EDITORIALES Aquaporinas: canales proteicos de membrana para el agua P. Fernández-Llama y A. Botey Servicio de Nefrología. Hospital Clínic i Provincial. Barcelona. Universidad de Barcelona. aquaporinas/ canales del agua/ membrana celular Las membranas plasmáticas de las células de todos los mamíferos son permeables al agua, pero el grado de permeabilidad varía mucho de unos tejidos a otros. El movimiento de agua a través de la bicapa lipídica de las membranas celulares se produce de forma pasiva como respuesta al gradiente osmótico generado por el transporte activo (primario o secundario) de iones o solutos neutros. Probablemente la mayoría de las membranas celulares tienen una permeabilidad más bien escasa al agua, pero suficiente para permitir la regulación de su volumen y otras funciones propias. Sin embargo, existen algunas membranas, como las de los epitelios secretores o absortivos y las de células endoteliales, que requieren no sólo una elevada permeabilidad al agua, sino también que ésta pueda regularse para facilitar el transporte de fluidos como respuesta a pequeños cambios osmóticos. La observación de que la permeabilidad al agua de algunos tejidos era excesivamente alta para ser explicada sólo por simple difusión a través de la membrana lipídica, fue fundamental para el desarrollo del concepto de un canal específico para el transporte de agua. Hoy día se ha demostrado la existencia de una familia de canales proteicos específicos de agua que facilitan su movimiento transcelular, denominadas aquaporinas (AQP). Las AQP son, por tanto, una familia de proteínas intrínsecas de membrana que funcionan como canales selectivos de agua en la membrana plasmática de las células de distintos tejidos transportadores de la misma1. La primera AQP identificada, CHIP 28 (Channel-forming integral membrane protein of 28 kD), posteriormente denominada AQP-CHIP o simplemente AQP1, fue purificada por Agre et al2 en eritrocitos humanos en la década de los ochenta. La secuencia de su ADN complementario fue descubierta en 19913. Un año más tarde se estableció el papel funcional de la AQP1 como un canal proteico de agua4,5. Hasta el momento actual se han identificado 5 canales proteicos de agua en los tejidos de mamíferos, que se han denominado consecutivamente AQP1 a AQP5. El concepto de poro de agua o canal selectivo para el agua fue descrito en la piel de las ranas por Koefoed-Johnsen y Ussing6 en 1953, para explicar la observación de que la permeabilidad osmótica al agua era mayor que la permeabilidad difusional de la misma. La permeabilidad osmótica refleja la velocidad con que una sustancia atraviesa la membrana a favor de un gradiente de concentración mientras que la permeabilidad difusional mide dicha velocidad en condiciones isosmóticas. Desde entonces se han realizado Correspondencia: Dr. A. Botey. Servicio de Nefrología. Hospital Clínic i Provincial. Villarroel, 170. 08036 Barcelona. Manuscrito aceptado el 13-2-1996 Med Clin (Barc) 1996; 106: 656-658 656 numerosos estudios biofísicos que han apoyado el concepto de que el agua puede atravesar la membrana plasmática mediante un transportador especializado. Tres han sido las características claves que han proporcionado esta evidencia. En primer lugar, la energía de activación necesaria para el transporte de agua transmembrana es baja (2-5 kcal/mol). Este valor bajo sugiere que el agua atraviesa la membrana plasmática en una corriente continua, como ocurre en un canal. En segundo lugar, el flujo de agua es selectivo e inhibible mediante agentes mercuriales. Sin embargo, estos agentes no afectan la permeabilidad osmótica al agua de una doble capa lipídica pura. En tercer lugar, la relación de la permeabilidad osmótica de agua y la permeabilidad difusional es mayor que la unidad2. La estructura general de las AQP fue descubierta por Agre et al2 en la AQP1. Se trata de una cadena polipeptídica sencilla que atraviesa la membrana seis veces, formando 5 asas y quedando los extremos N y C terminales en el interior de la célula. De las 5 asas, tres son extracelulares (denominadas A, C y E) y dos son intracelulares (B y D). Las asas B y E contienen la secuencia Asp-Pro-Ala (NPA), que es característica de las proteínas intrínsecas de membrana (MIP, major intrinsic protein), de las cuales las AQP son miembros. La AQP1 se agrupa en homotetrámeros en la membrana plasmática y cada subunidad monomérica tiene un canal de agua2,7. Se ha identificado una cistina (C-189 en la AQP1), localizada justo delante de la secuencia NPA en el asa E, como el lugar de inhibición de la permeabilidad al agua por los mercuriales en la AQP1. Probablemente éstos disminuyen la permeabilidad al agua mediante un bloqueo del poro al unirse a la C-1898. Hasta el momento se conocen 5 canales proteicos de agua. La estrategia utilizada para su identificación es la práctica de una reacción en cadena de la polimerasa (RCP) o PCR, polimerase chain reaction con unos primers o cebadores que contengan la secuencia característica NPA típica de los miembros de la familia MIP9. Una vez identificada la AQP, su carácter funcional se estudia mediante la expresión en ovocitos de Xenopus, midiendo la permeabilidad al agua de la membrana, que