ных канальцев, тонкой кишки, желчного пузыря, ацинусов и проксимальных сегментов выводного протока поджелудочной железы, а также выводных протоков слюнных и потовых желез.

У эпителиев этого типа особенно высокие уровни абсолютной проницаемости и трансклеточного транспорта. В результате осмоса через мембрану поступает вода вместе с частицами растворенных веществ (перенос растворенного вещества вместе с растворителем — solvent drag, см. далее). В итоге благодаря осмотическому градиенту транспортируется некоторое количество частиц без дополнительных затрат метаболической энергии.

Функциональная организация эпителиев

!Выведение конечных продуктов метаболизма через эпителий трубкообразных органов подчиняется единой схеме: в проксимальных отделах относительно большие количества веществ транспортируются против низких градиентов, а в дистальных — малые количества веществ против высоких градиентов.

Сегментарная гетерогенность. Плотность эпителия почек, кишечника и выводных протоков экзокринных желез возрастает по мере перехода от проксимальных к дистальным сегментам (табл. 3.2). Подобная сегментарная гетерогенность соответствует единой схеме формирования выводимого продукта во всех трех рассматриваемых типах эпителия — рыхлом, сравнительно плотном и практически непроницаемом.

Выработка изоосмотического первичного фильтрата. Первичный продукт, поступающий в просвет органа, изоосмотичен плазме крови (при ультрафильтрации в почечных клубочках и первичной секреции в ацинусах экзокринных желез) и/или вырабатывается путем осмоса в результате потока воды (в желудке и в начальном отделе эпителия всех трубкообразных органов).

Изоосмотический транспорт. Через рыхлый эпителий проксимальных сегментов изоосмотически транспортируются большие количества растворенных веществ и воды без существенного участия гормонов.

Обработка выводимого продукта. Через относительно плотный эпителий дистальных сегментов транспортируются лишь небольшие количества веществ, но против высоких электрохимических градиентов. Транспорт эффективно регулируют гормоны. В результате выводимый продукт вырабатывается с определенной концентрацией и массой веществ, что соответствует поддержанию постоянства внутренней среды организма. При снижении рыхлости эпителия дистальных сегментов возрастает способность к переносу веществ против градиентов.

Накопление выводимого продукта. Эпителий мочевого пузыря практически не осуществляет транспорт, но способен длительно поддерживать очень высокие градиенты между просветом органа и кровью. Таким образом, мочевой пузырь выполняет накопительную функцию.

Коротко

Транспортные и барьерные функции

Эпителиальные клетки соединены между собой плотными контактами, создающими барьер для свободного проникновения веществ и воды через мембрану. Апикальный и базолатеральный домены плазматической мембраны обладают своим набором ионных каналов, переносчиков и АТФаз. Границей между двумя доменами клеточной поверхности служат плотные контакты.

Благодаря сочетанию двух функций — транспортной и барьерной — в организме сосуществуют сложно организованные компартменты. Трансэпителиальный транспорт может осуществляться трансклеточным путем — через клеточные мембраны и параклеточным — через плотные контакты. Эти клеточные соединения образованы такими белками, как окклюдин, трицеллюлин и представители семейства клаудинов. Большинство белков, составляющих плотные контакты, выполняют барьерную роль, однако некоторые из них (в частности, клау- дин-2, -10а и -10b) образуют параклеточные поры. При многих заболеваниях нарушения барьерной функции усугубляют патологический процесс.

Проницаемость плотных контактов в эпителиях трубкообразных органов, например кишечника и почечных канальцев, снижается по направлению к дистальному отделу. Таким образом, формирование продукта, выводимого из организма, реализуется по определенной схеме и включает в себя два основных этапа:

•в проксимальных сегментах — нерегулируемый транс- и параклеточный транспорт большой массы вещества против низких градиентов;

•в дистальных сегментах — частично регулируемый гормонами трансклеточный транспорт ограниченной массы вещества против высоких градиентов.

3.3. Активный и пассивный транспорт

Пассивный транспорт

!Пассивный транспорт осуществляется за счет градиентов гидростатического давления, концентрации и электрического потенциала.

Градиент. Это понятие, которое далее будет часто встречаться, означает уменьшение свободной энергии вещества на протяжении некоторого участка пространства (-dЕ/dx). Когда речь идет о фи-

зиологии транспортных процессов, следует также указывать направление градиента, поскольку в биологических системах перемещение может быть как «нисходящим» («сверху вниз», или «с горы») — по градиенту (пассивный транспорт), так и «восходящим» («снизу вверх», или «в гору») — против градиента (активный транспорт). На схемах транспорта можно видеть стрелки (табл. 3.1), указывающие направление и угол наклона электрохимических градиентов.

Механизмы активного и пассивного транспорта. Обе формы транспорта требуют затрат энергии, которая обеспечивается за счет либо гидролиза АТФ, либо физических градиентов.

