L`acqua è il solvente di tutta la materia vivente è l
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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
