A Descoberta dos Canais de Água (Aquaporins)

Abstract

O movimento da água para dentro e para fora das células é um processo biológico fundamental que é essencial para a vida. Este movimento da água não só regula a actividade das células individuais como também é responsável pelo funcionamento de muitos sistemas de órgãos e pela manutenção do equilíbrio hídrico de todo o corpo. Há muito se suspeitava que o movimento da água através das membranas das células biológicas era de alguma forma melhorado ou facilitado por poros ou canais, mas a busca para identificar esses canais era longa e entediante. Como muitas vezes acontece na ciência, o segredo do canal de água foi eventualmente descoberto por acaso em 1992 por Peter Agre e seus colegas da Universidade Johns Hopkins em Baltimore, que estavam trabalhando nas proteínas das membranas dos glóbulos vermelhos. Este “primeiro” canal de água foi originalmente chamado CHIP28 e agora é conhecido como aquaporina 1. Agre recebeu o Prêmio Nobel de Química em 2003 por esta descoberta. Existem actualmente 13 aquaporinas conhecidas em mamíferos, distribuídas na maioria dos tecidos, mas muitas mais foram identificadas em organismos inferiores e no reino vegetal. O envolvimento das aquaporinas em processos como concentração urinária e homeostase do fluido corporal, função cerebral, secreção glandular, hidratação da pele, fertilidade masculina, audição, visão e as funções corporais mais importantes que podem ser imaginadas estão agora todas sob intenso escrutínio científico. Além disso, os defeitos na função da aquaporina têm sido relacionados com várias condições de doença e estados patológicos. Esta breve revisão irá discutir os seus antecedentes, descoberta e função em processos corporais seleccionados, focando especialmente na hidratação.

© 2017 O(s) Autor(es) Publicado(s) por S. Karger AG, Basileia

Por que estamos interessados em Canais de Água?

As células que constituem o nosso corpo são maioritariamente constituídas por água. Cerca de 65% de uma célula é água. Em termos de massa corporal total, os bebés são os mais “suculentos”, sendo compostos por 75% de água; os adultos magros contêm 60% de água, enquanto os adultos mais velhos contêm apenas 50% de água. A maior parte do peso seco e não aquoso do corpo é osso. Para comparação, talvez o organismo mais “cheio de água” seja a alface (95% de água), enquanto nós, humanos, somos comparáveis a uma banana (65% de água). Durante a evolução, as células de todos os organismos evoluíram para funcionar de forma óptima num ambiente tão aquoso, e variações significativas no conteúdo celular da água concentrarão ou diluirão os seus componentes moleculares e impedirão a sua função normal. Assim, as células precisam regular a quantidade de água que entra e sai através da membrana plasmática para regular a concentração citosólica de solutos, íons, eletrólitos, proteínas e ácidos nucléicos. Além disso, a quantidade de água nos espaços extracelulares dentro de um organismo é também rigorosamente controlada. Em humanos e outros mamíferos, isto inclui mas não está limitado ao volume de sangue, o espaço intersticial fora dos vasos sanguíneos, o fluido cerebro-espinhal, humor aquoso no olho, e secreções glandulares.

Por que precisamos de canais de água?

Para lidar com as constantes mudanças nas demandas metabólicas e condições circundantes, as células precisam trocar água rapidamente entre seu citoplasma (dentro) e o ambiente externo (fora) para manter um volume constante. Isto é importante para muitos organismos inferiores que desenvolveram mecanismos elaborados para a regulação do volume celular, e geralmente envolve não só o transporte de água, mas também fluxos iônicos (principalmente Na+, K+ e Cl-) através das membranas para se recuperar de inchaço excessivo ou retração quando são expostos a fluidos externos de diferente osmolalidade (por exemplo, de água salgada do mar para diluir a água da chuva) . Embora esses mecanismos de transporte de íons também existam nos mamíferos, grande parte da função reguladora “homeostática” em organismos superiores é obtida mantendo um ambiente interno constante no qual residem nossas células – o famoso “milieu intérieur” ou “o mar dentro” definido por Claude Bernard . Isto é conseguido em grande parte pela ação dos rins, em coordenação com a detecção cerebral do volume e concentração plasmática (osmolalidade), e depois reagindo aumentando ou reduzindo a quantidade de água que eles liberam na urina. Isto será discutido com mais detalhes abaixo.

