Multe dintre enigmele vietii au fost rezolvate o data cu evolutia conceptiilor si modului de abordare a acestora, simultan cu aparitia unor noi mijloace, mult mai eficiente, de investigare a mecanismelor celulare si chiar subcelulare. Este ciudat cât de putine lucruri stiam, pâna de curând, despre felul în care apa este utilizata la nivel celular.

O problema veche, si extrem de controversata, a stiintei a fost, pâna de curând, mecanismul trecerii apei prin membrana celulara. Multa vreme s-a crezut ca apa circula libera prin membrana celulelor, atât dinspre mediul extracelular înspre cel intracelular, cât si invers. Apa, lichidul nostru cel de toate zilele, pe care nu stim sa-l pretuim suficient, este cel mai important transportor din organism. Astfel, apa transporta, din mediul extern în celula, substante nutritive cu care se încarca, asigura umiditatea unor zone ale organismului, de exemplu, alveolele pulmonare, indispensabile respiratiei etc. De asemenea, apa transporta produsele rezultate în urma metabolismului celulei catre exterior, mentinând “curatenia” celulei, oferindu-i astfel posibilitatea sa îsi continue viata si activitatea. Si acestea sunt doar câteva exemple din multimea de roluri extrem de benefice pe care apa le are in organismul nostru.

Data fiind importanta deosebita, pentru viata, a acestui lichid, oamenii de stiinta s-au aratat foarte interesati de calatoria apei in organism. Posibilitatea ca apa sa circule libera prin membrana celulara, adica sa strabata o structura, aparent impermeabila, formata din doua straturi lipidice si unul proteic, ce separa cele doua medii (intracelular si extracelular) este prezenta la marea majoritate a celulelor, mai putin la celulele din rinichi, specializate în reabsorbtia apei.

Rinichiul este un organ deosebit de complex, cu multiple functii. Principala sa functie este aceea de a filtra sângele în celule, numite nefroni, si de a elimina reziduurile sub forma de urina. Un om elimina zilnic aproximativ 1,5 – 2 litri de urina zilnic. Se ajunge la acest volum de urina (numita urina finala) dupa ce s-a resorbit apa din urina primara (180 litri). Aici a aparut practic si problema mentinerii în picioare a teoriei transferului liber, din cauza posibilitatii degradarii membranelor celulare scufundate continuu în lichid. A aparut astfel ideea existentei unor canale prin care apa este transportata si reabsorbita din rinichi înapoi în organism, idee extrapolata ulterior, datorita aprofundarii cercetarilor, la toate celulele din organismului uman.

Aquaporinele
Discutate multa vreme, canalele pentru transportul apei au fost efectiv descoperite în anul 1986 de catre profesor doctor Gheorghe Benga, seful Catedrei de Biologie Celulara si moleculara din cadrul Universitatii de Medicina si Farmacie “Iuliu Hatieganu” din Cluj-Napoca. Pentru aceasta descoperire extrem de importanta, în anul 2003, profesorul american Peter Agre a fost recompensat cu Premiul Nobel pentru Chimie.

Descoperirea a fost facuta din întâmplare în membrana celulei rosii umane. Prin electroforeza s-a dovedit ca aceste canale pentru apa sunt, de fapt, proteine-canal, denumite ulterior aquaporine. Cercetarile în acest domeniu nu s-au oprit aici, un nou câmp s-a deschis, care avea sa dea o multime de raspunsuri în fiziologia si patologia umana. Prin cercetari succesive s-a evidentiat faptul ca exista o familie a acestor proteine-canal pentru apa (aquaporine, AQP) care numara 11 membrii, numerotati de la AQP0 la AQP10, aquaporina 1 fiind prima descoperita, în membrana celulei rosii umane. S-a demonstrat faptul ca aceasta familie a aquaporinelor cuprinde doua tipuri de proteine-canal: aquaporinele propriu-zise, care transporta apa, si aquaglicoproteinele, având rolul, la rândul lor, de a transporta pe lânga apa si glucoza. Aquaporinele sunt localizate în membranele tuturor celulelor din corpul uman, având un rol deosebit de important în cresterea, dezvoltarea si mentinerea sanatatii organismului.

