Peter Agre
Uma família de proteínas inte- grais de membrana descoberta por Peter Agre, as aquaporinas
(AQP) provêm canais para movi-
mentos rápidos de moléculas de água através de todas as mem- branas plasmáticas. Aquaporinas são encontradas em todos os or- ganismos, e múltiplos genes de aquaporinas estão geralmente presentes, codificando proteínas similares, mas não idênticas. Onze aquaporinas são conheci- das em mamíferos, cada uma com papel e localização específicos (Tabela 11-5). Os eri- trócitos, que incham e murcham rapidamente em resposta a mudanças abruptas na osmolaridade extracelular à medi- da que o sangue passa pela medula renal, possuem uma alta densidade de aquaporinas em sua membrana plasmática (2 3 105
cópias de AQP1 por célula). A secreção de água pelas glândulas exócrinas que produzem suor, saliva e lágri- mas ocorre por meio das aquaporinas. Sete aquaporinas di- ferentes exercem funções na produção de urina e na reten- ção de água no néfron (a unidade funcional do rim). Cada AQP renal tem uma localização específica no néfron, e cada uma tem propriedades e características regulatórias especí- ficas. Por exemplo, a AQP2 nas células epiteliais dos ductos coletores renais é regulada pela vasopressina (também cha- mada de hormônio antidiurético): mais água é reabsorvida
K+
FIGURA 1144 Valinomicina, peptídeo ionóforo que liga K1. Nessa
imagem, o contorno da superfície aparece como um envelope amarelo, atra- vés do qual estão visíveis uma estrutura em bastões do peptídeo e um íon de K1
(em verde). Os átomos de oxigênio (em vermelho) que ligam K1 fazem parte de uma cavidade hidrofílica central. Cadeias laterais de aminoácidos hidrofóbicos (em amarelo) cobrem o lado de fora da molécula. Como o ex- terior do complexo K1-valinomicina é hidrofóbico, o complexo prontamente difunde-se através da membrana, carregando o K1
a favor de seu gradiente de concentração. A dissipação do gradiente iônico transmembrana resul- tante mata as células microbianas, fazendo com que a valinomicina seja um antibiótico potente.
no rim quando os níveis de vasopressina estiverem altos. Camundongos mutantes sem o gene da AQP1 apresentam uma eliminação urinária aumentada (poliúria) e uma capa- cidade reduzida em concentrar a urina, resultado da per- meabilidade diminuída à água no túbulo proximal. Em hu- manos, as AQP com defeitos genéticos são conhecidas por serem responsáveis por uma grande variedade de doenças, incluindo uma forma relativamente rara de diabetes que é acompanhada por poliúria (Quadro 11-1).
Moléculas de água fluem por um canal de AQP1 a uma taxa aproximada de 109 s21. Para comparação, o mais alto número de renovação para uma enzima é o da catalase, 4 3 107 s21, e muitas enzimas têm números de renovação entre 1 s21 e 104 s21 (ver Tabela 6-7). A baixa energia de ativação para a passagem de água pelos canais de aquaporina (DG‡ , 15 kJ/mol) sugere que a água desloca-se pelos canais em um fluxo contínuo, no sentido definido pelo gradiente osmótico. (Para uma discussão sobre osmose, ver p. 56.) As aquaporinas não permitem a passagem de prótons (íons hidrônio, H3O
1
), que poderiam colapsar os gradientes ele-
troquímicos da membrana. Qual é a base dessa seletividade extraordinária?
Encontra-se essa resposta na estrutura da AQP1, deter- minada por cristalografia por raios X. A AQP1 (Figura 11- 45a) consiste em quatro monômeros idênticos (cada um com Mr5 28.000), e cada um deles forma um poro trans- membrana com um diâmetro suficiente para permitir a pas- sagem de moléculas de água em fila única. Cada monôme- ro tem seis segmentos helicoidais transmembrana e duas
hélices menores, ambas contendo a sequência Asn-Pro-Ala (NPA). As seis hélices transmembrana formam um poro ao longo do monômero, e duas alças curtas contendo as se- quências NPA se estendem, a partir de lados opostos, para o centro da bicamada. Suas regiões NPA se sobrepõem no centro da membrana para formar parte do filtro de espe- cificidade – a estrutura que permite que apenas a água o atravesse (Figura 11-45b).
