4.11.2. Транспорт воды

 

Многие эпителиальные ткани поглощают или секретируют жидкости; например, в желудке секретируется желудочный сок, в хороидных (сосудистых) сплетениях – цереброспинальная жидкость, желчный пузырь и кишечник всасывают воду, а почечные канальцы птиц и млекопитающих поглощают воду из клубочкового фильтрата. В некоторых других тканях вода движется через эпителий в отсутствие или против осмотического градиента между растворами по разные стороны эпителия. Для объяснения механизма переноса воды против градиента предложено множество гипотез, но все их можно разбить на две основные категории.

1. Вода транспортируется при помощи какого–то специфического механизма, потребляющего энергию, высвобождаемую в ходе метаболических процессов.

2. Транспорт воды вторичен, т. е. он сопровождает транспорт растворенных веществ.

В последнем случае можно упомянуть обычный осмос, когда происходит суммарная диффузия воды в одном направлении, обусловленная концентрационными градиентами, возникающими в результате транспорта растворенных веществ. Пока никаких убедительных данных об активном транспорте воды с помощью специальных «водных» насосов не существует.

Осмотическая гипотеза транспорта воды получила подтверждение, когда Питер Каррен в 1965г. заметил, что осмотический градиент, образующийся в результате активного транспорта солей из одного субкомпартмента эпителия в другой, может в принципе обусловливать суммарный поток воды через эпителий (рис. 4–47). Биологические системы, согласующиеся с моделью Каррена, были вскоре обнаружены в эпителии желчного пузыря млекопитающих Джередом М. Дайамондом и Джоном Мак–Тормеем (1966). Все это позволило Дайамонду и У. X. Боссерту (1967) сформулировать гипотезу постоянных градиентов, объясняющую перенос воды, сопряженный с транспортом веществ. Упрощенная схема этого процесса приведена на рис. 4–48. Основную роль здесь играют две анатомические особенности эпителия: 1) наличие плотных контактов на люминальной (мукозной) поверхности, исключающих экстраклеточный перенос через эпителий; 2) наличие латерального межклеточного пространства, или щелей, между соседними клетками. На люминальном конце эти щели замыкаются плотными контактами, а на базальном открыты.

 

Рис. 4.47. Модель Каррена транспорта воды, сопряженного с транспортом растворенного вещества. Вещество (а данном случае Na+ ) перекачивается через перегородку А из отсека I в отсек II. Полупроницаемая перегородка Б замедляет диффузию растворенного вещества в отсекIII и, следовательно, поддерживает в отсеке II высокую осмолярность. Это приводит к перемещению воды из отсека I в отсек II. В стационарном состоянии и вода, и растворенные вещества диффундируют в отсек III с той же скоростью, с которой они появляются в отсеке II. Отсек III гораздо больше, чем отсек П. (Сиrrап, 1965.)

 

Рис. 4.48. Биологический аналог модели Каррена для транспорта воды, сопряженного с транспортом растворенного вещества. Отсеки I, II и III соответствуют отсекам на рис. 4.47. Активный транспорт растворенного вещества в межклеточные щели приводит к повышению осмолярности раствора в них, а это в свою очередь – к переносу воды в щели через клетку. В результате раствор проходит через свободно проницаемую базальную мембрану и попадает в отсек III (например, просвет кишечника). Барьеры А и Б аналогичны таковым на рис. 4–47. (Diamond, Tormey, 1966.)

 

 

Сущность гипотезы постоянных градиентов состоит в том, что активный транспорт солей осуществляется как раз через те участки мембраны эпителиальной клетки, которые обращены к межклеточной щели. Показано, что через эти участки наиболее активно выкачивается Na ⁺ . Поскольку соль выводится из клетки в эти длинные узкие щели, то, по–видимому, это приводит к возникновению осмотического градиента между внеклеточными средами по разные стороны плотных контактов, объединяющих эпителиальные клетки. Осмотический градиент может существовать и внутри щели, поскольку концентрация соли максимальна вблизи ее замкнутого конца и уменьшается по направлению к открытому, приближаясь к концентрации во всем объеме (рис. 4–49). Из–за высокой осмолярности раствора в щели вода под действием осмотического давления «закачивается» в щель через «не слишком плотные» контакты или, возможно, из клетки через клеточную мембрану. Вода, выходящая из клетки, должна замещаться водой, поступающей в клетку осмотическим путем через мукозную поверхность. Вода, попавшая в щель, постепенно перемещается вместе с растворенными веществами по направлению к открытому концу. Таким образом, постоянная активная откачка солей через клеточную мембрану приводит к повышению ее концентрации в узких межклеточных щелях, а это в свою очередь порождает постоянный трансэпителиальный осмотический поток воды.

 

Рис. 4.49. Проточная система постоянных градиентов. Пассивный поток воды сопряжен с активным транспортом солей в глубокие узкие полости между соседними клетками или в глубокие базолатеральные щели. Плотность точек на рисунке отражает относительную осмолярность. (Diamond, 1971.)