Além de manter o volume celular, a rápida troca de água através das células permite que os tecidos e órgãos secretam e/ou absorvam água como parte de sua função fisiológica. As células epiteliais que revestem alguns túbulos renais estão especialmente bem adaptadas a esta função, mas as células de outros sistemas de órgãos também podem regular o movimento transepitelial da água para permitir a ocorrência de processos funcionalmente importantes. Por exemplo, os líquidos secretados pelo pâncreas, o ducto biliar, as glândulas lacrimais, salivares e mamárias, assim como o plexo coróide e o epitélio do pigmento retiniano, todos envolvem o movimento rápido da água transepitélica.

Como a água entra e sai das células?

Todos estes processos fisiológicos envolvem o movimento da água através das membranas celulares. Há muito se entende que quando a maioria das células são colocadas em água destilada, elas incham consideravelmente e podem eventualmente explodir. Em contraste, quando as células são colocadas em uma solução salina mais concentrada que os sais e outros componentes dentro de seu citoplasma, elas vão encolher. Este processo é devido em grande parte ao fluxo de água osmótica, subindo ou descendo um gradiente de concentração, numa tentativa do sistema de equilibrar a concentração osmótica em ambos os lados da membrana plasmática celular. Mas como exatamente a água se move através da membrana da célula? Usando um dispositivo especial que pode medir o inchaço e a contracção dos glóbulos vermelhos, um modelo experimental que é fácil de obter e manipular, os investigadores concluíram que a água tem 2 vias através das membranas. Quando o inchaço e o encolhimento osmóticos foram monitorizados a diferentes temperaturas, Salomão descobriu um processo lento e sensível à temperatura sobre o qual foi sobreposto um processo muito mais rápido e independente da temperatura (Fig. 1). O processo lento refletiu a permeabilidade difusa da água através do bocal lipídico gordo da membrana plasmática – a difusão é sensível à temperatura. Mas o processo rápido foi consistente com a presença de poros aquosos na membrana, o que permitiu a passagem mais rápida e omoticamente impulsionada da água que não envolvia difusão (Fig. 1). Macey e Farmer e outros mostraram então que o composto cloreto de mercúrio poderia inibir significativamente o componente rápido deste processo, o que sugeria a presença de um poro proteico – ou canal de água – dentro da membrana. O cloreto de mercúrio se liga a grupos sulfidrílicos (resíduos de cisteína) em proteínas e inibe sua função: neste caso, a permeabilidade da água. Assim, esta pesquisa que se concentrou nos glóbulos vermelhos verificou claramente o conceito de que os poros de água são responsáveis pela passagem rápida, insensível à temperatura, osmoticamente impulsionada da água através das membranas biológicas. Como veremos, estes poros foram posteriormente identificados como as aquaporinas.

O rim regula o conteúdo de água do nosso corpo

O rim é um órgão notável que é mais conhecido por “filtrar” o sangue para remover produtos residuais como a ureia e outras toxinas e por produzir urina. Aproximadamente 180 L de sangue são filtrados todos os dias, no entanto a maioria dos indivíduos produz apenas cerca de 1,5 L de urina. A quantidade precisa depende de quanto se bebe, de quanto está quente e de quanto se faz exercício (o que causa perda de água pelo suor). Cerca de 90% do líquido filtrado é removido nas regiões proximais do rim e este valor é bastante constante na maioria das pessoas. Entretanto, os 10% restantes (18 L) são reabsorvidos no ducto coletor renal sob a influência do hormônio antidiurético, vasopressina (VP). A VP é libertada pela hipófise posterior em resposta à desidratação (que resulta num aumento da concentração osmótica no soro) ou perda de volume. Actua sobre as células epiteliais do ducto colector renal através de um receptor específico chamado receptor de vasopressina (V2R) para estimular a reabsorção de água, que corrige o problema e restaura a concentração e/ou volume sanguíneo para níveis normais. O mecanismo pelo qual a VP causa a absorção deste fluido através do epitélio do ducto colector é agora bastante bem compreendido e envolve canais de água de aquaporina.