Curiozitatea oamenilor de stiinta nu s-a oprit aici, ci au cautat sa patrunda tainele functionarii acestor proteine-canal pentru apa. Primul pas a fost stabilirea structurii chimice a acestora. S-a stabilit ca aquaporina este o proteina formata din patru unitati de a-aminoacizi, cu o structura extrem de complexa. Forma acesteia este perfect adaptata transportului de apa, având o forma de clepsidra care strabate toata membrana celulara. Partile largi ale acestei clepsidre proteice sunt variabile în functie de tipul de celula în care se afla, dar partea îngustata este constanta pentru toate celulele si are un diametru identic cu cel al unei molecule de apa! Iata o mostra de perfecta adaptabilitate a acestei uimitoare masinarii care este organismul uman!

Exista o serie de mecanisme biochimice consumatoare de energie care “pun ordine” în ceea ce trece prin aquaporine. Acest amanunt este deosebit de important, pentru ca, daca ar putea trece si alte molecule de substanta în afara de apa, cu diametru mai mic decât aceasta, ar putea provoca dezechilibre intracelulare, uneori fatale chiar pentru întregul organism. De exemplu, ar putea trece atomi de hidrogen liberi (H+), ioni hidroniu (apa plus un proton, atom de hidrogen, H3O+) sau halogeni (clor, brom, iod), cu efecte dezastruoase pentru celula si extrem de grave pentru tesuturi si organism. Dar sistemul existent în aceste proteine-canal lasa sa treaca numai apa si blocheaza trecerea altor compusi chimici.

Molecula de apa, odata ajunsa la partea superioara a clepsidrei AQP, e preluata de un complex care functioneaza asemenea unui lift si e împinsa înspre partea îngustata a canalului în asa fel încât oxigenul se afla la partea inferioara, iar cei doi atomi de hidrogen din compozitia apei la partea superioara. Odata ajunsa aici, molecula de apa se “ciocneste” de peretii AQP (asa cum spuneam mai sus, diametrul acestei portiuni este exact diametrul unei molecule de apa), care sunt hidrofobi, adica nu se impregneaza cu apa si se rasuceste, ajungând la partea inferioara a clepsidrei cu atomul de oxigen orientat în spate fata de citoplasma celulara. Primii care vor interactiona cu formatiunile celulare propriu-zise sunt cei doi atomi de hidrogen. Trebuie specificat faptul ca moleculele de apa circula cu viteza mare prin AQP. Acest fenomen se datoreaza atât faptului ca molecula de apa interactioneaza slab cu peretii proteinei–canal, cât si datorita complexului transportor, care imprima acceleratia necesara intrarii moleculei de apa în partea îngustata a clepsidrei AQP.

Aceasta forma de clepsidra a AQP are multiple avantaje pentru transportul de apa. Astfel, moleculele de apa pot circula în ambele directii cu viteza, atât din exterior spre celula, cît si dinspre celula spre exterior. Acest fenomen de transport si curgere a apei este întâlnit pretutindeni în lumea vie. Canalul de apa este astfel conceput încât sa faciliteze inclusiv oxigenarea celulelor si tesuturilor. Apa este de asa natura alcatuita încât cei doi atomi de hidrogen din compozitia sa sa asigure fluiditatea acesteia, pe când oxigenul e cel care trebuie sa ajunga la tinta si sa contribuie la reactiile biochimice si metabolice si sa asigure perpetuarea vietii celulelor, tesuturilor si deci, a întreg organismului.

Vom continua, si în numerele viitoare, sa va povestim despre calatoria apei în tesuturi.

Privind retrospectiv, punând întrebarea curuciala: “când a fost descoperita prima proteina canal pentru apa, aquaporina 1?”, un raspuns foarte clar si corect ar fi: prima proteina canal pentru apa a fost identificata sau “vazuta” in situ în membrana CRS umane de catre Benga si colaboratorii sai în 1986. A fost iarasi “vazuta” când a fost purificata din întâmplare de catre Agree si colaboratorii, în 1988, si a fost iarasi identificata când functia ei principala, proprietatea de a transporta apa, a fost gasita de catre Agree si colaboratorii, în 1992.

Extrase din petitia adresata Comitetului Nobel, Academiei Regale de Stiinta a Suediei, comunitatii stiintifice, academice si mass-media din întreaga lume si autoritatilor române.