Molecola del Mese
di David S. Goodsell
e di Mauro Tonellato

Acquaporine


Molecola del Mese di Maggio 2014
Parole chiave: canali dell'acqua, osmosi, proteine di membrana

Introduzione
Le membrane cellulari sono costituite da un doppio strato di fosfolipidi e quindi sono una barriera quasi impenetrabile per le molecole polari come l'acqua. Alcune cellule, però, devono consentire il passaggio di acqua attraverso la membrana. Per esempio, la separazione delle molecole di scarto nel rene e la pressione interna dell'occhio richiedono un preciso controllo del flusso di acqua. In questi casi le cellule usano dei particolari canali proteici di membrana, le acquaporine, per controllare il flusso d'acqua dentro e fuori dalla cellula.

Quattro Canali in Uno
Le acquaporine si trovano in organismi molto diversi, dai batteri all'uomo, ma hanno tutte una struttura molto simile. Questo significa che erano presenti nei batteri che popolavano il pianeta Terra miliardi di anni fa e che poi sono rimaste inalterate nel corso dell'evoluzione. Sono formate da quattro catene proteiche identiche, ogni catena possiede un piccolo canale al centro che consente il passaggio delle molecole d'acqua una alla volta, in fila indiana. Il foro più grande che si trova al centro delle quattro catene, invece, è circondato da amminoacidi apolari e quindi non consente il passaggio di acqua. L'acquaporina mostrata qui a destra (codice PDB 1fqy) si tova nei globuli rossi del sangue.
Una recente struttura ad alta risoluzione (codice PDB 3zoj), non mostrata qui, ha rivelato che due amminoacidi carichi, all'ingresso di ogni canale, sono importanti per assicurare che solo l'acqua neutra possa attraversare il canale, ma non lo ione idronio H3O+ o lo ione idrossido OH-.

Controllare la Acquaporine
Dato che le acquaporine sono essenziali per regolare l'osmosi in molti tipi di cellule, gli scienziati stanno cercando un modo per bloccarne l'azione nel tentativo di curare le malattie legate ai disturbi dell'equilibrio idrico come il glaucoma. Le acquaporine sono state scoperte per la prima volta osservando che il mercurio blocca il flusso di acqua dentro e fuori dai globuli rossi, ma sfortunatamente il mercurio è troppo velenoso per essere usato come farmaco. Ora gli scienziati stanno cercando nuovi inibitori che possano essere usati come farmaci per bloccare specifiche acquaporine.


Acquagliceroporine

Nel nostro corpo sintetizziamo una dozzina di acquaporine, con funzioni diverse, in vari tipi di cellule. Alcune acquaporine sono altamente selettive e consentono il passaggio solo di acqua, mentre altre possono lasciar passare anche altre molecole. Quella mostrata qui a destra è una acquagliceroporina batterica (codice PDB 1fx8) che può far passare sia acqua che glicerina. Qui è mostrata una sezione di una delle quattro subunità della proteina che permette di vedere il canale (colonna bianca al centro) che attraversa la membrana (blu). Notate che c'è una strozzatura nella parte superiore del canale, che controlla quali molecole lo possono attraversare.














Esplorando la Struttura
Il canale per l'acqua che attravera le acquaporine potrebbe causare gravi problemi alle cellule. Una fila di molecole di acqua, infatti, può trasferire velocemente protoni da un lato all'altro della membrana con una specie di passamano di protoni da una molecola di acqua alla successiva. Questo sarebbe un disastro per la cellula perchè potrebbe rapidamente dissipare il gradiente elettrochimico che spinge la maggior parte delle pompe ioniche sulla superficie cellulare. L'acquaporina riesce ad evitare questo problema impedendo alle molecole d'acqua nel poro di avere tutte lo stesso orientamento e costringendole ad orientarsi in due modi opposti sui due versanti del poro. Questo è realizzato grazie a due amminoacidi di asparagina (colorati al centro dell'immagine qui sotto) che legano una molecola d'acqua (grossa sfera rossa e bianca) nella parte centrale del canale e la costringono ad orientarsi in un certo modo. Questa molecola d'acqua, insieme con gli altri amminoacidi lungo il canale, interagisce con le altre molecole d'acqua del canale, allineate in fila indiana, e le costringe a rivolgersi in direzioni opposte su due lati del poro. Nelle immagini qui sotto (ottenute dall'acquaporina PDB 1ymg) si possono vedere le molecole d'acqua in fila nel canale e gli amminoacidi che le costringono ad orientarsi in modo opposto: quelle sopra hanno gli idrogeni (bianchi) in alto, quelle sotto hanno gli idrogeni rivolti in basso. (In un altra struttura PDB 3zoj, non mostrata qui, sembra che le molecole d'acqua legate alle due asparagine siano due).

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Nella prima immagine qui sopra si vedono solo le due asparagine che interagiscono con una delle molecole di acqua al centro del canale, nella seconda immagine, che compare quando il cursore del mouse passa sulla figura, si vedono anche gli altri amminoacidi che interagiscono con le molecole d'acqua in fila nel canale e che contribuiscono ad orientarle correttamente. Le molecole di acqua che enrano dall'alto rivolgono il loro ossigeno (rosso) verso il centro del canale fino a quando interagiscono con le due asparagine che le costringono a ruotare e procedono poi verso il basso rivolgendo gli idrogeni bianchi verso l'uscita del canale.

Spunti per Ulteriori Esplorazioni
Negli archivi PDB ci sono le strutture di molte acquaporine diverse, potete usare lo strumento "Compare Structures" (nel sito http://www.rcsb.org/pdb) per esplorare le sequenze comuni.
Molte strutture di acquaporine hanno i canali chiusi da qualche amminoacido che si è spostato per bloccare il canale dell'acqua. Gli scienziati stanno ancora cercando di capire se questo fenomeno è dovuto oppure no ad un meccanismo attivo di chiusura dei canali.

Bibliografia
1fx8: D. Fu, A. Libson, L. J. Miercke, C. Weitzman, P. Nollert, J. Krucinski & R. M. Stroud (2000) Structure of a glycerol-conducting channel and the basis for its selectivity. Science 290, 481-486.
1fqy: K. Murata, K. Mitsuoka, T. Hirai, T. Walz, P. Agre, J. B. Heymann, A. Engel & Y. Fujiyoshi (2000) Structural determinants of water permiation through aquaporin-1. Nature 407, 599-605.
1ymg: W. E. C. Harries, D. Akhavan, L. J. W. Miercke, S. Khademi & R. M. Stroud (2004) The channel architecture of aquaporin O at 2.2 Angstrom resolution. Proceedings of the National Academy of Science USA 101, 14045-14050.
T. Gonen & T. Walz (2006) The structure of aquaporins. Quarterly Reviews of Biophysics 39, 361-396.
A. S. Verkman (2012) Aquaporins in clinical medicine. Annual Review of Medicine 63, 303-316.
3zoj: U. K. Eriksson, G. Fischer, R. Friemann, G. Enkavi, E. Tajkhorshid & R. Neutze (2013) Subangstrom resolution X-ray structure details aquaporin-water interactions. Science 340, 1346-1349.
A. S. Verkman, M. O. Anderson & M. C. Papadopoulos (2014) Aquaporins: important but elusive drug targets. Nature Reviews Drug Discovery 13, 259-277.

Codici PDB Correlati
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