, è un dipolo, infatti l'ossigeno ha una parziale carica negativa, invece gli atomi di idrogeno hanno una parziale carica positiva.
L'ossigeno, avendo carica negativa, forma un legame idrogeno con gli amminoacidi carichi positivamente, in particolare all'asparagina76 (Asn76) e asparagina192 (Asn192), In modo particolare, l'ossigeno, può legare la molecola d'acqua con due modalità differenti:
l'ossigeno può legare un amminoacido alla volta
l'ossigeno può legare sia (Asn76) che (Asn192) contemporaneamente
Inibizione delle acquaporine
Il residuo amminoacidico cisteina, presente nell'elica che costitutisce una subunità del porocanale, presenta un gruppo – SH il quale viene attaccato da inibitori come il cloruromercurico o nitrato d'argento. Questi inibitori, sono aspecifici perché attaccano tutte le acquaporine che presentano uno o più gruppi – SH dei residui di cisteina, impedendo il passaggio dell'acqua.
Localizzazione delle acquaporine nei differenti organi
Le acquaporine, sono presenti in tutti gli organi, ma il numero maggiore di acquaporine è riscontrato nel rene.
Localizzazione renale
Il rene, oltre ad altre funzioni, è l'organo deputato alla regolazione dell'osmolarità dei liquidi del corpo umano, ed è per questo motivo che le acquaporine sono espresse maggiormente in questo organo.
I tratti del rene deputati al riassorbimento dell'acqua sono: tubulo contorto prossimale e il tratto discendente dell'ansa di Henle. Il tratto ascendente dell'ansa di Henle e in parte il dotto collettore,sono impermeabili all'acqua.
Tipi di acquaporine presenti nel rene
Identificazione AcquaporinaPosizione anatomicaAcquaporine 1
• tubulo contorto prossimale
• tratto discendente dell'ansa di HenleAcquaporina 3
Acquaporina 4
• dotto collettoreAcquaporina 6
• dotto collettoreAcquaporina 7
Acquaporina 8
• tubulo contorto prossimaleAcquaporina 2
• dotto collettoreL'acquaporina 2 è importante nel processo di riassorbimento dell'acqua. La sua attività è regola dalla vasopressina, cioè, in seguito a ipovolemia, si ha la liberazione dell'ormone antidiuretico
che controlla l'attività dell'acquaporina 2.
In assenza dell'acquaporina 2, anche se viene liberato l'ormone antidiuretico, non avviene nessun riassorbimento, per cui si verifica una patologia chiamata diabete insipido nefrogenico, a differenza del diabete insipido neurogenetico, dovuto ad un mancato rilascio dell'ormone.
Tipi di acquaporine presenti nell'apparato respiratorio
Identificazione AcquaporinaPosizione anatomicaAcquaporine 1
• Endotelio dei capillari
• Pleura visceraleAcquaporina 3
Acquaporina 4
• Trachea
• Bronchi
• Area naso-faringeaAcquaporina 5
• Alveoli polmonari (pneumoniti di tipo 1)Tipi di acquaporine presenti nell'apparato ghiandolare
Identificazione AcquaporinaPosizione anatomicaAcquaporine 1
• Capillari ghiandolariAcquaporina 5
• aciniTipi di acquaporine presenti nell'occhio
Identificazione AcquaporinaPosizione anatomicaAcquaporine 0
• cristallinoAcquaporina 1
• Sclera
• Cornea
• IrideAcquaporina 3
• CongiuntivaAcquaporina 4
• RetinaAcquaporina 5
• Ghiandola lacrimale
Le acquaporine (AQP) sono proteine strutturali espresse sulla superficie della cellula che formano canali proteici specifici per passaggio bidirezionale di acqua e piccoli soluti tra l'ambiente interno e quello esterno alla cellula. Le AQP facilitano la secrezione e il riassorbimento dei fluidi e quindi regolano il volume cellulare e lo stato di idratazione dei tessuti.
Le AQP compongono una numerosa famiglia di proteine strutturali trasmebrana, di cui ne sono stati caratterizzati finora 13 differenti tipi, e sono localizzate ubiquitariamente, come riportato nella tabella (modificata da Verkman AS, Journal of Cell Science 2005; 118:3225-3232).
Come riportato in tabella, almeno 5 sottotipi di AQP sono espressi nei tessuti oculari, AQP0, AQP1, AQP3, AQP4 e AQP5. Questa distribuzione suggerisce che le AQP potrebbero essere coinvolte nel controllo fisiologico della trasparenza del cristallino, dell'idratazione corneale, della pressione oculare, della trasmissione del segnale nervoso e della secrezione lacrimale. Infatti, studi sperimentali hanno evidenziato che gli animali da esperimento (topi) geneticamente mancanti di un sottotipo di AQP presentano le seguenti caratteristiche fisiopatologiche:
assenza di AQP1: pressione oculare ridotta e un'alterata trasparenza corneale
assenza di AQP4: riduzione dei potenziali evocati visivi
assenza di AQP5: insufficienza lacrimale