Транспорт веществ через мембраны и эпителиальные ткани

Введение

Туристы, путешествующие по одной из тропических стран, съели мороженое, купленное накануне. Вскоре после этого у них начался профузный понос. Руководитель группы, опытный путешественник, сразу распознал симптомы так называемой «диареи путешественников». Было очевидно, что мороженое содержало патогенные колибактерии, токсины которых вызывают открывание трансмембранных хлорных каналов CFTR (англ. cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) (рис. 3.4А) на протяжении всего кишечника. В результате действия токсинов происходит обильная секреция ионов хлора, а затем других веществ и воды. Если срочно не будет начато лечение, диарея может стать опасной для жизни у людей с ослабленным иммунитетом, а также у маленьких детей. В течение нескольких дней, пока диарея не прекратится, необходимо обязательно восполнять потерю воды и электролитов. При таком состоянии обычная питьевая вода из кишечника не всасывается. Поскольку в этом регионе подходящие для инфузионной терапии условия отсутствовали, пострадавшие должны были ежедневно принимать по несколько литров регидратирующего раствора, который состоял из чая, одной чайной ложки поваренной соли и двух столовых ложек сахара на один литр. Ионы натрия и глюкоза могут всасываться из раствора в соотношении 2:1 благодаря переносчику SGLT1 (англ. sodium/glucose cotransporter) (рис. 3.3Б), который не повреждается токсином; в результате осмотической реакции в ткани поступает вода. После всего случившегося туристы твердо усвоили правило: «Приготовь, прокипяти, очисти либо откажись!»

3.1. Трансмембранные транспортные белки

Каналы и переносчики

!Каналы и переносчики — это транспортные белки, которые поддерживают постоянство внутренней среды организма. При врожденных заболеваниях, обусловленных нарушениями функций ионных каналов и переносчиков, наблюдается недостаточное или избыточное содержание транспортируемых растворенных веществ.

Внутренняя среда. Организм человека должен постоянно обмениваться веществами с окружающей средой, сохраняя в то же время постоянство собственной жидкой «внутренней среды», хотя обычно вещества поступают в него совершенно в иных соотношениях. Такой обмен веществ на клеточном уровне осуществляется с помощью плазматических мембран, а на уровне целостного организма — при участии эпителиальных тканей.

Мембраны и эпителиальные ткани образуют в организме барьеры между содержащими жидкость полостями и осуществляют регулируемый транспорт веществ и воды через эти барьеры. Поскольку состав потребляемых продуктов питания не подвергается достаточно строгому контролю, организм поддерживает постоянство внутренней среды за счет регуляции выделительных процессов через почки, кишечник, легкие и кожу.

Транспортные функции каналов и переносчиков. Транспортные белки асимметрично распределены в апикальной и базолатеральной частях мембраны эпителиальных клеток. По функциональным характеристикам транспортеры подразделяются на каналы и переносчики (в случае особой организации — насосы) (табл. 3.1). Каналы и переносчики — это интегральные мембранные белки, которые многократно пронизывают клеточную

мембрану и в большинстве своем проявляют высокую специфичность в отношении транспорта определенных веществ или групп сходных веществ. Для работы обоих видов транспортеров свойственна насыщаемость. Перечень важнейших транспортных белков клеточных мембран выборочно представлен в табл. А1 (см. Приложение).

Специфичность. Каналы и переносчики обладают специфичностью к частицам определенного класса или к воде. Кроме того, они подразделяются по своей проницаемости и молекулярной структуре. Следует отметить, что функционально сходные транспортеры могут различаться по структуре в зависимости от типа клетки, что привело к идентификации большого числа каналов и переносчиков. С клинической точки зрения важно учитывать, что некоторые наследственные заболевания обусловлены патологией транспортеров только одного типа, например кистозный фиброз (см. 3.1) и синдром Бартера (см. 3.3)

3.1. Кистозный фиброз (муковисцидоз)

