El descubrimiento de los canales de agua (acuaporinas)

Resumen

El movimiento del agua dentro y fuera de las células es un proceso biológico fundamental y esencial para la vida. Dicho movimiento de agua no sólo regula la actividad de las células individuales, sino que también es responsable del funcionamiento de muchos sistemas de órganos y del mantenimiento del equilibrio hídrico de todo el cuerpo. Hacía tiempo que se sospechaba que el movimiento del agua a través de las membranas de las células biológicas se veía favorecido o facilitado de algún modo por poros o canales, pero la búsqueda para identificar estos canales era larga y tediosa. Como suele ocurrir en la ciencia, el secreto del canal de agua fue finalmente descubierto por casualidad en 1992 por Peter Agre y sus colegas de la Universidad Johns Hopkins de Baltimore, que trabajaban en las proteínas de la membrana de los glóbulos rojos. Este «primer» canal de agua se llamó originalmente CHIP28 y ahora se conoce como acuaporina 1. Agre recibió el Premio Nobel de Química en 2003 por este descubrimiento. Actualmente se conocen 13 acuaporinas en los mamíferos, distribuidas en la mayoría de los tejidos, pero se han identificado muchas más en organismos inferiores y en el reino vegetal. La implicación de las acuaporinas en procesos como la concentración urinaria y la homeostasis de los fluidos corporales, la función cerebral, la secreción glandular, la hidratación de la piel, la fertilidad masculina, la audición, la visión y la mayoría de las funciones corporales más importantes que se puedan imaginar están ahora bajo un intenso escrutinio científico. Además, los defectos en la función de las acuaporinas se han relacionado con diversas enfermedades y estados patológicos. En esta breve revisión se analizarán sus antecedentes, su descubrimiento y su función en determinados procesos corporales, centrándose especialmente en la hidratación.

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¿Por qué nos interesan los canales de agua?

Las células que constituyen nuestro cuerpo están formadas mayoritariamente por agua. Alrededor del 65% de una célula es agua. En términos de masa corporal total, los bebés son los más «jugosos», ya que están compuestos por un 75% de agua; los adultos delgados contienen un 60% de agua, mientras que los adultos mayores sólo contienen un 50% de agua. La mayor parte del peso seco no acuoso del cuerpo es hueso. A modo de comparación, quizá el organismo más rico en agua sea la lechuga (95% de agua), mientras que los humanos somos comparables a un plátano (65% de agua). A lo largo de la evolución, las células de todos los organismos han evolucionado para funcionar de forma óptima en ese entorno acuoso, y las variaciones significativas en el contenido celular de agua concentrarán o diluirán sus componentes moleculares e impedirán su funcionamiento normal. Así, las células necesitan regular la cantidad de agua que entra y sale a través de su membrana plasmática para regular la concentración citosólica de solutos, iones, electrolitos, proteínas y ácidos nucleicos. Además, la cantidad de agua en los espacios extracelulares de un organismo también está estrechamente controlada. En los seres humanos y otros mamíferos, esto incluye, pero no se limita, al volumen sanguíneo, el espacio intersticial fuera de los vasos sanguíneos, el líquido cefalorraquídeo, el humor acuoso en el ojo y las secreciones glandulares.

¿Por qué necesitamos canales de agua?

Para hacer frente a las demandas metabólicas en constante cambio y a las condiciones circundantes, las células necesitan intercambiar agua rápidamente entre su citoplasma (en el interior) y el entorno externo (en el exterior) para mantener un volumen constante. Esto es importante para muchos organismos inferiores que han desarrollado elaborados mecanismos para la regulación del volumen celular, y suele implicar no sólo el transporte de agua, sino también los flujos de iones (principalmente Na+, K+ y Cl-) a través de las membranas para recuperarse de una excesiva hinchazón o contracción cuando se exponen a fluidos externos de diferente osmolalidad (por ejemplo, desde el agua de mar salada hasta el agua de lluvia diluida) . Aunque estos mecanismos de transporte de iones también existen en los mamíferos, gran parte de la función reguladora «homeostática» en los organismos superiores se consigue manteniendo un entorno interno constante en el que residen nuestras células, el famoso «milieu intérieur» o «el mar interior» definido por Claude Bernard . Esto se consigue en gran parte gracias a la acción de los riñones, en coordinación con el cerebro que detecta el volumen y la concentración del plasma (osmolalidad), y luego reacciona aumentando o reduciendo la cantidad de agua que libera en la orina. Esto se analizará con más detalle a continuación.

