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BIOQUÍMICA Trabajo realizado por: Maria Reyes Fernández Crespo Israel Martínez Callado Inmaculada Felipe Medina Maria Isabel Pérez Zaragoza ÍNDICE Introducción……………………………………………………………..2 Descripción y estructura……………………………………………….3 Clasificación y enfermedades relacionadas...............................

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BIOQUÍMICA Trabajo realizado por: Maria Reyes Fernández Crespo Israel Martínez Callado Inmaculada Felipe Medina Maria Isabel Pérez Zaragoza

ÍNDICE

Introducción……………………………………………………………..2 Descripción y estructura……………………………………………….3 Clasificación y enfermedades relacionadas....................................4 Descubrimiento................................................................................5 Función y selectividad.....................................................................6 Representación estructural……………………………………………6 Conclusiones……………………………………………………………7 Opinión personal del grupo sobre el trabajo realizado………….....7 Bibliografía………………………………………………………………8

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Introducción Todos los organismos vivos están compuestos en su mayoría por agua, siendo fundamental para la homeostasis celular a cualquier nivel. Todos los iones, lípidos, azúcares, proteínas, y otras macromoléculas que forman parte de las células y su entorno, se encuentran disueltos en un medio acuoso. Para realizar las funciones que hacen posible la vida, las células deben incorporar nutrientes, hormonas, iones y gases y deben expulsar sustancias de desecho. Este intercambio de materia con el entorno, se realiza a través de la membrana, la mayor parte del agua que atraviesa la membrana lo hace en respuesta a un gradiente osmótico, en este caso por difusión simple a través de la bicapa lipídica, pero en otros como los eritrocitos o las células epiteliales del túbulo proximal renal, el transporte de agua se realiza a través de unos poros o canales que facilitan el flujo de ésta (difusión facilitada) a través de la membrana: las Acuaporinas. Su evolución arranca de la duplicación de un gen originario, que supuso la aparición de dos proteínas con funciones diferenciadas: los canales de agua y los canales de glicerol y urea.

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DESCRIPCIÓN Y ESTRUCTURA Las acuaporinas se extienden por toda la membrana celular, encontrando un mayor número de ellas en el riñón y en los eritrocitos. Son de una familia de proteínas integrales de membrana (PIM), que presentan bastante similitud estructural y actúan como canales selectivos de agua. Todas tienen sus segmentos amino y carboxilo terminal intracelulares y están conformadas por dos mitades muy similares entre sí oscilando su tamaño entre 250-300 aminoácidos. La superficie en contacto con la bicapa lipídica es rica en aminoácidos hidrofóbicos, mientras que en los extremos de la proteína se concentran los aminoácidos polares. Se organizan en 6 segmentos de estructura α-hélice que atraviesan la membrana de lado a lado, unidos por cinco lazos conectores. Dos de los lazos (uno extracelular 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 abriéndose hacia ambos lados de la membrana. Este particular plegamiento, en forma de reloj de arena, pone en contacto los tripletes NPA (asparragina-prolina-alanina) y se mantienen en contacto mediante fuerzas de Van der Waals entre sus prolinas para formar el sitio más estrecho del poro. Hay otros aminoácidos que forman parte del centro del poro acuoso: una isoleucina de la α-hélice 2, una fenilalanina de la α-hélice 1, una leucina de la α-hélice 4 y una valina de la α-hélice 5. Aunque los monómeros de acuaporina funcionan como canales o poros de agua, su estabilidad y funcionamiento correcto puede requerir su unión en tetrámeros, es decir, se agrupan de 4 en 4. Las mutaciones específicas en las secuencias de aminoácidos de los lazos intracelulares y extracelulares dan lugar a acuaporinas no funcionales, dando lugar a patologías. Como la membrana es semipermeable permite el paso de las moléculas de agua, sin embargo hay ocasiones en que por los propios requerimientos de los procesos celulares se necesita un incremento de la permeabilidad del agua en la membrana plasmática y esto se da gracias a la existencia de las acuaporinas que permiten el paso de 1 x 10^6 moléculas de agua por segundo. Sin embargo impiden el paso de los protones. Si las acuaporinas permitiesen el paso de protones a través de la membrana se perdería de forma absurda gradiente de protones que debería ser aprovechado para la producción de ATP o para impulsar procesos celulares que requieran energía, es decir endergónicos. Este problema se resuelve ya que en la estructura de la acuaporina hay dos hélices alfa, llamadas M3 y M7 que dan lugar a 2 campos eléctricos que son convergentes en la mitad del recorrido del canal. Las moléculas de agua forman puentes de hidrógeno entre ellas y pueden pasar tan sólo de una en una a través del canal, de manera que pasan una detrás de otra en “fila india”. El campo eléctrico que producen las hélices anteriormente citadas obligan a que las moléculas de agua que pasan a través del canal lo hagan orientando sus átomos de hidrógeno hacia el exterior. Los protones sólo pueden establecer puentes de hidrógeno con la carga negativa del oxígeno, pero el oxígeno queda inaccesible por la posición que adopta la molécula de agua a causa del campo eléctrico creado por las hélices M3 y M7 y de esta manera se impide la entrada de protones. Pero además, cuando las moléculas de agua llegan a la mitad del recorrido se encuentran con el fin de uno de los campos eléctricos y el inicio de otro convergente, de manera que las moléculas de agua se reorientan y ofrecen de nuevo a la cara saliente del canal los hidrógenos, de manera que los protones tampoco pueden formar puentes de hidrógeno impidiendo el paso por el otro lado del canal.