está aumentada en el caso de que se trate de un canal de agua10. La elevada permeabilidad al agua que resulta de la expresión de los canales de agua en distintos tejidos, refleja en gran medida su papel fisiológico. La AQP1 abunda sobre todo en las membranas apical y basolateral de los túbulos proximales renales y en la rama descendente del asa de Henle. Aunque también se ha encontrado, en menor cuantía, en otros tejidos extrarrenales: membrana plasmática de los eritrocitos, distintos epitelios (plexos coroideo del cerebro, ciliar no pigmentado y lentes oculares, hepatobiliar, vesícula biliar y glándulas sudoríparas ecrinas) y en ciertos endotelios (corneal o capilares peribronquiales). Esta distribución renal de la AQP1 podría explicar el papel de los segmentos renales proximales en la P. FERNÁNDEZ-LLAMA Y A. BOTEY.– AQUAPORINAS: CANALES PROTEICOS DE MEMBRANA PARA EL AGUA conservación del agua, donde se reabsorbe cerca del 60% del componente acuoso del filtrado glomerular. Por otra parte, existen otros tejidos que precisan segregar agua para la producción de distintos líquidos biológicos, como el líquido cefalorraquídeo, el humor acuoso, la saliva, el sudor, la bilis, el semen y las secreciones pulmonares. Aunque la mayoría de los estudios fisiológicos se han llevado a cabo en el riñón, parece ser que la existencia de los canales expuestos anteriormente podría explicar estos diversos procesos2. La AQP2 o AQP-CD (AQP-collecting duct) es la AQP de los túbulos colectores. La habilidad de concentrar la orina ha sido un escalón esencial en la adaptación de los animales a la vida terrestre. Únicamente los mamíferos y los pájaros son capaces de producir una orina hipertónica en relación al plasma. Esta capacidad de concentrar la orina reside en la respuesta de los túbulos colectores renales a la vasopresina. La principal característica del transporte de agua en el túbulo colector es el rápido e intenso cambio de permeabilidad inducido por la vasopresina, que es capaz de aumentar 10 veces la permeabilidad al agua de los túbulos colectores en menos de 30 s11. Actualmente existen suficientes evidencias para asegurar que la AQP2 es el canal de agua regulado por la vasopresina. En el túbulo colector existen dos tipos celulares, las células principales responsables de la reabsorción de agua a favor del gradiente osmótico del intersticio renal, y las células intercaladas ligadas al transporte ácido-base. La AQP2 se localiza en la membrana apical y en ciertas vesículas intracelulares, que sirven como reservorio de la AQP2, de las células principales de los túbulos colectores. La unión de la vasopresina a su receptor V2 de la célula principal pone en marcha un mecanismo dependiente del AMP cíclico que tiene como resultado final el aumento de la reabsorción de agua. Se ha postulado que se produce una traslocación y fusión de las vesículas intracelulares que contienen AQP2 con la membrana apical de la célula, conduciendo a un aumento del número de canales de agua funcionales, con lo que aumenta la permeabilidad a la misma. Posteriormente, la reducción de la permeabilidad tras la disminución de las concentraciones de vasopresina se debería a un mecanismo de endocitosis de los canales de agua de la membrana plasmática. Este mecanismo de exo-endocitosis propuesto por Wade et al12 se ha demostrado mediante estudios de inmunolocalización. Ello, unido al descubrimiento de una mutación en el gen de la AQP2 en pacientes con diabetes insípida nefrogénica congénita, han sido los dos hechos fundamentales que han permitido establecer la regulación de la AQP2 por la vasopresina13. Esta AQP es la única AQP que presenta una distribución exclusivamente renal, y cuya función está regulada fisiológicamente. Además, se ha observado que el contenido celular de esta AQP2 aumenta en respuesta a la restricción hídrica en ratas normales o en respuesta a la infusión de vasopresina en las ratas Brattleboro (que carecen de vasopresina endógena circulante). Así mismo, se ha demostrado un aumento en el ARNm de la AQP2 contenida en la médula renal tras la restricción hídrica, mientras que no se observa aumento en el contenido de AQP1 y AQP3. Estos hechos apoyan la idea de que la AQP2 es una proteína regulada y que su respuesta representa un cambio adaptativo de los túbulos colectores para conseguir una mayor eficacia en la conservación del agua14. La AQP3 se expresa selectivamente en la membrana basolateral de las células principales de los túbulos colectores. A diferencia de los otros miembros de esta familia, se ha observado que es la única AQP que posee permeabilidad tanto al agua como a la urea. Se ha postulado que esta AQP pudiera facilitar la salida de urea de las células de los túbu- los colectores, cuyo transporte a través de las mismas en la médula interna renal es crítico para el mecanismo de contracorriente15. Además de su expresión en el riñón, la AQP3 se ha encontrado en el colon, intestino delgado, estómago, pulmón, bazo y vejiga urinaria15. La AQP4 abunda en el cerebro, donde parece que actuaría como un osmorreceptor que regula el balance corporal de agua, mediante la secreción de vasopresina. Además, también mediaría el flujo de agua dentro del