Dalla scoperta del canale dell’acqua AqpZ dell’Escherichia coli, si è iniziato a capire il percorso dei rapidi flussi d’acqua attraverso le membrane con cui i microrganismi si adattano ai bruschi cambiamenti di osmolarità. Questo canale è selettivamente permeabile all’acqua, ha un ruolo sia nel breve termine che nella risposta osmoregolatoria a lungo termine, ed è richiesto dalle cellule in rapida crescita. Le proteine AqpZ-like sembrano essere necessarie per la virulenza di alcuni batteri patogeni. Le acquaporine microbiche sono anche probabilmente coinvolte nella formazione delle spore e/o nella germinazione.
La diversità delle acquaporine negli organismi multicellulari evidenzia i diversi requisiti per l’osmoregolazione e il movimento transmembrana dell’acqua in diversi tessuti, organi e fasi di sviluppo. Nei mammiferi, le acquaporine sono localizzate negli epiteli che hanno bisogno di un alto tasso di flusso d’acqua, come il dotto di raccolta del rene, i capillari del polmone e le cellule secretorie delle ghiandole salivari. Le acquaporine dei mammiferi differiscono nella loro regolazione trascrizionale, nella regolazione post-trascrizionale e nella distribuzione subcellulare.
I membri della famiglia delle acquaporine sono implicati in numerosi processi fisiologici (rivisti in ). Nel rene, per esempio, AQP1 è estremamente abbondante sia nella membrana apicale che in quella basolaterale dei tubuli prossimali renali e nell’endotelio capillare. Contribuisce al meccanismo di controcorrente per la concentrazione dell’urina. Nella ghiandola salivare, AQP3 si trova nelle membrane basolaterali, dove l’acqua viene assorbita dall’interstizio, e AQP5 è nella membrana apicale, dove l’acqua viene rilasciata. Una vasta gamma di disturbi clinici sono stati attribuiti alla perdita o alla disfunzione delle acquaporine, tra cui anomalie della funzione renale, perdita della vista, insorgenza di edema cerebrale e fame. AQP1 ha recentemente dimostrato di essere coinvolto nell’angiogenesi, nella guarigione delle ferite, nella rigenerazione degli organi e nella carcinogenesi.
La nostra conoscenza delle funzioni molecolari delle acquaporine vegetali per quanto riguarda la loro specificità per l’acqua e i piccoli soluti neutri è aumentata notevolmente negli ultimi anni. Nelle cellule vegetali, il citoplasma è infatti racchiuso tra due membrane: la membrana plasmatica, che forma il confine esterno della cellula, e il tonoplasto, che circonda il compartimento vacuolare. Le acquaporine situate nella membrana plasmatica (PIPs) o nel tonoplasto (TIPs) contribuiscono al bilancio idrico intracellulare e al flusso d’acqua transcellulare. Le NIPs, che sono state inizialmente trovate nella membrana peribacteroidea dei noduli radicali simbiotici delle leguminose, si presume siano coinvolte nello scambio di metaboliti tra l’ospite e il simbionte; la localizzazione subcellulare e la funzione fisiologica delle NIPs nelle piante non leguminose non è nota. Le SIP sono state recentemente localizzate nelle membrane del reticolo endoplasmatico; le loro funzioni fisiologiche devono ancora essere chiarite.
Molte delle nostre informazioni sulla rilevanza fisiologica delle acquaporine nelle piante provengono da analisi di piante transgeniche con espressione modificata di varie acquaporine, o da analisi di mutanti di acquaporine. La prima prova di una funzione nell’assorbimento dell’acqua cellulare e nel trasporto dell’acqua in tutta la pianta è venuta da piante che esprimono RNA antisenso per le proteine PIP, che hanno sviluppato un sistema radicale più grande rispetto ai controlli. Nel tabacco, l’acquaporina della membrana plasmatica NtAQP1 ha dimostrato di essere importante per la conduttività idraulica e la resistenza allo stress idrico nelle radici. Studi su piante con espressione alterata di due diverse acquaporine (PIP1 e PIP2) hanno indicato che queste proteine sono importanti nel recupero dalla carenza d’acqua. La sovraespressione di un’acquaporina della membrana plasmatica dell’Arabidopsis nel tabacco ha portato ad un aumento dei tassi di crescita sotto irrigazione ottimale, che è stato interpretato come la somma degli effetti sull’assorbimento dell’acqua e sulla fotosintesi. Oltre alla loro funzione nella gestione dell’acqua, le acquaporine delle piante hanno un ruolo durante il movimento delle foglie, un processo che coinvolge alti tassi di trasporto di acqua cellulare.
