Aquaporinas: canales proteicos de membrana para el agua

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
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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
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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.
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