 

Гипотеза постоянных градиентов, объясняющая сопряженный с переносом веществ транспорт воды, получила подтверждение в опытах по изучению ультраструктуры эпителия. Эти опыты показали, что упомянутые особенности, а именно узкие щели между клетками, заканчивающиеся с люминального конца плотными контактами, характерны для всех изученных эпителиальных тканей, через которые осуществляется перенос воды. Очень важными в этом отношении структурами представляются также глубокие базолатеральные щели и складки (рис. 4–48). При фиксации эпителия в условиях, обеспечивающих транспорт воды, эти щели расширяются; если фиксация осуществляется в отсутствие транспорта, то межклеточные щели, как правило, исчезают.

 

Дополнение   4–1.   Данные,   свидетельствующие   о наличии липидного бислоя в мембранах

1. Содержание липидов в мембранах согласуется с концепцией бислоя, состоящего из ориентированных липидных молекул, что впервые показано Гортером и Гренделом.

2. Проникающая способность неэлектролитов, проходящих через мембрану, соответствует их коэффициенту распределения в системе масло/вода (см. рис. 4–24). Таким образом, чем больше сродство молекулы к липидной фазе по сравнению с водной, тем легче она проходит через мембрану. Отсюда следует, что пересекающие мембрану вещества проходят через липидный «барьер». Более того, некоторые нерастворимые в липидах вещества могут пройти через мембрану только после того, как перейдут в жирорастворимую форму путем присоединения жирорастворимой молекулы.

3. Электрическая емкость биологических мембран, обычно составляющая 10^–6 Ф/см², равна емкости липидного слоя толщиной в две фосфолипидные молекулы, расположенных «конец в конец» (т.е. 6,0–7,5 нм).

4. При фиксации перманганатом мембранный препарат выглядит как трехслойная структура общей толщиной около 7,5 нм; слабо контрастированная центральная область расположена между двумя электроноплотными внешними слоями (см. рис. 4–1). В 1955 г. Дэвид Робертсон (1960) назвал эту трехслойную структуру элементарной мембраной. Согласно концепции элементарной мембраны, бимолекулярный слой липидов располагается между двумя слоями белка.

5. Толщина липидного слоя, определяемая как удвоенная длина одной молекулы мембранного липида, примерно равна толщине внутренней области (~ 7,5 нм) элементарной мембраны, видимой на электронных микрофотографиях.

6. Электронно–микроскопические исследования с применением  метода   замораживания – травления показывают, что плоскость скола проходит обычно посередине мембраны, что согласуется с представлением о разделении бислоя на два монослоя.

7. Проницаемость и электрические свойства реконструированных или искусственных липидных бислоев (дополнение 4–2), толщина и структура которых, по–видимому, близки к таковым у бимолекулярной липидной сердцевины модели Даниелли, в основном аналогичны соответствующим свойствам клеточных мембран. Существующие различия можно объяснить тем, что в природных мембранах имеются специальные ионные каналы и переносчики.

 

Дополнение 4–2. Искусственные бислои

 

Многие .современные представления о механизмах проникновения веществ через мембраны основаны на результатах экспериментов, выполненных на искусственных бислоях, которые по своей структуре аналогичны бислою, лежащему в основе клеточной мембраны. Искусственные бислои – это очень ценный объект для изучения механизмов проницаемости, поскольку их можно сформировать из смеси липидов определенного состава. В смесь можно добавить интересующие исследователя вещества и изучить их влияние на проницаемость. В искусственные бислои встраивали различные каналобразующие вещества – антибиотики–ионофоры (они облегчают диффузию ионов через мембрану) и компоненты мембранных каналов возбудимых тканей. Все это позволило изучить их свойства по отдельности в тщательно контролируемых условиях.

Приведенный рисунок иллюстрирует принцип формирования бислоя. Наиболее стабильная структура состоит из двух слоев липидных молекул, чьи гидрофобные липофильные углеводородные хвоста образуют липидную фазу, ограниченную с двух сторон гидрофильными полярными головками, обращенными в водную среду. Толщину липидной пленки легко определить по результатам интерференции, при отражении света от поверхностей пленки. Чаще всего используют мембраны толщиной 7 нм (наблюдается темная интерференционная полоса). Электрическая проводимость (ионная проницаемость) и емкость мембран определяются их толщиной и липидным составом. Проницаемость таких мембран для ионов гораздо ниже, чем у клеточных, мембран, однако она увеличивается при добавлении ионофоров и может стать сравнимой с проницаемостью природных мембран.

 

 

Липидный бислой, образующийся в отверстии диаметром I мм между двумя отсеками. А. Образование пленки из липидов, находящихся в растворителе, например гексане, которая затягивает отверстие. После образования наиболее стабильной бислойной структуры цвет мембраны в результате интерференции меняется от серого к черному. Б. Отсеки ячейки заполняют исследуемым раствором и определяют проницаемость мембраны для электролитов электрическими методами. (Kotyk, Janacek, 1970.)