Además de mantener el volumen celular, el rápido intercambio de agua entre las células permite a los tejidos y órganos secretar y/o absorber agua como parte de su función fisiológica. Las células epiteliales que recubren algunos túbulos renales están especialmente bien adaptadas a esta función, pero las células de otros sistemas orgánicos también pueden regular el movimiento transepitelial del agua para permitir que se produzcan procesos funcionalmente importantes. Por ejemplo, los fluidos secretados por el páncreas, el conducto biliar, las glándulas lacrimales, salivales y mamarias, así como el plexo coroideo y el epitelio pigmentario de la retina, implican un rápido movimiento transepitelial del agua.

¿Cómo entra y sale el agua de las células?

Todos estos procesos fisiológicos implican el movimiento del agua a través de las membranas celulares. Desde hace tiempo se sabe que cuando la mayoría de las células se colocan en agua destilada, se hinchan considerablemente y pueden llegar a reventar. En cambio, cuando las células se colocan en una solución salina más concentrada que las sales y otros componentes de su citoplasma, se encogen. Este proceso se debe en gran parte al flujo osmótico de agua, hacia arriba o hacia abajo de un gradiente de concentración, en un intento del sistema por equilibrar la concentración osmótica a ambos lados de la membrana plasmática de la célula. Pero, ¿cómo se mueve exactamente el agua a través de la membrana celular? Utilizando un dispositivo especial que puede medir la hinchazón y la contracción de los glóbulos rojos, un modelo experimental fácil de obtener y manipular, los investigadores llegaron a la conclusión de que el agua tiene dos vías a través de las membranas. Cuando se controló la hinchazón y la contracción osmótica a diferentes temperaturas, Solomon descubrió un proceso lento y sensible a la temperatura al que se superponía un proceso mucho más rápido e independiente de la temperatura (Fig. 1). El proceso lento reflejaba la permeabilidad difusional del agua a través de la bicapa lipídica grasa de la membrana plasmática – la difusión es sensible a la temperatura. Pero el proceso rápido era consistente con la presencia de poros acuosos en la membrana, que permitían el paso más rápido y osmótico del agua que no implicaba difusión (Fig. 1). Macey y Farmer y otros demostraron entonces que el compuesto cloruro mercúrico podía inhibir significativamente el componente rápido de este proceso, lo que sugería la presencia de un poro proteico -o canal de agua- dentro de la membrana. El cloruro mercúrico se une a los grupos sulfhidrilos (residuos de cisteína) de las proteínas e inhibe su función: en este caso, la permeabilidad al agua. Así pues, esta investigación centrada en los glóbulos rojos verificó claramente el concepto de que los poros de agua son responsables del paso rápido, insensible a la temperatura, y osmótico del agua a través de las membranas biológicas. Como veremos, estos poros fueron identificados posteriormente como las acuaporinas.

El riñón regula el contenido de agua de nuestro cuerpo

El riñón es un órgano extraordinario que es más conocido por «filtrar» la sangre para eliminar productos de desecho como la urea y otras toxinas y por producir orina. Cada día se filtran aproximadamente 180 L de sangre, pero la mayoría de las personas sólo producen alrededor de 1,5 L de orina. La cantidad exacta depende de cuánto se beba, del calor que haga y del ejercicio que se haga (que provoca la pérdida de agua por el sudor). Alrededor del 90% del líquido filtrado se elimina en las regiones proximales del riñón y este valor es bastante constante en la mayoría de las personas. Sin embargo, el 10% restante (18 L) se reabsorbe en el conducto colector renal bajo la influencia de la hormona antidiurética, la vasopresina (VP). La VP es liberada por la hipófisis posterior en respuesta a la deshidratación (que provoca un aumento de la concentración osmótica del suero) o a la pérdida de volumen. Actúa sobre las células epiteliales del conducto colector renal a través de un receptor específico denominado receptor de vasopresina (V2R) para estimular la reabsorción de agua, lo que corrige el problema y restablece la concentración y/o el volumen sanguíneo a niveles normales. El mecanismo por el que la VP provoca esta captación de líquido a través del epitelio del conducto colector se conoce ahora bastante bien y tiene que ver con los canales de agua de la acuaporina.

