6. Механизмы активного и пассивного транспорта в проксимальных отделах. Отличия в механизмах первой и второй стадии проксимальной реабсорбции.

Строение эпителиального слоя

Канальцевый эпителий, представляющий собой типичный эпителиальный слой. Особенности строения таких слоев следующие:

1. Эпителиальные клетки образуют однослойный ряд, соприкасаясь друг с другом в области просвета канальца с помощью плотных контактов.

2. Поверхность эпителиальной клетки, обращенная в просвет, называется апикальной; поверхность, обращенная к интерстицию, — базолатеральной.

3. Со стороны базолатеральной поверхности между соседними клетками, а также между клетками и капиллярами имеются значительные межклеточные пространства.

Этапы трансэпителиального переноса

Из рисунка видно, что перенос веществ между просветом канальца и кровью перитубулярных (околоканальцевых) капилляров включает два этапа: перенос между просветом канальца и интерстицием, перенос между интерстицием и кровью.

Первый этап — это молекулярный транспорт, при котором с помощью каналов и переносчиков избирательно переносятся молекулы отдельных веществ. Именно он определяет избирательность и направленность канальцевого транспорта.

Второй этап — это, как и клубочковая фильтрация, конвекционный транспорт.

Виды молекулярного транспорта

Вещества могут переноситься между просветом канальцев и интерстицием как через клетки (чресклеточный путь), так и через плотные контакты (межклеточный путь). Эти контакты непроницаемы для макромолекул, но пропускают воду и электролиты.

Механизмы переноса делятся на две основные группы — активный и пассивный транспорт:

1. Активный транспорт идет против концентрационного градиента, а для заряженных частиц (в частности, ионов) — еще и электрического градиента и поэтому требует затрат энергии;

2. Пассивный транспорт идет в направлении концентрационного (и электрического) градиента и потому не требует затрат энергии; более того, идет с выделением энергии, которую можно использовать, например для активного транспорта других веществ (см. ниже).

Активный транспорт в зависимости от источника энергии подразделяется на:

1. Первичный активный транспорт: источником энергии служит распад АТФ; осуществляется белками-переносчиками с АТФазной активностью, называемыми также ионными насосами;

2. Вторичный активный транспорт: источником энергии для переноса некоего вещества против концентрационного или электрохимического градиента служит перенос другого иона (чаще всего — Nа+) в направлении его электрохимического градиента; последний создается первичным активным транспортом. Пример: Na+, К+-АТФаза создает высокий электрохимический градиент для Nа+; этот ион переносится в клетку в направлении данного градиента, и вместе с ним переносится глюкоза против ее концентрационного градиента.

В зависимости от направления переноса вторичный активный транспорт делится на:

1. Котранспорт: оба вещества переносятся в одном направлении;

2. Контртранспорт: вещества переносятся в противоположных направлениях. Белки-переносчики, осуществляющие контртранспорт, называются также обменниками.

Пассивный транспорт подразделяется на:

1. Простую диффузию, которая может идти через: липидный бислой клеточной мембраны — для гидрофобных (жирорастворимых) веществ; каналы — для мелких гидрофильных молекул; межклеточные контакты;

2. Осмос - диффузию воды по градиенту ее «концентрации» — из раствора с меньшей концентрацией растворенных веществ в раствор с большей концентрацией;

3. Облегченную, или опосредованную, диффузию. Вещество связывается с белком-переносчиком и с его помощью перемещается через мембрану в направлении концентрационного градиента. С помощью этого механизма переносятся крупные гидрофильные (то есть не способные пройти ни через каналы, ни через липидный бислой) молекулы.

Кроме молекулярного транспорта в канальцах осуществляется пиноцитоз, посредством которого реабсорбируются особенно крупные молекулы (белки); однако поскольку белки фильтруются в незначительном количестве, интенсивность пиноцитоза невелика.

Общая схема трансэпителиального переноса

Перенос между просветом канальца и интерстицием

Поскольку составы клубочкового фильтрата и плазмы одинаковы (за исключением белков), а состав интерстиция, как и любой другой межклеточной жидкости, также примерно соответствует составу безбелковой плазмы, между всеми этими жидкостями изначально не существует концентрационных или электрохимических градиентов, по которым могли бы переноситься вещества. Следовательно, перенос любых веществ между канальцевой жидкостью и интерстицием требует затрат энергии. Основным источником этой энергии служит электрохимический градиент для Nа+, создаваемый Nа+,К+ -АТФазой базолатеральной мембраны и направленный от просвета канальца к внутриклеточной жидкости эпителиальных клеток. Переход Nа+ по этому градиенту обеспечивает энергию для транспорта всех остальных веществ двумя способами:

1. Вещества могут переноситься вместе с по механизму вторичного активного транспорта;

2. Поток Na+ прямо или косвенно создает концентрационные, электрические и осмотические градиенты для пассивного переноса других веществ.