Симптомы. Нарушение транспорта в клеточных мембранах нередко становится первопричиной патологии органов. Примером может служить кистозный фиброз (КФ, муковисцидоз) — распространенное наследственное заболевание. Характерные клинические признаки могут показаться лишенными взаимосвязей. Сгущение секрета поджелудочной железы затрудняет его эвакуацию, что приводит к недостаточности функции поджелудочной железы. В итоге образуются кисты с последующим фиброзом экзокринной части поджелудочной железы (отсюда и произошло название болезни). Вызванное этим нарушение пищеварения способствует развитию общей дистрофии.

В просвете бронхов скапливается вязкое слизистое содержимое; блокируется аппарат мукоцилиарного клиренса, важный механизм защиты органов дыхания. Отсюда хронический кашель, затрудненное дыхание и подверженность инфекциям. Вследствие общей дисфункции пищеварения и кислородной недостаточности развиваются анемия и гипопротеинемия, задерживается рост, физическое развитие, наступление половой зрелости. Концентрация NaCl в поте превышает 60 ммоль.

Патогенез. Клинические проявления кистозного фиброза в основном обусловлены дефектом, который обнаруживается во всех пораженных эпителиях: недостаточная активация хлорных каналов типа CFТR (рис. 3.4). Вследствие этого происходит уменьшение количества и повышение вязкости выделяемой из легких мокроты, секрета поджелудочной железы, семенных канальцев и т. д.; затрудняется либо становится невозможным отток жидкостей из полостей тела.

Транспортные каналы (ионные каналы).

Благодаря своим транспортным функциям ионные каналы регулируют мембранный потенциал возбудимых клеток (разд. 4.6). Для многих каналов активирующую функцию выполняют гормоны (например, альдостерон или антидиуретический гормон — АДГ или вазопрессин) либо вторичные посредники, или вторичные мессенджеры (цАМФ, ионы Са2+). Присутствие каналов характерно для клеточных мембран не только эпителиев, но и других тканей.

Водные каналы. Почти все клетки имеют каналы семейства аквапоринов, через которые проходит вода. В эпителиальных тканях такие каналы есть

вобоих доменах клеточных мембран (апикальном и базальном). Исключение составляют эпителии восходящей части петли Генле и протока слюнной железы, которые обладают ограниченной возможностью проникновения воды или вообще не пропускают воду. От других водных каналов отличается аквапорин-2, активируемый только антидиуретическим гормоном. Этот белок образует поры для переноса воды через апикальную мембрану клеток дистальных почечных канальцев и собирательных трубочек (разд. 29.5).

Белки-переносчики. Ионные каналы, находясь

воткрытом состоянии, пропускают частицы с высокой скоростью, сохраняя свою прежнюю конформацию. Белки-переносчики, напротив, каждый раз изменяют конформацию при связывании и отсоединении транспортируемой молекулы. Поэтому переносчики работают гораздо медленнее, чем каналы (табл. 3.1). В отличие от большинства каналов переносчики лишены воротного механизма (gating — механизм регуляции открывания кана-

ла, в частности при сдвиге мембранного потенциала). Некоторые специализированные переносчики (насосы, или АТФазы) осуществляют транспорт за счет энергии АТФ.

Симпортеры, антипортеры и унипортеры

!Переносчики могут функционировать как симпортеры и антипортеры, транспортируя сразу несколько веществ в определенном количественном соотношении.

Сопряженный транспорт. Многие переносчики транспортируют одновременно несколько веществ (два или даже три) в определенном количественном соотношении (см. Приложение, табл. А1). В зависимости от особенностей транспорта различают следующие типы переносчиков.

Симпортеры переносят несколько частиц совместно в одном направлении (положительно сопряженный транспорт).

Антипортеры осуществляют встречный транспорт частиц (отрицательно сопряженный транспорт).