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CLASIFICACIÓN Y ENFERMEDADES RELACIONADAS Hasta el momento se han identificado 10 AQP en el ser humano, las cuales se clasifican en dos grandes familias: aquéllas que son específicas para el transporte de agua: acuaporinas clásicas (AQP0, AQP1, AQP2, AQP4, AQP5, AQP6, AQP8) y otras que permiten el transporte de agua y glicerol: Acuagliceroporinas (AQP3, AQP7, AQP9, AQP10).

Las AQP se encuentran distribuidas en todas las membranas del organismo, donde desempeñan la importante función de permitir el paso de agua. La AQP-0 se halla en las membranas celulares de la fibra del cristalino, en tanto las AQP-2 parecen desempeñar un papel importante en el funcionamiento del riñón. En el cerebro se detectan principalmente las AQP- 4, entre tanto en las glándulas salivales, lagrimales y sudoríparas predominan las AQP- 5. Las AQP-6 aunque se encuentran en el epitelio renal, su función no está completamente definida. En los testículos son características las AQP-7, en hígado y páncreas, las AQP8 y las AQP- 9 se hallan en los leucocitos. Resulta sobresaliente la función de las AQP1 y 3 en las membranas eritrocitarias, en los túbulos proximales renales y en las vías respiratorias. Otra de las acuaporinas de importancia clínica es la AQP-5. La ausencia o disminución de su expresión está relacionada con la aparición del Síndrome de Sjögren, una enfermedad que se caracteriza por la destrucción autoinmune de las glándulas salivales y lagrimales y el tejido respiratorio y conduce a ojo seco y boca seca. Recientemente se demostró que esta entidad es esencial para la secreción del sudor, encontrándose hiperhidrosis en modelos animales carentes del gen que codifica a esta proteína, lo que permitió concluir que sin AQP-5, no se suda. La deficiencia de AQP-1 en los humanos al parecer no es letal. Individuos carentes de AQP-1 son incapaces de producir orina concentrada y cuando se exponen a un déficit de agua, sufren de deshidratación. El déficit de la AQP-0 se relaciona con la aparición de cataratas congénita, mientras que la falta de AQP-4 parece estar involucrada con la ocurrencia de edema cerebral.

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DESCUBRIMIENTO Fue descubierta por Peter Agre con su equipo de la Universidad Johns Hopkins, por casualidad, cuando estudiaban la proteína de 32 Kilodalton que determina el grupo sanguíneo Rh. Entonces un polipéptido de peso molecular inferior (28 Kilodalton), pensaron que era un subproducto de la hidrólisis de la proteína Rh. Esta molécula abundate en glóbulos rojos y en células del túbulo proximal del riñon, tras realizarle un análisis estructual reveló que se trataba de una nueva proteína integral de la membrana, sin relación alguna con la proteína Rh. En 1992 se descubrió la función proteica de esta proteína denominada en principio CHIP28 y en la actualidad AQP1. Se inyectó una cantidad exigua de ARN mensajero de AQP1 a unos ovocitos, los cuales presentaban una permeabilidad al agua superior a la de un ovocito control sin inyectar o inyectado con agua, también se descubrió que la permeabilidad al agua dependiente de AQP1 se inhibía mediante cloruro de mercurio y que tal efecto se revertía con agentes reductores. El comportamiento fue el esperado para un flujo de agua mediado por canales, con lo cual se descubrió la proteina de canal de agua, a través de esta proteina se justificó la elevada permeabilidad al agua de la membrana del hematie y del túbulo proximal renal, pero ¿Cómo explicar la reabsorción de agua dependiente de otras células que no poseen esta proteína? A través de la AQP1, se desató la búsqueda de otras proteínas con las mismas características o similares, encontrando así las trece acuaporinas que se conocen en humanos hasta la actualidad.