O canal de água se estreita até um diâmetro de 2,8 Å próximo ao centro da membrana, restringindo severamente o tamanho das moléculas que podem passar por ali. A carga positiva de um resíduo de Arg altamente conservado nesse afunilamento impede a passagem de cátions como o H3O1. Os resíduos que revestem o canal de cada monômero de AQP1 geralmente são apolares, mas oxigênios carbonílicos no esqueleto do peptídeo, projetando-se para a parte es- treita do canal em intervalos, podem fazer ligações de hi- drogênio com moléculas de água individuais à medida que atravessam o canal; os dois resíduos de Asn (Asn76 e Asn192) nas alças NPA também formam ligações de hidrogênio com a água. A estrutura do canal não possibilita a formação de uma cadeia de moléculas de água próxima o suficiente para permitir o salto de prótons (ver Figura 2-14), que poderia efetivamente movimentar prótons através da membrana. Resíduos críticos de Arg e His e dipolos elétricos formados pelas hélices curtas das alças NPA provêm cargas positivas que repelem quaisquer prótons que poderiam vazar pelo poro, impedindo ligações de hidrogênio entre moléculas de água adjacentes.
TABELA 115 Características de permeabilidade e distribuição predominante de aquaporinas conhecidas de mamíferos
Aquaporina Permeante (permeabilidade) Distribuição no tecido Distribuição subcelular*
AQP0 Água (baixa) Cristalino Membrana plasmática
AQP1 Água (alta) Eritrócito, rim, pulmão, endotélio vas-
cular, cérebro, olhos
Membrana plasmática
AQP2 Água (alta) Rim, vaso deferente Membrana plasmática apical, vesículas
intracelulares AQP3 Água (alta), glicerol (alta), ureia (mo-
derada)
Rim, pele, pulmão, olhos, colo Membrana plasmática basolateral
AQP4 Água (alta) Cérebro, músculo, rim, pulmão, estô-
mago, intestino delgado
Membrana plasmática basolateral
AQP5 Água (alta) Glândula salivar, glândula lacrimal,
glândula sudorípara, pulmão, córnea
Membrana plasmática apical
AQP6 Água (baixa), ânions (NO32 . Cl2) Rim Vesículas intracelulares
AQP7 Água (alta), glicerol (alta), ureia (alta) Tecido adiposo, rim, testículo Membrana plasmática
AQP8† Água (alta) Testículo, rim, fígado, pâncreas, intesti-
no delgado, colo
Membrana plasmática, vesículas intra- celulares
AQP9 Água (baixa), glicerol (alta), ureia (alta), arsenito
Fígado, leucócito, cérebro, testículo Membrana plasmática AQP10 Água (baixa), glicerol (alta), ureia
(alta)
Intestino delgado Vesículas intracelulares
Fonte: Dados extraídos de King, L.S., Kozono, D., & Agre, P. (2004). From structure to disease: the evolving tale of aquaporin biology. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 5, 688. * Aquaporinas presentes principalmente na membrana apical ou basolateral estão indicadas como localizadas em uma dessas membranas; aquelas presentes em ambas as membranas são descritas como localizadas na membrana plasmática.
Uma aquaporina isolada de espinafre é conhecida como “portão” – aberto quando dois resíduos de Ser críticos pró- ximos à extremidade intracelular do canal são fosforilados, e fechado quando são desfosforilados. Ambas as estruturas aberta e fechada foram determinadas por cristalografia. A fosforilação favorece a conformação que pressiona dois re- síduos de Leu próximos e um resíduo de His para o interior do canal, bloqueando o movimento de água além daquele ponto e efetivamente fechando o canal. Outras aquaporinas são reguladas de outras formas, permitindo mudanças rápi- das na permeabilidade da membrana à água.
Embora em geral altamente específicas para a água, algu- mas AQP também permitem a passagem de glicerol ou ureia em altas taxas (Tabela 11-5); acredita-se que essas AQP se- jam importantes no metabolismo do glicerol. A AQP7, por exemplo, encontrada em membranas plasmáticas de adipó- citos (células de gordura), transportam glicerol de maneira eficiente. Camundongos com AQP7 defeituosa desenvolvem obesidade e diabetes não dependente de insulina, presumi- velmente como resultado de sua incapacidade de deslocar o glicerol para dentro ou para fora dos adipócitos à medida que os triacilgliceróis são convertidos em ácidos graxos livres e glicerol, e que o glicerol é acilado a triacilglicerol.