Унипортеры, или «простые» переносчики, функционируют без сопряженного транспорта. Понятие котранспорт в литературе иногда

означает сопряженный транспорт, а иногда — симпорт; в последующих разделах этот термин не применяется.

Насосы, или АТФазы. Это особая группа пер- вично-активных переносчиков (разд. 3.3), которые не имеют отношения к диффузии, а используют для своей транспортной работы энергию, высвобождаемую в результате гидролиза АТФ до АДФ

ифосфата. Таким образом, АТФаза обладает свойствами фермента и транспортера. Наиболее широко известна присутствующая во всех клетках Na+/K+-АТФаза. В эпителиальной клетке она входит в состав базолатерального домена мембраны. При гидролизе одной молекулы АТФ из клетки выводятся 3 иона Na+ в обмен на вход 2 ионов K+ (рис. 3.3). Такое количественное соотношение ионов означает, что Na+/K+-АТФаза переносит электрический заряд, т. е. вызывает электрический ток

ипоявление трансмембранной разности потенциалов. В мембранах животных клеток существуют еще три вида транспортных АТФаз для малых ионов: Са2+-АТФаза, Н+/K+-АТФаза и Н+-АТФаза (см. Приложение, табл. А1).

Белок множественной лекарственной устойчивости, или MDR (multudrug resistance protein).

Этот Р-гликопротеин относится к большой группе АТФ-связывающих кассетных транспортеров, или АВС-транспортеров (ATP binding cassette). За счет энергии расщепления АТФ MDR выводит из клетки различные химические соединения про-

тив градиента их концентрации. Захватывая вещество на этапе его диффузии в плазматическую мембрану, MDR перемещает его во внеклеточную среду. Этот транспортер, физиологически присутствующий в печени, тонкой кишке и почках, обеспечивает удаление метаболических ядов. Однако его усиленное образование в опухолевых клетках вызывает их устойчивость к цитостатическим препаратам.

Коротко

Транспортные белки

Клеточные мембраны и эпителиальные ткани поддерживают постоянство внутренней среды организма за счет барьерной функции, а также транспорта растворенных веществ и воды. Транспорт осуществляют два вида интегральных белков мембраны: каналы и переносчики. Ионные каналы в открытом состоянии могут пропускать большее количество ионов в секунду, чем переносчики. Однако в эпителиальных клетках число каналов гораздо меньше, чем переносчиков (табл. 3.1). В процессах трансэпителиального транспорта, происходящих с участием каналов и переносчиков, перенос через каналы часто становится лимитирующим фактором. Некоторые каналы не обладают воротным механизмом (gating), например водные каналы (аквапорины) постоянно открыты. АТФазы — это особый вид переносчиков, которые за счет гидролиза АТФ поставляют энергию для транспорта ионов. Они являются одновременно ферментами и транспортерами.

3.2. Взаимодействие транспортной и барьерной функций эпителиев

Структура эпителия

!Эпителиальные ткани разграничивают полости организма, содержащие жидкость. Благодаря полярной организации клеток эпителий обеспечивает всасывание и секрецию; оба процесса могут происходить трансклеточно и параклеточно.

Функциональный наружный покров. Эпителиальные ткани отделяют организм от окружающей среды, а также образуют внутри него барьеры для полостей, содержащих жидкость. При этом понятие «наружный покров» подразумевает не только кожу тела, но и «функциональные наружные покровы» полостей органов, доступные для поступления веществ из внешней среды. Некоторые из этих органов получают вещества извне, тогда как другие выводят свое содержимое наружу, например желудочно-кишечный тракт, почечные канальцы, мочевыводящие пути, потовые и слюнные железы.

Внутри организма эпителиальные слои ограничивают и такие содержащие жидкость полости, которые не имеют связи с окружающей средой, например плевра, брюшина (peritoneum), эпикард, перикард и эпителиальная выстилка органов, в частности кровеносных сосудов. В большинстве органов такая выстилка с функциональной точки зрения представляет собой высокопроницаемый эпителий. Выстилка кровеносных сосудов называется эндотелием.