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FUNCIÓN Y SELECTIVIDAD El estudio de las acuaporinas tiene dificultades, ya que al ser el agua una molécula neutra, no puede medirse con las técnicas clásicas de electrofisiología ni con inhibidores específicos. Para determinar la permeabilidad al agua de las células, se suele medir la variación de volumen de la célula en medios isosmóticos y medios hipo o hiperosmóticos. Para identificar las acuaporinas, se extrajo ARNm de un tejido de alta permeabilidad al agua y se inyectó en ovocitos de Xenopus laevis, ya que estas células tienen la ventaja de ser grandes, tienen un volumen fácil de medir y una baja permeabilidad al agua, por lo que hacían más fácil determinar los cambios de permeabilidad inducidos por proteínas. Esta técnica se usa en la caracterización de las acuaporinas clonadas para estudiar la permeabilidad al agua, la selectividad a otros solutos, la dependencia de la temperatura y del pH, asi como otros aspectos funcionales. De las trece acuaporinas de mamífero conocidas, la AQP3, AQP7, AQP9 y AQP10 forman el subgrupo de las acuagliceroporinas, permeables a la urea, el glicerol y a otros pequeños solutos cargados e iones. La selectividad de las acuagliceroproteínas depende de varias características además de la estrechez del poro. En la AQP3, la permeabilidad al glicerol es mayor que a la urea a pesar de que ésta es mucho mas pequeña. En la AQP1, los aminoácidos cargados se orientan con sus polos positivos hacia el centro del poro para crear un campo electrostático que repele protones y cationes, pero admite el paso de solutos neutros. En la AQP1, la estrechez del poro y la hidrofobicidad de la superficie interna del canal explican su permeabilidad y su selectividad.

REPRESENTACIÓN ESTRUCTURAL

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CONCLUSIÓN El descubrimiento de las acuaporinas ha cambiado la comprensión del transporte de agua en las membranas biológicas y de la naturaleza de las proteínas transportadoras en general, porque su estudio ha determinado que existen otros canales en las membranas ademas de los canales iónicos y que el transporte de agua a través de las membranas está regulada por la célula de forma muy distinta a como se pensaba antes de su descubrimiento. Además la íntima relación que tienen con diversas enfermedades han incrementado el interés por comprender su significado funcional en los diferentes tipos de células, pues esto podría implicar comprender mejor los mecanismos fisiopatológicos que lleven al desarrollo de medidas terapéuticas nuevas y tal vez más eficaces para el tratamiento de las enfermedades asociadas. La fisiopatología de muchas enfermedades cuyo origen molecular era desconocido antes de la era de las acuaporinas ha empezado a comprenderse mejor, lo cual resultará necesariamente en un mejor enfoque de éstas a nivel clínico y terapéutico, porque, por ejemplo, aquellas enfermedades que son secundarias a mutaciones puntuales en el gen de una AQP, como cataratas congénitas o diabetes insípida nefrogénica (ambas secundarias a la mutación de alguna de las acuaporinas), podrían ser objeto de terapia génica en el futuro. Una diversidad de estudios biomédicos y clínicos han demostrado que un amplio rango de enfermedades pueden estar relacionado con una disfunción en algún tipo de acuaporina y en teoría, todas las enfermedades relacionadas en una u otra forma con el transporte de agua son susceptibles de ser causadas por la función alterada de estas proteínas.

OPINIÓN PERSONAL Las acuaporinas tienen una gran importancia en el área de la medicina y de la farmacia, ya que la alteración de su funcionalidad puede ser la causa de muchas enfermedades cuyo origen es desconocido y a su vez, de enfermedades que se creía que se originaban por otra causa. También son de importancia en la biología celular, ya que antes se pensaba que el agua pasaba a través de la membrana por difusión simple, y sin embargo hay células que necesitan de estas proteínas para su correcto funcionamiento. Puesto que el descubrimiento de las acuaporinas es bastante reciente, aún queda mucho por saber acerca de éstas proteínas, de los tipos que hay en el ser humano (ya que sólo se conocen 10) y de su fisiología, así como de nuevos medicamentos y tratamientos que regulen su función.

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BIBLIOGRAFÍA

-BIOQUÍMICA Y BIOLOGÍA MOLECULAR PARA CIENCIAS DE LA SALUD. 3ª Edición. (2005). Editorial Mc Graw Hill -BIOQUÍMICA: libro de texto con aplicaciones clínicas. Thomas M Devlin. Editorial Reverté S.A. -REVISTA INVESTIGACIÓN Y CIENCIA - Miriam Echevarría y Rafael Zardoya. Artículo "Acuaporinas: los canales celulares" Diciembre 2006. -BIOQUIMICA - Jeremy Mark Berg. 2008. Editorial Reverté S.A. - Wikipedia - e-ciencia.com

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