Oltre al loro ruolo nel trasporto di acqua e nell’osmoregolazione, alcune acquaporine facilitano il passaggio di gas come CO2 e NH3 attraverso le membrane (rivisto in ). Il significato fisiologico del trasporto di CO2 facilitato da AQP1 è ancora oggetto di dibattito. I topi knockout di AQP1 non hanno mostrato differenze nei tassi di scambio di CO2 nei polmoni e nei reni, ma le piante con espressione alterata di un’acquaporina PIP1 hanno mostrato diverse differenze, non solo nel trasporto di acqua ma anche nei processi limitati alla CO2 come la fotosintesi e la conduttanza stomatica. Studi con inibitori della funzione delle acquaporine nelle piante suggeriscono che le NIP sono coinvolte nella permeabilità dell’NH3 e forse nello scambio di nutrienti tra la pianta ospite e i batteri endosimbiotici.
Meccanismo
Dato che tutte le acquaporine sono strutturalmente correlate e hanno regioni di consenso molto simili, in particolare nei domini che formano i pori, si può assumere un meccanismo di trasporto simile. Il dominio idrofobico creato dai loop B ed E (Figura 2) è stato suggerito per essere coinvolto nella specificità del substrato e/o nella restrizione delle dimensioni. Il percorso attraverso il monomero dell’acquaporina è foderato con residui idrofobici conservati che permettono il trasporto rapido dell’acqua sotto forma di una catena di molecole d’acqua con legame a idrogeno a singolo file. Il poro contiene due siti di costrizione: una regione aromatica che comprende un residuo conservato di arginina (Arg195) forma la parte più stretta del poro, e i motivi altamente conservati NPA formano un secondo filtro, dove le singole molecole di acqua interagiscono con le due catene laterali di asparagina. A causa di un’interazione diretta tra le molecole d’acqua e i motivi NPA, la molecola d’acqua dipolare ruota di 180 gradi durante il passaggio attraverso il poro. Entrambe le regioni del filtro costruiscono barriere elettrostatiche, che impediscono la permeazione dei protoni. Nell’AQP1 umano, una catena laterale idrofoba di fenilalanina (Phe24) si intrufola nel poro e migliora l’interazione delle singole molecole d’acqua permeabili con gli anelli NPA. Nel facilitatore di glicerolo batterico GlpF, questo residuo è sostituito dal più piccolo aminoacido leucina (Leu21). Phe24 agisce come un filtro di esclusione delle dimensioni, impedendo il passaggio di molecole più grandi come il glicerolo attraverso AQP1.
La permeabilità all’acqua e la selettività delle acquaporine varia notevolmente, tuttavia. Le permeabilità all’acqua per le acquaporine umane sono state stimate tra 0,25 × 10-14 cm3/sec per AQP0 e 24 × 10-14 cm3/sec per AQP4 . Anche le acquaporine della membrana plasmatica delle piante hanno diversi livelli di attività delle acquaporine. La coespressione e l’eteromerizzazione delle isoforme PIP1 e PIP2 del mais hanno indotto un aumento della permeabilità superiore a quello ottenuto per l’espressione delle singole isoforme. L’eteromerizzazione sembra essere importante non solo nei sistemi di espressione eterologa, ma anche nella pianta, come è stato dimostrato dall’analisi delle piante di Arabidopsis PIP1 e PIP2 antisenso.
Il meccanismo con cui le acquagliceroporine promuovono il trasporto di glicerolo è stato studiato per il facilitatore di glicerolo GlpF di E. coli. Anche questa proteina contiene i motivi conservati NPA in posizioni comparabili a quelle delle acquaporine selettive per l’acqua, ma la preferenza per il glicerolo è ottenuta da aminoacidi aromatici sul lato periplasmatico. Trp48, Phe200 e Arg206 formano una costrizione, e il residuo di arginina forma legami a idrogeno con due gruppi idrossilici della molecola di glicerolo. Come risultato, la spina dorsale di carbonio della molecola di glicerolo si affaccia nella cavità assemblata dai due amminoacidi aromatici (Phe200 e Trp48). Il glicerolo è separato da altri polioli lineari e passa il poro in una sola fila. Il poro di GlpF è completamente anfipatico, con residui polari opposti a una parete idrofoba.