Este é o último post da série sobre as aquaporinas, um dos mais “geniais” sistemas de transporte molecular já descoberto, que contou com os posts O Poder dos Prótons e Uma Passagem para Água.

Do ponto de vista biológico, portanto, faz sentido as aquaporinas não permitirem a entrada de espécies protonizadas. Mas, do ponto de vista bioquímico isso não é tão simples. A pergunta “Como?” é a que deve ser cientificamente respondida, mas apenas recentemente  estudos com simulações elucidaram os mecanismos de bloqueio dos prótons.

São três os dispositivos capazes de efetuar o bloqueio dos prótons pelas aquaporinas[1,2]. A pergunta sobre qual seria o mais importante, ainda se constitui objeto de discussão acadêmica. A figura abaixo mostra o canal de uma subunidade da AQP1 onde quatro moléculas de água (de cor mais forte, no centro) demonstram as interações com os resíduos aminoácidos da estrutura do canal. Os mecanismos são:

(a) Estreitamento. Por restrição de tamanho, pouco acima do ponto médio do canal, o poro se estreita de 8 Å para 2,8 Å (aproximadamente o diâmetro de uma molécula de água). Isso provoca a desidratação do H₃O⁺, o que obrigaria a molécula a desfazer-se de sua carga.

Figura 1. Mecanismos de bloqueio de prótons pelas aquaporinas. (modificado de [1])

(b) Repulsão eletrostática. Um resíduo de arginina (R-195, na figura) na região de maior estreitamento do poro impõe uma barreira aos cátions, incluindo o H₃O⁺. No foco da controvérsia, alguns estudos mostram que talvez esse mecanismo seja o mais importante no bloqueio dos prótons pois ele está presente virtualmente em toda família das AQP. A retirada deste resíduo reduz drasticamente a especificidade aos prótons.

(c) Reorientação do dipolo. Duas hélices parciais formadas por resíduos Asn-Pro-Ala (chamados NPA motifs) se encontram no meio do canal, formando um campo magnético bipolar que alinha a molécula de água através da formação de duas pontes de hidrogênio. Isso orienta perpendicularmente a água, fazendo com que as pontes O-H apontem para fora do canal, impedindo a condutância dos prótons pelo efeito Grotthuss. Mais elegante, esse mecanismo foi o proposto inicialmente [3,4].  A figura 2 mostra como o campo magnético bipolar exige que a molécula de água tenha uma orientação específica para entrar no canal a um baixo custo de energia.

Figura 2. Modelagem da organização preferencial da cadeia de moléculas de água da aquagliceroporina (GlpF) de E. Coli. (Acima) Três conformações representativas da cadeia de água. (A) Com as pontes de H orientadas para o extracelular. (B) Conformação preferível. Note que entre a molécula 6 e a 7, o alinhamento entre H e O (branco e vermelho, respectivamente) é quebrado. (C) Com as pontes de H orientadas para o intracelular. (Abaixo) Gráfico ilustrando a energia necessária para a reorientação das moléculas de água (nas abscissas) e a orientação das pontes de H (ordenadas) por duas metodologias diferentes (linhas vermelha e verde). As letras A, B e C correspondem às conformações acima, sendo a B a de menor trabalho termodinâmico . (A partir da referência [3])

Os dispositivos de bloquear prótons presentes nas aquaporinas, seja pelo posicionamento estratégico de cargas ao longo de um canal, seja pelo “desengajamento” da corrente de moléculas de água que quebra o “teletransporte” dos prótons, são exemplos interessantes da “luta” na qual os seres vivos se envolveram para chegarmos onde estamos. Tal luta não se dá apenas no nível macroscópico da concorrência entre as espécies e a seleção natural. Ela ocorre também no nível subcelular – das moléculas -, e mostra a dificuldade de resistir e manter-se estável na agressividade do ambiente natural, o que pode bem ser entendido como “viver”. Parece, então, ter sido evolutivamente vantajoso para célula manter os sistemas de transporte de água e prótons separados de modo a poder controlar o volume e a concentração dos solutos do citoplasma, por um lado, e o metabolismo energético, por outro, de forma independente[4]. A família das AQPs é filogeneticamente antiga, estando presente nos procariotas, o que indica a urgência desse controle já nos primórdios da vida na Terra. De fato, domar precocemente as vicissitudes da água parece mesmo ter sido imprescindível para que os seres vivos prosseguissem dependendo dela.

Referências Bibliográficas

[1] Kozono D, Yasui M, King LS, et al.: Aquaporin water channels: atomic structure molecular dynamics meet clinical medicine. J Clin Invest 109:1395-1399, 2002.

[2] Chen H, Wu Y, Voth GA: Origins of proton transport behavior from selectivity domain mutations of the aquaporin-1 channel. Biophys J 90:L73-75, 2006.

[3] Chakrabarti N, Tajkhorshid E, Roux B, et al.: Molecular basis of proton blockage in aquaporins. Structure 12:65-74, 2004.

[4] Eisenberg B: Why can’t protons move through water channels? Biophys J 85:3427-3428, 2003.