Desde el descubrimiento del canal de agua AqpZ de Escherichia coli, se ha empezado a comprender la vía de los flujos rápidos de agua a través de las membranas por la que los microorganismos se adaptan a los cambios bruscos de osmolaridad . Este canal es selectivamente permeable al agua, tiene un papel tanto en la respuesta osmorreguladora a corto como a largo plazo, y es requerido por las células de rápido crecimiento. Las proteínas similares a la AqpZ parecen ser necesarias para la virulencia de algunas bacterias patógenas. También es probable que las acuaporinas microbianas estén implicadas en la formación y/o germinación de esporas.
La diversidad de acuaporinas en los organismos multicelulares pone de manifiesto los diversos requisitos para la osmorregulación y el movimiento transmembrana del agua en diferentes tejidos, órganos y etapas de desarrollo. En los mamíferos, las acuaporinas se localizan en epitelios que necesitan una alta tasa de flujo de agua, como el conducto colector del riñón, los capilares del pulmón y las células secretoras de las glándulas salivales. Las acuaporinas de los mamíferos difieren en su regulación transcripcional, en su regulación postranscripcional y en su distribución subcelular.
Los miembros de la familia de las acuaporinas están implicados en numerosos procesos fisiológicos (revisados en ). En el riñón, por ejemplo, la AQP1 es extremadamente abundante en las membranas apical y basolateral de los túbulos proximales renales y en el endotelio capilar. Contribuye al mecanismo de contracorriente para la concentración de orina. En la glándula salival, la AQP3 se encuentra en las membranas basolaterales, donde se capta el agua del intersticio, y la AQP5 está en la membrana apical, donde se libera el agua. Se ha atribuido una amplia gama de trastornos clínicos a la pérdida o la disfunción de las acuaporinas, como las anomalías de la función renal, la pérdida de visión, la aparición de edema cerebral y la inanición. Recientemente se ha demostrado que la AQP1 está implicada en la angiogénesis, la cicatrización de heridas, la regeneración de órganos y la carcinogénesis.
Nuestro conocimiento de las funciones moleculares de las acuaporinas vegetales con respecto a su especificidad para el agua y los pequeños solutos neutros ha aumentado sustancialmente en los últimos años . En las células vegetales, el citoplasma está de hecho encerrado entre dos membranas: la membrana plasmática, que forma el límite exterior de la célula, y el tonoplasto, que rodea el compartimento vacuolar. Las acuaporinas situadas en la membrana plasmática (PIP) o en el tonoplasto (TIP) contribuyen al equilibrio hídrico intracelular y al flujo de agua transcelular. Las PIPs, que se encontraron inicialmente en la membrana peribacteroide de los nódulos de las raíces simbióticas de las leguminosas, se supone que están implicadas en el intercambio de metabolitos entre el huésped y el simbionte; se desconoce la localización subcelular y la función fisiológica de las PIPs en las plantas no leguminosas. Las SIPs se han localizado recientemente en las membranas del retículo endoplásmico; sus funciones fisiológicas están aún por dilucidar.
Mucha de nuestra información sobre la relevancia fisiológica de las acuaporinas en las plantas proviene de análisis de plantas transgénicas con expresión modificada de varias acuaporinas, o de análisis de mutantes de acuaporinas. La primera evidencia de una función en la captación de agua celular y el transporte de agua en toda la planta vino de las plantas que expresan ARN antisentido para las proteínas PIP, que desarrollaron un sistema radicular más grande que los controles . En el tabaco, se demostró que la acuaporina de membrana plasmática NtAQP1 es importante para la conductividad hidráulica y la resistencia al estrés hídrico en las raíces. Los estudios realizados en plantas con una expresión deteriorada de dos acuaporinas diferentes (PIP1 y PIP2) indicaron que estas proteínas son importantes en la recuperación de la deficiencia de agua . La sobreexpresión de una acuaporina de la membrana plasmática de Arabidopsis en el tabaco dio lugar a un aumento de las tasas de crecimiento bajo un riego óptimo , lo que se interpretó como la suma de los efectos sobre la captación de agua y la fotosíntesis. Además de su función en la gestión del agua, las acuaporinas de las plantas tienen un papel durante el movimiento de las hojas, un proceso que implica altas tasas de transporte de agua celular.