La vejiga urinaria del sapo como modelo del riñón

Merece la pena dar un paso atrás y observar cómo se examinó experimentalmente el mecanismo de acción de la VP. Aunque los efectos de la VP sobre la función renal eran bien conocidos desde hacía tiempo, una disección detallada de su acción celular requería un sistema modelo más accesible que el riñón. Es muy difícil (pero no imposible) trabajar con túbulos renales individuales, ya que son muy pequeños: sólo tienen unos 40 µm de diámetro. Un gran avance en la investigación se produjo cuando Bentley (y otros) descubrieron que la vejiga urinaria de los sapos también transportaba agua en respuesta a la hormona antidiurética . Esto es una parte natural de su proceso de supervivencia en la naturaleza. Cuando se sumerge en el agua, el sapo absorbe agua a través de su piel y produce mucha orina muy diluida, que almacena en una gran vejiga en forma de globo. Cuando el sapo tiene un acceso limitado al agua del estanque y empieza a deshidratarse, se libera su propia hormona antidiurética (llamada vasotocina, un análogo de la VP) y hace que el epitelio de la vejiga se vuelva permeable al agua. Así, el agua almacenada en la vejiga se devuelve a la sangre para rehidratar a la criatura. En esencia, el sapo lleva su propia agua embotellada en la vejiga. La vejiga urinaria del sapo se convirtió así en un sustituto ampliamente utilizado para examinar y comprender el flujo de agua inducido por la VP a través del epitelio del conducto colector del riñón.

Durante muchos años, la vejiga del sapo se utilizó para examinar el inicio y el desplazamiento de la acción de la VP sobre el flujo de agua a través de las células epiteliales. Se identificaron muchas vías de señalización celular que regulan este proceso aguas abajo de la interacción VP-receptor. Uno de los hallazgos más intrigantes que surgieron de los numerosos estudios sobre la vejiga del sapo fue el concepto de los canales de agua que se insertan en la membrana plasmática de estas células epiteliales para aumentar la permeabilidad de la membrana y, por tanto, del agua epitelial. Tras la retirada de la hormona, estos «canales de agua» se eliminarían de la membrana plasmática por internalización en la célula (un proceso conocido como endocitosis), lo que restablecería la membrana a su estado impermeable de base e impediría el flujo de agua. Esta idea fue publicada por Wade, que acuñó el término «hipótesis del transbordador» para describir el movimiento de ida y vuelta de los canales de agua hacia y desde la superficie celular por analogía con el transbordador espacial de la NASA. Pero la naturaleza de estos canales de agua seguía siendo desconocida.

El descubrimiento de los canales de agua de las acuaporinas

A pesar de los numerosos intentos de identificar la proteína que formaba los canales de agua, el campo quedó esencialmente congelado en el tiempo durante muchos años. Todos los intentos dirigidos a aislar la proteína a partir de membranas purificadas de eritrocitos de vejiga de sapo y de riñón habían tenido un éxito limitado, aunque algunas publicaciones se acercaron y otras aportaron información importante, como la relativa al tamaño molecular (unos 30 kD) . Y así sucedió que el grupo de Agre, mientras observaba las proteínas del factor Rhesus en las membranas de los glóbulos rojos, observó una banda «contaminante» consistente en sus geles de alrededor de 28 kD . En lugar de descartar esta información, profundizaron un poco más y llegaron a la conclusión de que podría tratarse del tan buscado canal de agua de los glóbulos rojos. Lo aislaron y purificaron, y los anticuerpos mostraron que también se expresaba en las células de los túbulos proximales del riñón y en la rama descendente delgada de Henle, ambas altamente permeables al agua. ¿Podría ser éste el canal del agua? El momento decisivo llegó cuando el grupo de Agre inyectó el ARNm que codificaba esta proteína en un sistema de expresión in vitro, los ovocitos de Xenopus. La membrana de los ovocitos es normalmente muy impermeable al agua: los huevos se depositan en agua dulce y se abrirían si la membrana fuera permeable. Sin embargo, tras la inyección del ARNm que codifica el canal de agua putativo, los ovocitos depositados en agua destilada hicieron exactamente eso: estallaron, mientras que los ovocitos de control permanecieron intactos. El grupo Agre se dio cuenta de que el ARNm que inyectaron había obligado a los ovocitos a producir una nueva proteína que, al ser trasladada a la membrana del ovocito por mecanismos de transporte celular, hacía que la membrana se volviera altamente permeable al agua. La celebración fue grande. Una serie de artículos posteriores confirmaron que esta nueva proteína, llamada CHIP28 (proteína integral de membrana formadora de canales de 28 kD), era el primer canal de agua identificado definitivamente.