Строение эпителия. Клетки эпителия характеризуются полярной организацией и соединены друг с другом специализированными контактами (рис. 3.1). Апикальный домен клеточной мембраны (разд. 1.1), как указывает само название, в функциональном смысле обращен к внешней среде. Во многих типах эпителия эта часть поверхности клеточной мембраны образует пальцеобразные выпячивания — микроворсинки, в связи с чем ее называют щеточной каемкой.

Рис. 3.1. Межклеточные соединения в эпителиальных тканях. Эпителий тонкой кишки. Средняя клетка изображена без цитоплазмы. 1 — микроворсинки; 2 — плотные контакты (zonulae occludens); 3 — десмосомы (поясовидные соединения); 4 — тонофиламенты; 5 — копковидные десмосомы; 6 — коннексоны (щелевые контакты). Внизу справа: увеличенное изображение плотного контакта. (По данным: Krstic, 1976.)

Базолатеральный домен плазматической мембраны состоит из базальной части, обращенной к кровеносному сосуду, и латеральных частей. Общее название «базолатеральная плазматическая мембрана» подразумевает, что ее компоненты обладают однотипными транспортерами и не отделены от интерстициального пространства (межклеточного матрикса) каким-либо барьером. Базальная мембрана направляет рост клетки и поддерживает ее целостность, не препятствуя при этом трансэпителиальному транспорту.

Полярные свойства. Многие рецепторы и транспортеры ткани после их синтеза в эпителиальной клетке встраиваются в мембранные везикулы ближайшего участка клеточной мембраны, т. е. апикального или базолатерального домена. Так активируемые альдостероном эпителиальные Na+-каналы (ЕNaС) всегда оказываются в составе апикального домена, а Na+/K+-АТФаза — в составе базолатерального.

Пути и направления транспорта. Трансмембранные перемещения веществ в клетку и из нее означают вход и выход соответственно. Транспорт через функциональный внешний покров в межклеточное пространство называется абсорбцией, а в обратном направлении — секрецией. Существует два пути трансэпителиального транспорта.

Трансклеточный путь: вещества проходят через апикальную и базолатеральную мембрану эпителиальной клетки, а также через участок межклеточной щели.

Параклеточный путь: вещества проходят через плотный контакт на всем протяжении межклеточной щели.

Межклеточные соединения

!Плотные контакты (tight junctions) создают барьер между эпителиальными клетками, но при этом участвуют в параклеточном транспорте.

Структура. Между латеральными мембранами смежных клеток имеется межклеточная щель, а также три типа межклеточных соединений (рис. 3.1): плотные контакты, десмосомы и коннексоны. В то время как десмосомы и коннексоны свойственны и для других типов клеток, плотные контакты (tight junction), или зоны замыкания (zonula occludens), характерны для эпителиев, осуществляющих барьерную функцию. Плотные контакты расположены ближе к наружной (обращенной к просвету органа) стороне эпителиального пласта и разграничивают апикальную и латеральную части плазматической мембраны.

Белки плотных контактов. Сетчатая структура плотных (замыкающих) контактов (рис. 3.1) образована белками четырех групп: окклюдином, трицеллюлином, белками семейства клаудинов

(24 представителя) и молекулами межклеточной адгезии (junctional adhesion molecule, JAM). Эти белки связаны с цитоскелетом через посредство внутриклеточных белков (в том числе ZO-1, ZO-2 и ZO-3). За исключением JAM, белки плотных контактов состоят из четырех трансмембранных доменов, а также одной внутриклеточной и двух внеклеточных петель ЕСL1 и ЕСL2. Благодаря заряду своих аминокислотных остатков ЕСL1 определяет барьерные свойства (т. е. уровень проницаемости) контакта, тогда как ЕСL2 выполняет опорную и, в некоторых случаях, рецепторную функцию.