Además de su papel en el transporte de agua y la osmorregulación, algunas acuaporinas facilitan el paso de gases como el CO2 y el NH3 a través de las membranas (revisado en ). La importancia fisiológica del transporte de CO2 facilitado por AQP1 sigue siendo objeto de debate. Los ratones knockout de AQP1 no mostraron diferencias en las tasas de intercambio de CO2 en el pulmón y el riñón , pero las plantas con expresión alterada de una acuaporina PIP1 mostraron varias diferencias, no sólo en el transporte de agua sino también en procesos limitados por el CO2 como la fotosíntesis y la conductancia estomática . Los estudios con inhibidores de la función de las acuaporinas en las plantas sugieren que las PIP están implicadas en la permeabilidad del NH3 y quizás en el intercambio de nutrientes entre la planta huésped y las bacterias endosimbióticas.
Mecanismo
Dado que todas las acuaporinas están estructuralmente relacionadas y tienen regiones consenso muy similares, particularmente en los dominios formadores de poros, se puede suponer un mecanismo de transporte similar. Se ha sugerido que el dominio hidrofóbico creado por los bucles B y E (Figura 2) está implicado en la especificidad del sustrato y/o en la restricción del tamaño. El camino a través del monómero de la acuaporina está revestido de residuos hidrofóbicos conservados que permiten el transporte rápido de agua en forma de una cadena de moléculas de agua con enlaces de hidrógeno de una sola fila . El poro contiene dos sitios de constricción: una región aromática que comprende un residuo de arginina conservado (Arg195) forma la parte más estrecha del poro , y los motivos NPA altamente conservados forman un segundo filtro, donde las moléculas de agua individuales interactúan con las dos cadenas laterales de asparagina . Debido a la interacción directa entre las moléculas de agua y los motivos NPA, la molécula de agua dipolar gira 180 grados durante su paso por el poro. Ambas regiones filtrantes crean barreras electrostáticas que impiden la permeación de protones . En la AQP1 humana, una cadena lateral hidrofóbica de fenilalanina (Phe24) se inmiscuye en el poro y mejora la interacción de las moléculas de agua dipolares con los bucles NPA. En el facilitador de glicerol bacteriano GlpF, este residuo se sustituye por el aminoácido más pequeño leucina (Leu21). Phe24 actúa como un filtro de exclusión de tamaño, impidiendo el paso de moléculas más grandes como el glicerol a través de AQP1 .
Sin embargo, la permeabilidad al agua y la selectividad de las acuaporinas varía considerablemente. Las permeabilidades al agua de las acuaporinas humanas se han estimado entre 0,25 × 10-14 cm3/seg para la AQP0 y 24 × 10-14 cm3/seg para la AQP4 . Las acuaporinas de la membrana plasmática de las plantas también tienen diferentes niveles de actividad de acuaporina . La coexpresión y la heteromerización de las isoformas PIP1 y PIP2 del maíz indujeron un aumento de la permeabilidad por encima de la obtenida por la expresión de las isoformas individuales . La heteromerización parece ser importante no sólo en los sistemas de expresión heteróloga, sino también en la planta, como se demostró mediante el análisis de plantas de Arabidopsis antisentido de PIP1 y PIP2.
El mecanismo por el que las acagliceroporinas promueven el transporte de glicerol se ha investigado para el facilitador de glicerol GlpF de E. coli . Esta proteína también contiene los motivos NPA conservados en posiciones comparables a las de las acuaporinas selectivas de agua, pero la preferencia por el glicerol se consigue mediante aminoácidos aromáticos en el lado periplásmico. Trp48, Phe200 y Arg206 forman una constricción, y el residuo de arginina forma enlaces de hidrógeno con dos grupos hidroxilos de la molécula de glicerol. Como resultado, la columna vertebral de carbono de la molécula de glicerol se enfrenta a la cavidad formada por los dos aminoácidos aromáticos (Phe200 y Trp48). El glicerol se separa de otros polioles lineales y pasa por el poro en una sola fila. El poro de GlpF es completamente anfipático, con residuos polares frente a una pared hidrofóbica.