La familia de las acuaporinas

Poco después de que se conociera la identidad molecular de CHIP28, otros encontraron una serie de proteínas homólogas que formaban una nueva familia. Se conocieron como acuaporinas . Cuando se utilizó el nombre por primera vez, había 4 acuaporinas conocidas en los mamíferos: AQP1, 2, 3 y 4. Ahora hay 13 acuaporinas de mamíferos, y se han identificado cientos en otros organismos, incluidas las plantas. Todas ellas tienen las mismas características estructurales generales, con un peso molecular de unos 30 kD en la forma no glicosilada, y varios estados de glicosilación diferentes que dan lugar a un mayor peso molecular. Todas tienen 6 dominios transmembrana; los extremos C y N se encuentran en el citoplasma; forman un tetrámero funcional en la bicapa lipídica y la estructura del poro de agua dentro de la proteína se ha dilucidado mediante cristalografía de rayos X para algunas de las acuaporinas. Inesperadamente, algunas acuaporinas son más permeables al agua que otras, y algunas pueden transportar otras moléculas además de agua. Por ejemplo, la AQP3 es permeable al glicerol y la AQP9 a la urea. Además, algunas acuaporinas son permeables a gases como el CO2 y el NO . Así pues, el campo de la biología de las acuaporinas se encuentra en constante expansión, y periódicamente surgen informes sobre funciones nuevas e inesperadas en diversas células y tejidos.

Aquaporina 1 y 2 (el canal de agua sensible a la VP) en el riñón

AQP1, el canal de agua de los glóbulos rojos, se expresa en gran medida en los túbulos proximales y en los delgados miembros descendentes de Henle, ambos altamente permeables al agua en todo momento . Estos segmentos tubulares participan en la reabsorción del 90% del agua filtrada. Se ha identificado una segunda acuaporina, la AQP2, en las células principales del conducto colector del riñón. Estas son las células que (al igual que la vejiga del sapo) cambian su permeabilidad al agua en respuesta a la hormona antidiurética, VP, y así regulan la reabsorción del líquido restante – casi 20 L por día. La AQP2 es el canal de agua regulado por la VP. En presencia de VP, AQP2 se acumula en la superficie de las células principales y el agua atraviesa el epitelio impulsada por un gradiente osmótico (Fig. 2). La cara basolateral de estos túbulos es hipertónica respecto al fluido del lumen tubular y el agua fluye hacia abajo a lo largo de este gradiente en presencia de VP. La membrana basolateral de las células principales es siempre permeable al agua debido a la presencia de AQP3 o AQP4 en diferentes partes del riñón. Así, la cantidad de AQP2 en la membrana apical es el factor limitante que regula la reabsorción de agua en el conducto colector renal. Muchos años de investigación han demostrado que la AQP2 se recicla entre la membrana plasmática y las vesículas citoplasmáticas en las células principales, y que la VP cambia el equilibrio de manera que se acumula más AQP2 en la superficie celular y menos en el interior de la célula, lo que explica el aumento de la permeabilidad de la membrana (Fig. 2). La biología celular subyacente a este proceso se conoce parcialmente, e implica una cascada de señalización que se inicia por la interacción de la VP con su receptor, la activación de una adenilil ciclasa para aumentar el AMPc intracelular, la activación de la proteína quinasa A y la fosforilación de la proteína AQP2. La fosforilación es el evento crítico que causa la acumulación en la membrana de la AQP2, y varios laboratorios están involucrados en estudios dirigidos a comprender mejor este proceso. Se remite al lector interesado a las recientes revisiones detalladas sobre este proceso.