Функциональные свойства. Плотные контакты осуществляют два вида барьерных функций:

препятствуют латеральной диффузии мембранных белков, в частности перемещению апикальных белков к базолатеральной мембране и наоборот;

создают барьер для трансэпителиального транспорта. В некоторых эпителиях этот барьер практически непроницаем, однако в других случаях межклеточный контакт может пропускать ионы даже легче, чем плазматическая мембрана. Проницаемость плотных контактов определяется, с одной стороны, морфологическими факторами, т. е. шириной «ячеек» их сети (рис. 3.1, вставка), а с другой стороны, молекулярными свойствами взаимодействующих белков.

Большинство белков плотного контакта ассоциированы с его барьерной функцией. Сюда относятся клаудин-1, -4, -5, -8, -14, -19, а также окклюдин. Особая барьерная роль принадлежит трицеллюлину, который затрудняет проникновение макромолекул в участках контакта между тремя эпителиальными клетками.

Некоторые клаудины выполняют противоположную функцию: вместе с клаудинами смежной клетки они составляют параклеточные каналы. Наиболее явно это свойство выражено у белка клаудина-2, который образует параклеточный канал для малых катионов и присутствует преимущественно в эпителиях с проницаемыми плотными контактами (см. Приложение, табл. А1). Клаудин-10b можно обнаружить, как правило, в дистальных почечных канальцах, где он формирует катионные каналы, тогда как сплайс-вариант клаудин-10а характерен главным образом для анионных каналов в проксимальных почечных канальцах. Клаудин-16, локализованный в восходящей части петли Генле и начальном участке дистального почечного канальца, пропускает катионы и опосредованным образом стимулирует трансклеточную абсорбцию Mg2+ за счет индукции бестрофина — трансмембранного белка хлорного канала.

Нарушения эпителиальных барьеров. Эти нарушения выявляются при многих заболеваниях и даже могут лежать в основе патологического процесса. К подобным патологиям относятся

воспаления кишечника, например язвенный колит и болезнь Крона (см. 3.2); энтеропатогенные инфекции (например, нарушение структуры плотных контактов под действием холерного токсина); аутоиммунная реакция на некоторые продукты питания (например непереносимость глютена при целиакии); гиперчувствительность к некоторым лекарственным препаратам (в частности, к нестероидным противовоспалительным средствам, или НПВС). Hарушения эпителиальных барьеров приводят к:

патологически повышенному выведению растворенных низкомолекулярных веществ и воды; всасыванию вредного фактора с последующим его поступлением в общий кровоток; затем вредный фактор продолжает через кровь оказывать свое неблагоприятное действие в том числе и на эпителиальные ткани, т. е. возникает «порочный круг».

3.2. Болезнь Крона

Болезнь Крона — хроническое воспалительное заболевание, поражающее эпителиальный слой стенок кишечника и способное распространяться на другие, не связанные между собой участки пищеварительного тракта. Вероятная причина заболевания — продолжительная активация системы интестинальной иммунной защиты у генетически предрасположенных к этому людей.

К симптомам и признакам относятся в первую очередь диарея, абдоминальные боли, лихорадка, снижение массы тела, появление фистул в области заднего прохода. Большинство симптомов заболевания обусловлено образованием провоспалительных цитокинов, таких как фактор некроза опухоли-α (tumornecreose-factor, TNFα) и γ-интерферон.

Патофизиологические механизмы. Важное значение имеет нарушение барьерной функции эпителия кишечника в результате локального язвенного процесса, интенсивного апоптоза и повреждения плотных контактов. TNFα уменьшает содержание

уплотняющего контакты белка клаудина-8 и увеличивает содержание клаудина-2, проницаемого для катионов. Нарушение барьера имеет два последствия: во-первых, из просвета кишечника интенсивно всасываются вредные вещества, усугубляющие патологический процесс, во-вторых, в просвет выделяется большое количество растворенных веществ и воды, что приводит к диарее. При лечении необходимо использовать иммунодепрессанты.