Активный транспорт может идти против внешних градиентов, т. е. «в гору».

Пассивный транспорт всегда идет по внешним градиентам, т. е. «с горы».

Разделение транспорта на активный и пассивный позволяет прежде всего выделить перемещения, опосредуемые транспортными белками. В отличие от них, диффузия через липидную фазу клеточной мембраны, а также параклеточный транспорт через плотные контакты и межклеточную щель являются пассивными.

Фильтрация и ультрафильтрация. Транспорт, обусловленный градиентом гидростатического давления, происходит через фильтры. Уровень фильтрации линейно зависит от движущей силы. Поры фильтров, используемых в быту (например, кофейного фильтра), отделяют нерастворенные частицы от растворенных. Однако поры фенестрированного эндотелия капилляров еще меньше по диаметру

Таблица 3.3. Уравнения транспорта веществ

и не пропускают крупные молекулы даже растворенных веществ. Такой процесс в эндотелии капилляров, называемый ультрафильтрацией, представляет собой важнейший транспортный механизм, проницаемость которого очень высока. Однако ультрафильтрация практически нулевая в более плотных клеточных мембранах, а также в эпителиальных тканях, соответствующих более узкому пониманию этого термина.

Относительно ультрафильтрации (а также применительно к переносу растворенного вещества вместе с растворителем — solvent drag, см. далее) существует предположение, что увлекаемые водой частицы могут либо пройти через водопроницаемые участки, либо «отсеяться» (отфильтроваться). Этот процесс количественно характеризуется коэффициентом фильтрации S (табл. 3.3), значения которого могут варьироваться от 0 (отсутствие проникновения частиц) до 1 (беспрепятственное проникновение). Формально за величину S принимают вероятность прохождения частиц через мембрану.

Диффузия. Перенос частиц из области высокой концентрации туда, где концентрация ниже, называют диффузией. Направление переноса объясняется следующим образом. В процессе хаотичного

броуновского движения частицы сталкиваются особенно часто в зоне высокой концентрации, так что они уступают друг другу место, перемещаясь в область более низкой концентрации. Таким образом, движущей силой диффузии служит градиент концентрации. Диффузия незаряженных (неионизированных) частиц — неионная диффузия описывается уравнением (1) в табл. 3.3.

Электрохимический градиент. Диффузия заряженных частиц определяется градиентом не только концентрации, но и электрического потенциала (табл. 3.3, уравн. (2). Эти два вида градиентов в совокупности составляют электрохимический градиент. Взаимосвязь между ионной проницаемостью Р, ионной проводимостью G и специфическим сопротивлением мембраны R представлена уравнением

(3) в табл. 3.3.

Уравнение Нернста. Уравнение характеризует соотношение между электродвижущей силой и ионными концентрациями некоторых ионов (табл. 3.3, уравн. (4). Рассчитав постоянную Фарадея, получаем упрощенное уравнение (4а). Из него следует, что если, например, трансмембранное соотношение концентраций одновалентного иона соответствует 10:1, то мембранный потенциал равен 61 мВ. Если концентрации иона по обе стороны мембраны одинаковы, транспорт иона равен нулю. При этом ионы этого вида распределены пассивно в соответствии с электрохимическим градиентом, а мембранный потенциал равен равновесному потенциалу для соответствующего иона.

Простая диффузия. Такая диффузия не требует участия транспортных белков. Частицы проникают через двойной фосфолипидный слой мембраны либо перемещаются в свободной жидкости, причем это происходит без насыщения. В случае простой диффузии через липидную фазу клеточной мембраны проницаемость транспортируемых молекул пропорциональна их липофильности. Через липидную фазу клеточной мембраны диффундируют прежде всего газы (например О2, СО2, N2), слабые электролиты в незаряженной форме и другие неполярные вещества, тогда как вода и ионы диффундируют очень слабо либо не диффундируют совсем.

Облегченная диффузия. Это понятие возникло раньше, чем были открыты транспортные белки, и объединяет все формы диффузии, опосредуемые такими белками. Облегченная диффузия происходит с насыщением. Иногда термин ошибочно применяют в текстах об унипортерах.

Диффузия воды

!Осмос создает осмотическое давление, из-за которого происходит перенос растворенного вещества вместе с растворителем (растворное привлечение, solvent drag); белки обеспечивают коллоидно-ос- мотическое давление и эффект Доннана.

Осмос. Осмос — это диффузия растворителя (воды). Стимулом служит градиент концентрации, в данном случае — самой воды. Представление о «концентрации воды» достаточно необычно: максимальная концентрация свойственна чистой воде; чем больше веществ в ней растворено, тем значительнее они «вытесняют» воду. Соответственно

концентрация воды обратно пропорциональна ее осмотичности.

