L’acqua è il solvente di tutta la materia vivente è l’elemento base della vita sulla terra.
• Standard per le funzioni fisiologiche: uomo di 70 kg
• Giovani maschi caucasici dal peso medio di 70 kg
• L’acqua rappresenta il 60% del peso corporeo: 42 L
Distribuzione dell’acqua nei diversi compartimenti dell’organismo
umano
Bilancio idrico corporeo
La quantità di acqua assunta deve corrispondere alla quantità di acqua escreta.
L’organismo è in equilibrio osmotico
Bilancio idrico corporeo
La quantità di acqua assunta deve corrispondere alla quantità di acqua escreta
L’organismo è in equilibrio osmotico
Il Trasporto di acqua
E’ importante che i tessuti principalmente coinvolti nel trasporto di
acqua e le membrane cellulari, in particolare, siano in grado di
fronteggiare rapidamente le richieste idriche.
Quali i meccanismi molecolari di trasporto e le forze in gioco?
IL CONCETTO DI PROTEINE CHE TRASPORTANO SELETTIVAMENTE
ACQUA ATTRAVERSO LE MEMBRANE BIOLOGICHE NON E’ NUOVO
W. Pfeffer, 1877
“…In animal membrane and similar membranes, capillary pores as well as narrower spaces
doubtless exist. The latter probably do not allow certain salts to diosmose. Such an
arrangement could in itself explain all the observed phenomena of diosmosis and swelling,
but these phenomena are also consistent with simultaneous passage of water, or of salt
molecules, through membrane particles. I must leave open the question whether the latter
process is involved (as seems probable)….”
van’t Hoff, 1901
Termodinamica chimica e
pressione osmotica
Premio Nobel Chimica
van’t Hoff, 1901
90 anni di tentativi per
identificare i canali
dell’acqua
The aquaporin-1
- CHIP28( CHannel forming Integral Protein)
- 28 kDa subunit in a homotetramer
- Selectivity: water
- 200.000 x red cell
- Inhibitors: mercurials
Peter Agre, premio Nobel per la chimica 2003
IL NUMERO DI MOLECOLE DI ACQUA CHE POSSONO PASSARE
ATTRAVERSO LE AQP E’ STRAORDINARIO
acqua
acqua
Membrana
cellulare
Via
lipidica
Via lipidica
• Diffusione semplice
• Ea > 12 kcal/mole
Via delle
acquaporine
Via delle acquaporine
• Diffusione facilitata
• bidirezionale
• Ea < 6 kcal/mole
• 1.2 x 1010 molecule di H2O al secondo
per singola subunità (AQP4)!!
• Non trasportano solo acqua
Struttura tetramerica
THE HOURGLASS MODEL
AQP1
From Agre et al., J. Biol. Chem. 1998
LO STORICO ESPERIMENTO DI PETER AGRE CHE CONDUCE ALLA SCOPERTA
DEI CANALI DELL’ACQUA, LE ACQUAPORINE (AQP)
Soluzione esterna = 70 mosM
Interno oocita= 300 mosM
Oocita controllo (assenza di AQP)
Oocita esprimente AQP1
Peter Agre
tt ==30
zero
s s
60-90
LE ACQUAPORINE SONO MOLTO DIFFUSE IN NATURA
Regno Animale
• In tutti gli organismi
• almeno 13 AQP isoforme nei mammiferi (AQP0-12)
Regno Vegetale
• In tutti gli organismi
• A. thaliana possiede 42 geni AQP!
Eucarioti Unicellulari
• In tutti gli organismi (?)
• 3 geni AQP nel lievito
• protozoi
Archaea
• In poche specie
Eubacteria
• In circa un terzo delle specie (la maggior parte sono batteri Gram-negativi)
• alcune specie hanno 3 AQP!
Caratteristiche delle ACQUAPORINE presenti nell’uomo
Perché le AQP sono conservate in natura dove sono spesso ridondanti?
DISTRIBUZIONE DELLE AQP NELL’ORGANISMO UMANO
Alcuni esempi
Acquaporine Renali
13 Aquaporine clonate (AQP0 AQP12), AQPs renali:
– AQP1 and AQP7: tubulo
prossimale, branca discendente
sottile dell’Ansa di Henle,vasa
recta discendente – AQP2: membrana apicale delle
cellule principali del dotto
collettore
– AQP3: membrana basolaterale
dei dotti collettori – AQP4:membrana basolaterale
della porzione interna del dotto
collettore – AQP5: membrana apicale delle
cellule intercalate del dotto
collettore
– AQP6: intracellular vesicles
associated with H+-ATPase
Nielsen et al., Physiol Rev 82: 205-244, 2002
AQP1
Tubulo prossimale
AQP2 : Pathway of AVP signaling in principal cells regulating water excretion N. Engl. J. Med. 2005
Il Diabete Insipido Nefrogenico
Malattia ereditaria caratterizzata dalla incapacità del rene di concentrare le urine. Causa recettore o post recettore
Normal Person
Patient with Nephrogenic DI
Water restricted
Water Restricted
Cortex
High
AVP
H20
H20
H20
H20
High
AVP
H20
Urine Flow Low
Uosm 1000
H20
Medulla
Urine Flow High
Uosm 250
Diabete Insipido Nefrogenico (NDI) congenito
– – – – Poliuria : 15-20 litri al giorno
Bassa pressione osmotica delle urine
Difficoltà di crescita
Ritardo mentale
• Forma X-linked , 90% dei casi
– Mutazioni ner recettore V2 della vasopressina
• Forma autosomica recessiva, 10% dei casi
– 8% of families: mutation in AQP2
– 2% of families: mutation unknown
L’OCCHIO CONTIENE UN “EMPORIO” DI ACQUAPORINE. MUTAZIONI A CARICO DEL
GENE AQP0 PORTANO A PRESBIOPIA E CATARATTA
King et al (2000). Molecular Medicine Today 6, 60-65.
Shiels and Bassnett (1996)
Nature Genetics 12, 212-215.
MUTAZIONI A CARICO DEL GENE DELL’ACQUAPORINA-7 PORTANO
A FORME DI OBESITA’
= acquaporina-7
GLIC
Acidi grassi
X
GLIC-3P
GLIC
TG
TG
Adipocita di topo normale
Hibuse et al, 2005 PNAS; Hara-Chikuma et al, 2005 JBC
Acidi grassi
Adipocita di topo obeso
AQP4 in neuromuscular system and
in cell migration
AQP4 Expression in Brain
Papadopoulos et al., 2004
M.Svelto, Pisa 2008
Cell migration plays a central role in many Physiological and pathological processes
Embryogenesis
Immune defense
Wound healing
Angiogenesis
Formation of tumor metastases
Water channels and motility