Десмосомы. Опоясывающая десмосома (англ. аdherens junction, лат. zonula adheаrens) обеспечивает механическое сцепление эпителиальных клеток и вместе с плотным контактом составляет соединительный комплекс (англ. junctional complex).

Коннексон, третий тип межклеточных соединений, образован коннексинами — каналами, про-

низывающими плазматические мембраны двух смежных клеток. Коннексоны входят в состав щелевых контактов (нексусов). Значительное повышение внутриклеточной концентрации Са2+, например в результате разрушения плазматической мембраны, вызывает закрывание коннексонов и отгораживание соседних интактных клеток от пострадавших клеток. Благодаря этому зона повреждения не распространяется, например при инфаркте миокарда.

В апикальной области межклеточная щель более или менее перекрыта соединительными комплексами, тогда как в базальной области подобные ограничивающие структуры отсутствуют. При невысокой скорости транспорта или секреции межклеточная щель остается узкой, однако в случае усиленной абсорбции может существенно расшириться. Что касается нарушений диффузии, даже незначительных, то оно может произойти лишь при крайней степени сужения щели.

Рыхлость эпителия

!Отношение параклеточной проницаемости к трансклеточной проницаемости служит показателем «рыхлости» эпителия.

Плотный контакт, вопреки своему названию, до некоторой степени проницаем, когда речь идет о трансэпителиальном транспорте; по существу, это соответствует параклеточной пропускной способности. Что касается трансклеточной проницаемости, то она зависит от проницаемости обоих доменов плазматической мембраны. Индекс проницаемости плотного контакта и плазматической мембраны служит показателем рыхлости эпителия. По индексу проницаемости различают три уровня (класса) рыхлости эпителия.

Основу классификации эпителиев (табл. 3.2) составляют отношения электрической проводимости, а также проницаемости к ионам Na+, K+ и Cl–. В случае более крупных молекул электролитов или воды показатели рыхлости могут отличаться от значений, приведенных в таблице.

Непроницаемые эпителии. Они практически лишены транспортной функции и прежде всего выполняют роль барьеров. Сюда относятся только эпителий мочевого пузыря и эпидермис.

Плотные эпителии. Что касается количественных характеристик транспорта веществ, то плотные эпителии, как правило, обладают слабой пропускной способностью, однако могут создавать значительные градиенты. Подобными свойствами отличаются дистальные сегменты эпителиев всех трубкообразных органов, например дистальных почечных канальцев, семявыносящих протоков, толстой и прямой кишки, дистальных сегментов выводных протоков поджелудочной железы, слюнных и потовых желез. По определению плотные контакты эпителиев этого типа менее проницаемы, чем клеточные мембраны. Следовательно, здесь трансэпителиальный транспорт является преимущественно трансклеточным и лишь отчасти параклеточным. В таких эпителиях скорость транспорта регулируется в широких пределах, в частности посредством гормонов. В итоге транспорт может осуществляться против градиента, даже если он высокий.

Гематоэнцефалический барьер. Эндотелий капилляров головного мозга существенно плотнее, чем у большинства других капилляров, и по свойствам близок к плотному эпителию. Стенки капилляров головного мозга лишены отверстий, а плотные контакты обладают здесь меньшей пропускной способностью, чем клеточные мембраны. Поэтому полярные молекулы, лишенные транспортеров, вообще не способны выходить в мозг либо поступают в небольших количествах. В то же время полярные молекулы, обладающие мембранными транспортерами, могут перемещаться даже против электрохимических градиентов.

Рыхлые эпителии. Характеризуются интенсивным транспортом, причем мелкие молекулы растворенных веществ проникают независимо от их концентрации. Плотные контакты здесь обладают большей пропускной способностью, чем клеточные мембраны. К рыхлым эпителиям относятся проксимальные сегменты эпителиев всех трубкообразных органов, например проксимальных почеч-