A Bexiga Urinária do Sapo como Modelo para o Rim

Vale a pena dar um passo atrás e ver como o mecanismo de acção da VP foi examinado experimentalmente. Enquanto os efeitos do VP na função renal eram bem conhecidos há algum tempo, uma dissecação detalhada de sua ação celular exigia um sistema modelo que fosse mais acessível do que o rim. É muito difícil (mas não impossível) trabalhar com túbulos renais individuais, já que são tão pequenos – apenas cerca de 40 µm de diâmetro. Um grande avanço na pesquisa veio quando Bentley (e outros) descobriu que a bexiga do sapo também transportava água em resposta ao hormônio antidiurético. Esta é uma parte natural do seu processo de sobrevivência na natureza. Quando imerso na água, o sapo absorve água através da pele e produz muita urina muito diluída, que armazena em uma bexiga grande, parecida com um balão. Quando o sapo tem acesso limitado à água do tanque e começa a desidratar, o seu próprio hormônio antidiurético (chamado vasotocina, um análogo da VP) é liberado e faz com que o epitélio da bexiga se torne permeável à água. Assim, a água armazenada na bexiga é devolvida ao sangue para re-hidratar a criatura. Em essência, o sapo transporta a sua própria água engarrafada com ela na bexiga. A bexiga do sapo tornou-se assim um substituto amplamente utilizado para examinar e compreender o fluxo de água induzido pelo VP através do epitélio do ducto colector renal .

Durante muitos anos, a bexiga do sapo foi usada para examinar o início e a compensação da acção do VP no fluxo de água através das células epiteliais. Muitas vias de sinalização celular que regulam este processo a jusante da interacção VP-receptor foram identificadas. Uma das descobertas mais intrigantes que surgiram dos muitos estudos da bexiga de sapo foi o conceito de canais de água sendo inseridos na membrana plasmática destas células epiteliais a fim de aumentar a membrana e, portanto, a permeabilidade epitelial da água. Após a retirada hormonal, esses “canais de água” seriam então removidos da membrana plasmática através da internalização na célula (um processo conhecido como endocitose), que restaurava a membrana ao seu estado basal impermeável e impedia o fluxo de água. Esta idéia foi publicada por Wade que cunhou o termo “hipótese de vaivém” para descrever o movimento de ida e volta dos canais de água de e para a superfície da célula, por analogia com a nave espacial da NASA. Mas a natureza destes canais de água permaneceu desconhecida.

A descoberta dos canais de água de Aquaporin

Apesar de muitas tentativas de identificar as proteínas que formavam os canais de água, o campo ficou essencialmente congelado no tempo durante muitos anos. Todas as tentativas dirigidas para isolar a proteína das membranas purificadas dos eritrócitos das bexigas de sapo e dos rins tiveram um sucesso limitado, embora algumas publicações se tenham aproximado e outras tenham fornecido informações importantes, tais como informações sobre o tamanho molecular (cerca de 30 kD) . E assim aconteceu que o grupo Agre, ao olhar para as proteínas do fator Rhesus nas membranas dos glóbulos vermelhos, notou uma faixa “contaminante” consistente em seus géis em torno de 28 kD . Ao invés de descartar essa informação, eles cavaram um pouco mais fundo e concluíram que esse poderia ser o muito procurado canal de água nos eritrócitos. Foi isolado e purificado, e os anticorpos mostraram que também foi expresso em células dos túbulos proximais dos rins e do membro descendente fino de Henle – ambos são constitutivamente altamente permeáveis à água. Poderia ser este o canal de água? O momento decisivo chegou quando o grupo Agre injectou mRNA codificando esta proteína num sistema de expressão in vitro, os oócitos Xenopus. A membrana do oócito é normalmente muito impermeável à água – os ovos são depositados em água doce e estourariam se a membrana fosse permeável! Mas após a injeção de mRNA codificado para o canal de água putativo, os oócitos caíram em água destilada fez exatamente isso – eles explodiram, enquanto os oócitos de controle permaneceram intactos . O grupo Agre percebeu que o mRNA que injetaram tinha forçado os oócitos a produzir uma nova proteína que, quando movida para a membrana do oócito por mecanismos de transporte celular, fez com que a membrana se tornasse altamente permeável à água. Muita celebração se seguiu. Uma série de trabalhos posteriores confirmou que esta nova proteína, chamada CHIP28 (proteína da membrana integral formadora de canal de 28 kD), foi o primeiro canal de água a ser definitivamente identificado .