SNC16. Finalmente, se ha identificado otra AQP en las glándulas salival, lacrimal y en el pulmón denominada AQP517. Aunque su papel fisiológico está por determinar, se piensa que su expresión pulmonar podría tener un papel en el reemplazamiento de fluidos asociado a las pérdidas insensibles respiratorias y en la reabsorción de agua en el edema alveolar y en el pulmón húmedo del recién nacido18. Desde la descripción inicial de la AQP1, los avances realizados han sido numerosos, no sólo en el conocimiento de las bases biofísicas de la permeabilidad al agua de las membranas celulares y la fisiología del transporte de agua, sino también en el estudio de las bases fisiopatológicas de los trastornos hereditarios o adquiridos del balance de agua del organismo. La diabetes insípida nefrogénica congénita se debe a una mutación en el gen del receptor V2 de la vasopresina situado en el cromosoma X, que da lugar a una herencia recesiva ligada al sexo. Sin embargo, se ha observado que algunos pacientes presentan un patrón de herencia diferente. En estos últimos se ha podido demostrar una mutación en el gen aquoporina 2, localizado en el cromosoma 12q1314, que codifica el canal de agua proteico AQP2. El resultado es una AQP2 no funcionante, lo que explicaría la insensibilidad de la célula de los túbulos colectores a la vasopresina y la poliuria de estos pacientes13. Por otra parte, se ha sugerido que la diabetes insípida nefrogénica adquirida, una entidad más frecuente que la anterior, podría deberse a un trastorno en la expresión de la AQP2. Así, en ratas tratadas con litio, que desarrollan una diabetes insípida, se ha demostrado una disminución en la expresión de la AQP219. Recientemente, se ha objetivado que la AQP2 se puede detectar en la orina y que la excreción urinaria de AQP2 refleja su regulación fisiológica. Así, sujetos sometidos a deshidratación o a la infusión de un análogo de la vasopresina (DDAVP) tienen unas concentraciones elevadas de AQP2 en la orina20. Sin embargo, pacientes con diabetes insípida central presentan en situación de restricción hídrica unas concentraciones muy bajas de AQP2 en orina, que aumentan tras la administración de DDAVP20. La determinación de la AQP2 en la orina tendría especial interés en el caso de la diabetes insípida nefrogénica adquirida, cuyas concentraciones de AQP2 deberían estar disminuidas. Así mismo, se ha observado recientemente un aumento de la expresión de ARNm de la AQP2 en ratas con cirrosis hepática y se ha especulado que este hecho podría tener un papel importante en la retención de agua que se observa en esta enfermedad21. Este descubrimiento abre nuevas puertas para el conocimiento de las bases fisiopatológicas, no sólo de la cirrosis, sino también de otros procesos caracterizados por la hiponatremia, como el síndrome nefrótico y la insuficiencia cardíaca congestiva. Menos conocido es el papel de la AQP1 en la patología humana. La amplia distribución de la AQP1 ocular podría ser fundamental para entender ciertos procesos oculares caracterizados por un exceso o un defecto en el movimiento de fluido ocular como el glaucoma y las cataratas. No obstante, a pesar de la importancia funcional de los canales de agua que se deduce de las anteriores observaciones, ha resultado sorprendente el hallazgo de individuos homozigotos para 657 MEDICINA CLÍNICA. VOL. 106. NÚM. 17. 1996 una mutación en el gen de la aquaporina 1 con ausencia de esta proteína y en los que curiosamente no se observa repercusión clínica significativa. Hasta el momento no existe una explicación clara para este proceso y se postula que deben existir mecanismos capaces de compensar la ausencia de AQP122. Quizás, el aspecto clínico más relevante de las AQP sea el potencial beneficio que se puede conseguir en la modulación (agonista y antagonista) de los canales de agua. Así, la inhibición farmacológica de la AQP2 podría ser en un futuro próximo de gran ayuda en pacientes que no respondan a los diuréticos convencionales y especialmente en aquellos con hiponatremia. También podrían desempeñar un papel en el tratamiento de determinadas enfermedades como la hidrocefalia y las cataratas entre otras. En definitiva, el descubrimiento de la existencia de canales específicos para el agua ha sido fundamental para el conocimiento del transporte de la misma y su regulación en los tejidos, pero se trata de un campo abierto a la investigación donde todavía quedan numerosas cuestiones por resolver. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Agre P, Sasaki S, Chrispeels MJ. Aquaporins: a family of water channels proteins. Am J Physiol 1993; 265: F461. 2. Agre P, Preston GM, Smith BL, Jung JS, Raina S, Moon C et al. Aquaporin CHIP: the archetypal molecular water channel. Am J Physiol 1993; 265: F463-F476. 3. Preston GM, Agre P. Isolation of the cDNA for erythrocyte integral membrane protein of 28 KD: member of an ancient channel family. Proc Natl Acad Sci 1991; 88: 11.110-11.114. 4. Preston GM, Carrol TP, Guggino WB, Agre P. Appearance of water channels in Xenopus oocytes expressing red cell CHIP 28 protein. Science 1992; 256: 385-387. 5. Zeidel ML, Ambudkar SV, Smith BL, Agre P. 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