Таким образом, основные механизмы трансэпителиального переноса являются натрийзависимыми. Приведем несколько примеров натрийзависимого переноса.

1. Вместе с Nа+ через апикальную мембрану могут переноситься другие вещества против их концентрационных градиентов: в клетку по механизму вторичного активного котранспорта (например, при реабсорбции глюкозы и аминокислот) или в канальцевую жидкость по механизму вторичного активного контртранспорта (например, при секреции ионов Н+).

2 . В результате работы Nа+, К+-АТФазы в клетке создается высокий концентрационный градиент для К+, направленный наружу. Если в мембране будут калиевые каналы, то К+ будет выходить из клетки точно так же, как в нервах и мышцах. Если такие каналы будут в апикальной мембране, то будет происходить секреция К+, если в базолатеральной — реабсорбция.

3. В случае если калиевые каналы будут в апикальной мембране, то выход в канальцевую жидкость К+ приведет к тому, что эта жидкость станет заряжена положительно по отношению к интерстицию, то есть сформируется электрический градиент, или так называемый трансэпителиальный потенциал. В направлении этого градиента будут переноситься из канальцев в интерстиций (в частности, межклеточным путем) катионы — в частности Са2+ и Мg2+.

4. Если же калиевые каналы будут в базолатеральной мембране, то К+ будет выходить в интерстиций; поскольку туда же Na+, К -АТФазой перекачивается Na+, осмотическое давление в интерстиции вырастет, то есть создастся осмотический градиент между канальцевой жидкостью и интерстицием. По этому градиенту из канальцев в интерстиций будет выходить вода.

5. Выход воды в интерстиций по градиенту осмотического давления приведет к возрастанию концентраций растворенных веществ, остающихся в канальцевой жидкости. Если для таких веществ будут соответствующие каналы или переносчики либо для них будут проницаемы межклеточные контакты, они по концентрационному градиенту перейдут в интерстиций.

Из приведенных примеров видна следующая закономерность канальцевого транспорта: Nа+,К+ -АТФаза базолатеральной мембраны прямо или косвенно создает движущие силы для переноса почти всех компонентов канальцевой жидкости, но будет ли идти этот перенос, и если да — то в каком направлении, зависит от следующих факторов: 1) какие имеются каналы и переносчики; 2) располагаются они в апикальной или базолатеральной мембране; 3) для чего проницаемы плотные контакты.

Следовательно, все особенности транспорта в разных сегментах нефрона объясняются наличием и локализацией в этих сегментах тех или иных переносчиков и каналов и проницаемостью их плотных контактов.

Перенос между интерстицием и кровью

Второй этап трансэпителиального переноса — между интерстицием и кровью — представляет собой неизбирательный конвекционный транспорт. Механизмы его те же, что и клубочковой фильтрации, однако он идет в противоположном направлении (из канальца в кровь):

1. 1. Перенос осуществляется через крупные межклеточные поры;

2. 2. Через эти поры проходит вода с растворенными в ней веществами, перешедшими в интерстиций на первом этапе трансэпителиального переноса; следовательно, этот вид транспорта неизбирательный (вместе с током воды проходят все вещества, размеры которых меньше пор);

3. 3. Движущей силой этого переноса служит разница между онкотическим и гидростатическим давлением в перитубулярных капиллярах. При прохождении крови через клубочковые капилляры ее гидростатическое давление падает, а онкотическое возрастает (жидкость отфильтровывается, а белки остаются в крови). Поэтому в перитубулярных капиллярах, в которые кровь поступает после клубочковых капилляров, онкотическое давление выше гидростатического, и суммарная движущая сила направлена из интерстиция в кровь.

Проксимальный отдел нефрона

Как уже говорилось, требования, предъявляемые к проксимальному отделу нефрона, следующие:

1. Должен отфильтровываться очень большой объем плазмы с последующей реабсорбцией большей части фильтрата;

2. Должны реабсорбироваться все полезные органические субстраты;

3. По возможности должны дополнительно секретироваться ксенобиотики и ненужные метаболиты;

4. Проксимальный отдел должен поставлять в дистальный отдел небольшой и постоянный объем жидкости;

5. Концентрации основных электролитов (Nа+, К+, Сl- и Са2+) в этой жидкости также должны быть постоянными и такими же, как в плазме.

Количественные характеристики

Транспорт в проксимальном отделе нефрона включает три процесса: почечный кровоток; клубочковая фильтрация; проксимальный канальцевый транспорт (преимущественно реабсорбция, но также секреция).