Patofisiología de las acuaporinas

Como era de esperar, las acuaporinas han sido implicadas en varias enfermedades, sobre todo en el riñón (Fig. 3). El mal funcionamiento o las mutaciones en la AQP2 o, más comúnmente en la V2R, causan la diabetes insípida nefrogénica (NDI), en la que los pacientes son incapaces de concentrar su orina y teóricamente podrían vaciar hasta 18 L de orina diluida cada día, es decir, la cantidad que normalmente se reabsorbe en el conducto colector. Debido a otros mecanismos compensatorios, la mayoría de los pacientes con NDI producen entre 5 y 10 L al día . Las terapias disponibles sólo pueden aliviar parcialmente los síntomas, y es necesario seguir trabajando para encontrar mejores curas. La causa más común de IDN es en los pacientes que reciben tratamiento con litio para el trastorno bipolar. El litio provoca una grave regulación a la baja del gen AQP2 por razones que no se comprenden del todo. Aunque es una terapia muy eficaz para el trastorno bipolar, éste y otros efectos secundarios hacen que muchos pacientes sean reacios a embarcarse en un tratamiento con litio. Otros trastornos relacionados con el AQP, en su mayoría identificados en modelos animales knockout , son un defecto de concentración urinaria (se han identificado humanos de AQP1), cataratas (AQP0), apoplejía (AQP4) y piel frágil debido a una hidratación defectuosa (AQP3). AQP1 y AQP2 también se han implicado en la migración celular y la curación de heridas. Por último, el atractivo de las acuaporinas ha captado la imaginación de las agencias de publicidad relacionadas, por ejemplo, con la industria cosmética. Busque en Google y verá que

Direcciones futuras

Un área apasionante de la biología de las acuaporinas es la aparición de las llamadas funciones de pluriempleo de estas proteínas de canal. Éstas pueden estar relacionadas con su función de canal, como en el caso de la permeabilidad al gas de AQP1, o no estar relacionadas con la actividad del canal, como en el caso de AQP2, que está implicada en el desarrollo del riñón a través de su interacción con las integrinas y la matriz extracelular . Sin duda, futuros estudios identificarán más propiedades inesperadas de las acuaporinas. Un gran número de acuaporinas se encuentran en especies «inferiores» no mamíferas, como plantas, microbios y hongos. Esto abre la puerta a utilizar esta información para mejorar el crecimiento y la adaptación de las plantas estimulando la función de las AQP, y para combatir las infecciones microbianas y fúngicas inhibiendo las acuaporinas. Estos inhibidores específicos aún no están disponibles, pero cuando se desarrollen, podrían tener también importantes funciones en medicina como acuaréticos (para tratar la hipertensión), y quizás en el cáncer (para bloquear la metástasis). También tenemos mucho que aprender sobre la biología celular del tráfico de acuaporinas. ¿Cómo se mueven en la célula? ¿Cómo interactúan con otras proteínas? ¿Pueden identificarse y aprovecharse vías de señalización alternativas para eludir la señalización defectuosa de V2R en NDI? Este trabajo está en curso y promete revelar secretos celulares que pertenecen no sólo a la biología de las AQP, sino también a otros importantes eventos de tráfico celular que están implicados en una serie de otras enfermedades humanas.

Agradecimientos/Declaración de divulgación

D.B. y sus colegas del Programa de Biología de Membranas del MGH han recibido apoyo continuo para el trabajo sobre las acuaporinas de los Institutos Nacionales de Salud, actualmente con el número de subvención DK096586. D.B. recibió de Danone Research el reembolso de los gastos de viaje y la cuota de inscripción para asistir a la Conferencia Científica H4H.

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