A Família Aquaporin

Logo após a identidade molecular da CHIP28 tornar-se conhecida, outros encontraram uma série de proteínas homólogas que formaram uma nova família. Ficaram conhecidas como aquaporinas. Quando o nome foi usado pela primeira vez, havia 4 aquaporinas conhecidas em mamíferos – AQP1, 2, 3, e 4. Existem hoje 13 aquaporinas de mamíferos , e centenas foram identificadas em outros organismos, incluindo plantas . Todos eles têm as mesmas características estruturais gerais, com um peso molecular de cerca de 30 kD na forma não glicosilada, e vários estados diferentes de glicosilação que resultam em um peso molecular maior. Todas elas têm 6 domínios transmembranas; os termos C e N estão ambos no citoplasma; formam um tetrâmero funcional no bocal lipídico e a estrutura do poro da água dentro da proteína foi elucidada pela cristalografia de raios X para algumas das aquaporinas . Inesperadamente, algumas aquaporinas são mais permeáveis à água que outras, e algumas podem transportar outras moléculas além da água. Por exemplo, o AQP3 é permeável ao glicerol e o AQP9 é permeável à ureia. Além disso, algumas aquaporinas são permeáveis a gases como o CO2 e o NO . Assim, o campo da biologia da aquaporina está em constante expansão, e relatórios de novas e inesperadas funções dentro de várias células e tecidos continuam a emergir regularmente.

Aquaporina 1 e 2 (o VP Sensitive Water Channel) no Rim

AQP1, o canal de água de células vermelhas, é altamente expresso em túbulos proximais e membros descendentes finos de Henle, ambos altamente permeáveis à água em todos os momentos . Estes segmentos de túbulos estão envolvidos na reabsorção de 90% da água filtrada. Um segundo aquaporin, AQP2, foi identificado na recolha das células principais do canal do rim. Estas são as células que (como a bexiga do sapo) alteram a sua permeabilidade à água em resposta à hormona antidiurética, VP, e assim regulam a reabsorção do fluido restante – quase 20 L por dia. O AQP2 é o canal de água regulado pela VP. Na presença de VP, o AQP2 acumula na superfície das células principais e a água atravessa o epitélio impulsionado por um gradiente osmótico (Fig. 2). O aspecto basolateral destes túbulos é hipertônico ao fluido no lúmen do túbulo e a água flui para baixo ao longo deste gradiente na presença da VP. A membrana basolateral das células principais é sempre permeável à água, devido à presença de AQP3 ou AQP4 em diferentes partes do rim. Assim, a quantidade de AQP2 na membrana apical é o fator limitador de taxa que regula a reabsorção de água no ducto coletor renal. Muitos anos de pesquisas têm mostrado que o AQP2 recicla entre a membrana plasmática e as vesículas citoplasmáticas nas células principais, e o VP altera o equilíbrio de tal forma que mais AQP2 se acumula na superfície celular e menos está dentro da célula, contabilizando o aumento da permeabilidade da membrana (Fig. 2). A biologia celular subjacente a este processo é parcialmente compreendida, e envolve uma cascata de sinalização que é iniciada pela interação do VP com seu receptor, ativação de uma adeniliclase para aumentar o AMPc intracelular, ativação da proteína quinase A, e fosforilação da proteína AQP2. A fosforilação é o evento crítico que causa o acúmulo de membrana da AQP2, e vários laboratórios estão envolvidos em estudos com o objetivo de compreender melhor este processo. O leitor interessado é encaminhado para revisões detalhadas recentes sobre este processo .

