Le acquaporine: una scoperta da Premio Nobel

Come fa l’acqua ad attraversa il doppio strato fosfolipidico delle membrane cellulari? In questo articolo risponderemo a questa domanda illustrandovi la scoperta delle acquaporine, il loro ruolo e il contributo fondamentale dello scienziato Peter Agre nella loro individuazione.

Peter Agre: vita privata

Peter Agre nasce a Northfiel il 30 gennaio 1949 ed è il secondogenito di sei figli.

Il percorso del padre esercitò una grande influenza sul percorso di Peter; nella sua biografia, lo ricorda menzionando le esperienze giovanili condivise con il padre, la sua amicizia con L. Pauling ed il pensiero precoce sul Premio Nobel: 

“Durante le estati ci accoglieva nel suo laboratorio a St. Olaf dove organizzava per noi semplici “esperimenti” come cambiare il colore delle soluzioni contenenti colorante indicatore aggiungendo acido o base. Da giovane, era ovvio per me che avrei seguito il percorso professionale di mio padre, poiché era il mio più grande eroe.”
“In retrospettiva, un’altra esperienza notevole è stata la visita di diversi giorni a casa nostra da parte dell’amico di papà Linus Pauling che ha tenuto conferenze sulla chimica fisica (argomento del suo Premio Nobel per la Chimica nel 1954) e sui pericoli delle armi nucleari (argomento del suo Premio Nobel per la Pace nel 1962). Di persona, Pauling era gioviale, fiducioso e più simpatico di chiunque avessimo mai incontrato. Papà è sempre stato entusiasta del fatto che i risultati di Pauling fossero i più grandi e ha instillato in noi la sua visione secondo cui il Premio Nobel è la cosa più vicina al Santo Graal.”

Peter Agre: studi e riconoscimenti

Peter Agre studiò biologia nel Augsburg College di Minneapolis, ottenendo un master nel 1974 nell’Università di Baltimora, dove fu professore nel 1981.

Durante i suoi anni di laboratorio incontra Mary Macgill, una giovane donna che lavorava in un laboratorio di neurovirologia di Hopkins. Si sposarono il ​​29 marzo 1975.

Nel 2003 fu premiato insieme a Roderick MacKinnon con il premio Nobel per la Chimica per le sue scoperte riguardanti i canali idrici nelle membrane cellulari.

Oltre al Premio Nobel, i riconoscimenti di Agre includono l’elezione alla National Academy of Sciences (2000) e all’American Academy of Arts and Science (2003). Ha anche diretto varie organizzazioni, in particolare l’American Association for the Advancement of Sciences (2009-2010).

Gli studi sulle acquaporine

È fondamentale a questo punto, riflettere sulla domanda che, probabilmente, Peter Agre si pose numerose volte: l’acqua come attraversa la membrana plasmatica?

L’acqua è un solvente polare e sicuramente più grande degli ioni monovalenti.

Diffonde molto rapidamente attraverso la membrana plasmatica della maggior parte delle cellule e tale processo è agevolato da una famiglia di proteine di membrana dette acquaporine. Queste formano canali attraverso i quali può diffondere l’acqua.

È proprio grazie a Peter Agre, se oggi possiamo disporre di questa fondamentale informazione.

Negli anni ’80 Agre iniziò a condurre la sua ricerca pionieristica sui canali dell’acqua nelle membrane cellulari.

Menzionate per la prima volta dagli scienziati a metà del 1800, queste aperture specializzate consentono all’acqua di fluire dentro e fuori dalle cellule. Sono essenziali per gli organismi viventi e gli scienziati hanno cercato di trovare i canali, determinarne la struttura, e capire come funzionavano.

Il tipo e il numero di tali canali varia nelle diverse membrane. Di conseguenza, alcune cellule saranno più permeabili all’acqua rispetto ad altre. Inoltre, in alcune cellule il numero di acquaporine e quindi la permeabilità della membrana all’acqua, può essere alterato in risposta a vari segnali; ciò è particolarmente importante nelle cellule epiteliali di specifici tratti del tubulo renale.

La proteina da 28 kDa

Nel 1988 Agre, compiendo studi sui globuli rossi, scoprì per caso un polipeptide da 28 kDa, che risultò essere molto abbondante sia nei globuli rossi sia nei tubuli renali prossimali. La proteina, denominata all’epoca “Chip28” (Channel forming Integral protein of 28 kDa), si presentava come un tetramero con funzione di porocanale. Esperimenti successivi dimostrarono che le cellule contenenti la proteina si gonfiavano man mano che l’acqua scorreva all’interno, mentre quelle prive della proteina rimanevano della stessa dimensione.

Agre chiamò la proteina Acquaporina 1.

La struttura delle acquaporine

Le acquaporine sono una famiglia di proteine che comprende almeno 200 membri diffusamente distribuite nel regno animale e vegetale.

Le molecole delle acquaporine presentano 6 α– eliche transmembranarie, collegate da anse intracellulari ed extracellulari. Le loro catene polipeptidiche sono formate da due metà molto simili. Si pensa che le anse b ed e affondino nello spessore della membrana con andamento antiparallelo e che la loro giustapposizione formi un stretto poro del diametro di 3.8 Å, estremamente selettivo per la molecola idrica. Le molecole d’acqua passano una alla volta.

Sebbene ogni molecola acquaporinica possa costituire un canale, si ritiene che nelle membrane cellulari quattro molecole uguali siano solitamente associate a formare un complesso tetramerico.

Studio delle acquaporine nella fisiologia del rene

Lo studio delle acquaporine ha un interesse applicativo relativamente alla fisiologia del rene, poiché è l’organo che si occupa di regolare l’osmolarità dei liquidi del nostro corpo.

Nei vari tratti dei tubuli renali, infatti, le cellule epiteliali esprimono quattro isoforme di acquaporine. AQP1 è responsabile del riassorbimento idrico obbligatorio che avviene nel tubulo contorto prossimale, mentre AQP2, AQP3 e AQP4 concorrono al riassorbimento idrico facoltativo che avviene nella parte distale del tubulo renale.

Fonti:

• Fisiologia umana. Un approccio integrato. Silverthorn. Pearson Italia. Settima edizione
• Peter Agre | Nobel Prize, Physiology/Medicine, Aquaporins | Britannica
• Peter Agre – Wikipedia