Эти три процесса характеризуются соответственно тремя показателями.

Почечный кровоток: нормальное значение — около 1 л/мин (для обеих почек взрослого человека среднего веса), то есть 1/4—1/5 от общего сердечного выброса.

Скорость клубочковой фильтрации СКФ (один из основных параметров функции почек) — 125 мл/мин (то есть, как уже говорилось, 180 л/сут).

Относительный объем проксимальной реабсорбции — около 2/3 (65%) от СКФ («правило двух третей»). Поскольку состав оттекающей от проксимального канальца жидкости должен быть близок к составу плазмы, процент реабсорбции воды и основных электролитов одинаков. Значит, «правило двух третей» касается не только воды, но и основных электролитов; исключение составляют бикарбонат, фосфат, магний и некоторые другие. Таким образом, относительный объем проксимальной реабсорбции воды и электролитов составляет:

1. Н2О —65%;

2. Nа+ - 65%;

3. Сl- - 65%;

4. К+ - 65%;

5. Са2+ - 65%;

6. НСО3-; - 80-90%;

7. РО4^2- - 80-100%;

8. Мg2+ - 25%.

Механизмы транспорта в проксимальном канальце

Основные закономерности

1. Натрий активно реабсорбируется во всех отделах канальца, задавая «правило двух третей» (за реабсорбируемым на 65% натрием следуют вода и основные электролиты, также реабсорбируясь на 65%).

2. На всем своем протяжении проксимальный каналец высоко проницаем для воды, поэтому вода свободно следует за переносимыми веществами (прежде всего — натрием). Следовательно, вода, как и натрий, реабсорбируется на 65%, осмотическое давление канальцевой жидкости не меняется — она остается изотоничной, и реабсорбируемая жидкость также изотонична. Это так называемая изоосмотическая реабсорбция.

3. Для всех веществ, подчиняющихся «правилу двух третей», канальцевый эпителий высоко проницаем, и они свободно переходят через него вместе с водой; при этом их концентрации в реабсорбируемой и канальцевой жидкости остаются одинаковыми, а реабсорбируются они, разумеется, на столько же процентов, как и вода (65%).

4. Для всех веществ, не подчиняющихся «правилу двух третей», канальцевый эпителий мало проницаем, а реабсорбция этих веществ осуществляется путем вторичного активного транспорта.

Основные механизмы

1. В первой половине проксимальный каналец мало проницаем для растворенных веществ, но содержит мощные системы вторичного активного транспорта; следовательно, здесь реабсорбируются не подчиняющиеся «правилу двух третей» вещества, прежде всего бикарбонат, глюкоза и аминокислоты:

1. За счет работы Na+, К -АТФазы базолатеральной мембраны реабсорбируется натрий, а в качестве аниона с ним реабсорбируется бикарбонат;

2. Здесь же полностью реабсорбируются аминокислоты и глюкоза (путем котранспорта с Nа+);

1. 3. Вслед за этими веществами изоосмотически реабсорбируется вода;

4. Для растворенных веществ первая половина проксимального канальца мало проницаема, поэтому реабсорбция воды приводит к возрастанию концентраций этих веществ, и прежде всего Сl-, в канальцевой жидкости.

Во второй половине проксимальный каналец высоко проницаем для растворенных веществ, а системы вторичного активного транспорта работают слабо, так как бикарбонат, глюкоза и аминокислоты уже в основном реабсорбировались; следовательно, здесь реабсорбируются подчиняющиеся «правилу двух третей» вещества:

1. 1. Сl- реабсорбируется по концентрационному градиенту (созданному вследствие реабсорбции воды в первой половине);

2. 2. Вместе с Сl- для сохранения электронейтральности реабсорбируется Na+ (и Са2+);

3. 3. Вслед за этими веществами продолжает изоосмотически реабсорбироваться вода;

4. 4. Продолжается реабсорбция Na+ за счет работы Na+, К+-АТФазы базолатеральной мембраны; 5.В качестве аниона вместе с Na+ реабсорбируется уже не бикарбонат, а Сl-, так как бикарбоната в канальцевой жидкости остается очень мало. Таким образом, с одной стороны, Nа+ реабсорбируется вслед за Сl-, с другой стороны — Сl- вслед за Nа+.

Наряду с процессами реабсорбции в проксимальном канальце происходит также секреция многих ксенобиотиков и метаболитов. Она осуществляется с помощью относительно неспецифических переносчиков органических анионов и катионов. Примеры секретируемых веществ: ксенобиотики — пенициллин, сульфаниламиды, аспирин, новокаин, морфин; метаболиты — адреналин, желчные кислоты, гистамин, серотонин.