Patofisiologia das Aquaporinas

Como seria de esperar, as aquaporinas têm estado implicadas em várias doenças, mais notadamente no rim (Fig. 3). A avaria ou mutações no AQP2 ou, mais comumente o V2R, causam diabetes nefrogênico insípido (NDI), no qual os pacientes são incapazes de concentrar sua urina e teoricamente poderiam anular até 18 L de urina diluída a cada dia, ou seja, a quantidade normalmente reabsorvida na conduta coletora. Devido a outros mecanismos compensatórios, a maioria dos pacientes com NDI produz entre 5 e 10 L por dia. As terapias disponíveis só podem aliviar parcialmente os sintomas, e é necessário mais trabalho para encontrar melhores curas. A causa mais comum do NDI é em pacientes que recebem tratamento de lítio para distúrbio bipolar. O lítio causa uma grave desregulação do gene AQP2 por razões que não são completamente compreendidas . Embora seja uma terapia muito eficaz para a doença bipolar, este e outros efeitos secundários fazem com que muitos pacientes se sintam relutantes em iniciar um curso de terapia com lítio. Outras desordens relacionadas com o AQP, identificadas principalmente em modelos animais nocturnos, são um defeito de concentração urinária (humanos AQP1 foram identificados), cataratas (AQP0), AVC (AQP4) e pele frágil devido a uma hidratação defeituosa (AQP3). O AQP1 e AQP2 também foram implicados na migração celular e na cicatrização de feridas. Finalmente, o apelo das aquaporinas captou a imaginação das agências de publicidade envolvidas, por exemplo, na indústria cosmética. Google e veja!

Direções Futuras

Uma área excitante da biologia da aquaporina é o surgimento das chamadas funções de luz da lua destas proteínas do canal. Estas podem estar relacionadas com a sua função de canal, como no caso da permeabilidade gasosa da AQP1, ou não relacionadas com a actividade do canal, como no caso da AQP2, que está envolvida no desenvolvimento renal através da sua interacção com as integrinas e a matriz extracelular. Estudos futuros irão sem dúvida identificar mais propriedades inesperadas das aquaporinas. Um grande número de aquaporinas é encontrado em espécies não mamíferas “inferiores”, como plantas, micróbios e fungos. Isto abre a porta para usar esta informação para melhorar o crescimento e adaptação das plantas, estimulando a função AQP, e para combater infecções microbianas e fúngicas através da inibição das aquaporinas. Tais inibidores específicos ainda não estão disponíveis, mas se e quando desenvolvidos, podem também ter papéis importantes na medicina como aquariofilia (para tratar a hipertensão), e talvez no cancro (para bloquear metástases). Também temos muito a aprender sobre a biologia celular do tráfico de aquaporinas. Como é que se movimentam na célula? Como é que eles interagem com outras proteínas? Podem ser identificados e aproveitados caminhos alternativos de sinalização para contornar a sinalização V2R defeituosa no NDI? Este trabalho é contínuo e promete revelar segredos celulares que pertencem não só à biologia AQP mas também a outros importantes eventos de tráfico celular que estão implicados numa série de outras doenças humanas.

Acknowledgements/Disclosure Statement

D.B. e os seus colegas do Programa MGH em Biologia de Membranas têm recebido apoio contínuo para o trabalho sobre aquaporinas dos Institutos Nacionais de Saúde, actualmente com o número DK096586. D.B. recebeu da Danone Research o reembolso das despesas de viagem e da taxa de inscrição para participar da Conferência Científica H4H.

Contactos do Autor

Pormenores da Publicação

Licença de Acesso Aberto / Dosagem de Drogas / Exoneração de Responsabilidade

Este artigo está licenciado sob a Licença Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License (CC BY-NC-ND). O uso e distribuição para fins comerciais, assim como qualquer distribuição de material modificado, requer permissão por escrito. Dosagem de medicamentos: Os autores e a editora têm feito todos os esforços para assegurar que a seleção e dosagem de drogas estabelecidas neste texto estejam de acordo com as recomendações e práticas atuais no momento da publicação. Entretanto, em vista das pesquisas em andamento, mudanças nas regulamentações governamentais e o constante fluxo de informações relacionadas à terapia e às reações medicamentosas, o leitor é instado a verificar na bula de cada droga qualquer mudança nas indicações e na dosagem, bem como por advertências e precauções adicionais. Isto é particularmente importante quando o agente recomendado é um medicamento novo e/ou pouco utilizado. Isenção de responsabilidade: As declarações, opiniões e dados contidos nesta publicação são exclusivamente dos autores e colaboradores individuais e não dos editores e do(s) editor(es). A aparência dos anúncios e/ou referências de produtos na publicação não é uma garantia, endosso ou aprovação dos produtos ou serviços anunciados ou da sua eficácia, qualidade ou segurança. A editora e o(s) editor(es) renunciam à responsabilidade por qualquer dano a pessoas ou bens resultante de quaisquer ideias, métodos, instruções ou produtos referidos no conteúdo ou anúncios.