Осмотическое давление. При наличии мембраны, проницаемой для воды и плохо пропускающей частицы растворенного вещества, возникает процесс осмоса. Величина осмотического давления зависит от осмотичности растворителя и проницаемости мембраны к частицам, а направление противоположно устремлению воды.

Коллоидно-осмотическое давление. Это доля общего осмотического давления, которую обеспечивают макромолекулы (коллоиды). Онкотическим давлением называется сумма коллоидно-осмотиче- ского давления и небольшого дополнительного осмотического давления, возникающего в результате распределения Доннана (см. далее).

Благодаря локальному осмосу вода пассивно следует вместе с растворенными в ней веществами. Как правило, водопроницаемость достаточно высока и вода по существу перемещается изоосмотически (11 на 290 мосмоль/кг).

Растворное привлечение (solvent drag). Это явление означает, что поток воды увлекает через мембрану мелкие растворенные частицы. Такое явление характерно, например, для тонкой кишки и проксимальных почечных канальцев.

Эффект Доннана. При физиологическом уровне рН анионы представлены в плазме крови только белками. Поскольку в результате ультрафильтрации белковые молекулы задерживаются, все виды ионов, участвующие в этом процессе, распределяются по обе стороны мембраны неравномерно (рис. 3.2). Подобная ситуация свойственна для всех клеточных мембран, так как цитоплазма богата отрицательно заряженными белками, которые клетка не может вывести.

Распределение Доннана. В результате первичного неравномерного распределения проникающих через мембрану ионов генерируется небольшая трансмембранная разность потенциалов (потенциал Доннана). Мембранный потенциал, в свою очередь, сказывается на конечном распределении Доннана. Чтобы описать распределение Доннана, необходимо использовать фактор Доннана, одинаковый для всех пассивно распределяющихся катионов и анионов. В условиях равновесного распределения концентрация одновалентных катионов в плазме крови на 5% выше, а одновалентных анионов — на 5% ниже, чем в межклеточной жидкости. Для двухвалентных ионов разность концентраций составляет 10%.

Активный транспорт: первичный, вторичный и третичный

!Первично-активный транспорт требует непосредственных затрат АТФ. Вторично-активный транспорт работает по принципу симпорта или антипорта; обычный стимул — это градиент концентрации Nа+. Третично-активный транспорт запускается вторично-активным транспортом.

Рис. 3.2. Эффект Доннана. Эффект Доннана условно представлен в виде трех этапов (состояния А, Б, В). Численные значения рассчитаны исходя из предположения, что на конечном этапе фактор Доннана был равен 5%

Первично-активный транспорт. Первично-ак- тивными транспортерами являются уже упоминавшиеся АТФазы (насосы), способные «перекачивать» растворенные вещества в направлении, противоположном их электрохимическому градиенту, затрачивая при этом метаболическую энергию. Типичный пример первично-активного транспорта представлен на рис. 3.3А.

Вторично-активный транспорт. Механизм вторично-активного транспорта можно пояснить на примере симпортера SGLТ1 — белка-перено- счика Nа+/глюкозы в апикальном домене клеточных мембран многих типов эпителия (рис. 3.3Б). SGLТ1 осуществляет транспорт только в случае присоединения двух ионов Nа+ и одной молекулы глюкозы. При этом частицы одного и другого типа не обязательно должны иметь «нисходящий» градиент; сопряженный транспорт работает по отношению к частицам обоего типа, если сумма их градиентов обеспечивает соответствующее направление. Поскольку градиент Nа+ направлен из внешней среды внутрь клетки, молекулы глюкозы могут всасываться в клетку и против своего градиента концентрации.

Два необходимых компонента. Симпортер SGLТ1 пассивно работает сам по себе, если учесть, что энергия для транспорта глюкозы поступает благодаря электрохимическому градиенту Nа+. Следовательно, градиент Nа+ должен стабильно поддерживаться с помощью первично-активно- го транспорта, т. е. работы Nа+/K+-АТФазы, содержащейся

Рис. 3.3. Активный транспорт. А. Первично-ак- тивный транспорт: АТФ непосредственно участвует в транспорте ионов через базолатеральную мембрану. Показаны электрогенный вход Nа+ и секреция K+ в эпителии дистальных отделов трубкообразного органа. Б. Вторично-активный транспорт: непосредственным стимулом вторично-активного процесса абсорбции глюкозы служит градиент концентрации Nа+, возникающий благодаря работе Nа+/K+-АТФа- зы. Показано всасывание глюкозы в проксимальном канальце или в тонкой кишке. В. Третично-активный транспорт: непосредственным стимулом третично-ак- тивного процесса абсорбции дипептида является градиент Н+, образующийся в результате вторично-актив- ного транспорта. Значительные объемы аминокислот проникают в клетку в виде диили трипептидов и здесь расщепляются на отдельные аминокислоты