Молекулярні механізми трансмембранного транспорту нутрієнтів

Вода, деякі неорганічні іони та декілька компонентів дуже малих розмірів можуть проходити повз клітини кишечника, рухаючись шляхом парацелюлярної дифузії через дуже вузькі (4 – 8 Å) пори, розташовані у просторі між ентероцитами. Дуже незначна кількість сполук може прямо переміщуватися через мембрану з апікальної та базолатеральної сторін клітин кишечника шляхом неопосередкованої трансклітинної дифузії. Сюди належать належать малі ліпофільні компоненти, сечовина і гази (водень, метан, сірководень). Решта сполук транспортуються через мембрани просвіту кишечника (люмінальні), внутрішньоклітинні та базолатеральні мембрани за участю специфічних білків-транспортерів.

Транспорт через внутрішньоклітинні мембрани важливий для виведення молекул з ендосом/лізосом, через внутрішню мітохондріальну мембрану та у секреторні компартменти. Найпоширенішими виявляються АТФ-зв᾽язуючі касетні транспортери (АВС транспортери), транспортери розчинених речовин (solute-carrier transporters, SLC), Na⁺/H⁺-обмінники (NHE2), АТФазні помпи.

ABC (ATP-binding cassette) білки формують одну з найбільших білкових родин, представники якої виявляються у всіх живих організмах. Широке розповсюдження цих білків з відносно консервативною структурою та функціями свідчить про їх фундаментальну роль. Основною структурною особливістю, яка вирізняє представників цієї родини є комбінація консервативних АТФ-звʼязуючих і трансмембранних доменів. У ссавців функціонально активний АВС білок складається з чотирьох характерних доменів: двох трансмембранних доменів (TMDs) та двох нуклеотидзвʼязуючих доменів (NBDs). Ці чотири домени можуть бути присутніми в одному поліпептидному ланцюгу («повні транспортери») чи у двох окремих білках («напівтранспортери»), які димеризуються. Поліпепетидні ланцюги трансмембранних доменів пронизують мембрану декілька разів, типово формуючи шість трансмембранних α-спіралей на домен (12 спіралей на транспортер), які утворюють пороподібну структуру у мембрані, через яку можливий транспорт речовин. АВС білки використовують енергію АТФ для забезпечення прямого трансмембранного руху їх субстратів (первинно активний транспорт), відкривати чи закривати специфічні мембранні канали (іонні канали) чи регулювати проникливість мультибілкового канального комплексу (рецептор). Функціонування АВС білків, які забезпечують активний транспорт, залежить від гідролізу цитозольної АТФ нуклеотидзвʼязуючим доменом.

АВС білки класифікують на 7 класів на основі послідовностей їх генів, порядку доменів, гомології послідовностей. Існує близько 50 АТФ-зв᾽язуючих касетних транспортерів, які використовують енергію гідролізу АТФ для переносу молекул середнього розміру через мембрани. Члени ABC суперродини асоціюються з широким спектром фізіологічних функцій, включаючи детоксикацію (ABCB1/MDR1, ABCC1/MRP1), захист від ксенобіотиків та оксидативного стресу (ABCCs/MRPs), процеси абсорбції та секреції (MDRs, MRPs), метаболізму ліпідів (ABCA1, MDR3, ABCGs), представлення антигенів (ABCB2/TAP1 та ABCB3/TAP2). Деякі з них важливі для кишкової абсорбції, такі як CFTR (ABCC7) для регуляції секреції хлору, ABC транспортери A1 та G5/G8 для контролю ефективності абсорбції холестеролу, білок множинної лікарської резистентності 2 типу MRP2 для транспорту фолату через базолатеральну мембрану.

ABCA1 білок відносно добре охарактеризований та вважається, що він залучений у процеси усунення холестеролу та фосфоліпідів з клітини у складі ліпопротеїнів високої щільності. ABCA4 специфічний транспортер у сітківці, який експресується виключно у сітківці, де забезпечує транспорт ретиналю чи його конʼюгатів із зовнішнього диску фоторецептора у цитоплазму. ABCB1 (MDR1/P-глікопротеїн) був вперше описаний як мембранний транспортер, що забезпечує множинну лікарську резистентність пухлинних клітин. MDR1 глікозильований і розташований у плазматичній мембрані, апікальній/люмінальній мембрані поляризованих клітин. Він також присутній у мембранній облямівці ентероцитів, біліарній канулярній мембрані гепатоцитів, люмінальній мембрані проксимальних тубулярних клітин нирок та ендотеліальних клітин. ABCB4/MDR3 та ABCB11/BSEP залучені у транспорт фосфатидилхоліну (ABCB4) та солей жовчевих кислот (ABCB11), відповідно через канулярні мембрани гепатоцитів у жовч. ABCB6-8 в основному напівтранспортери, які локалізовані у внутрішній мембрані мітохондрій та забезпечують гомеостаз металів у мітохондріях. ABCB6 опосередковує транспорт комплексу заліза, ABCB7 та ABCB8 залучені у транспорт гему з мітохондрій у цитозоль.

Родина	Функція	типовий представник
АВСА	відповідальний за транспортування холестеролу та ліпідів	АВСА12
АВСВ	деякі локалізовані у барʼєрах кров-мозок, мітохондріях, печінці і відповідають за транспорт пептидів та жовчі	АВСВ1 ((MDR1)
АВСС	використовується у транспорті іонів, рецепторів клітинних поверхонь, секреції токсинів.	АВСС1 (MRP1)
АВСD	всі використовуються у пероксисомах	ABCD1
ABCE/ABCF	не є справжніми транспортерами, але містять АТР-звʼязуючі домени, які походять з родини АВС, ці білки здебільшого регулюють білковий синтез та експресію	АВСЕ2
ABCG	транспорт ліпідів, жовчі, холестеролу та інших стероїдів	ABCG2 (BCRP)

Білки родини АВС є висококонсервативними і поширені в усіх живих системах. Навіть мітохондрії мають 4 власні АВС транспортери.

Прокаріоти Agrobacterium tumefaciens	135
Гриби/дріжджі Saccharomyces cerevisiae	22
Плазмодій	15
Мітохондрії	4
Людина	48

Na⁺/K⁺-АТФази працюють на базолатеральній мембрані всіх ентероцитів тонкого і товстого кишечника. Кожний АТФ-гідролізуючий цикл супроводжується викачуванням трьох іонів натрію з клітини у базолатеральний простір в обмін на два іони калію. Це забезпечує низьку внутрішньоклітинну концентрацію натрію, що є основною рушійною силою для вторинноактивного транспорту нутрієнтів.

До суперродини внутрішніх мембранних транспортерів розчинених речовин (solute-carrier transporters, SLC) належить велика кількість транспортних білків, включаючи пасивні транспортери, симпортери та антипортери, які транспортують широкий спектр субстратів, включаючи амінокислоти та олігопепетиди, глюкозу та інші моносахариди, неорганічні катіони та аніони, солі жовчевих кислот, карбоксилати та інші органічні катіони, ацетилкоензим А, ессенціальні метали, біогенні аміни, нейротрансмітери, вітаміни, жирні кислоти і ліпіди, аміак, холін, тиреоїдині гормони та сечовину. Прикладом роботи цих транспортерів у кишечнику є натрієвий котранспорт. Специфічні транспортери використовують електрохімічний потенціал для спряженого з натрієм транспорту нутрієнтів. Прикладами натрій-рушійних транспортерів є натрій-глюкозний транспортер 1 (SLC2A2) та амінокислотна транспортна система В^о, які щодня переносять декілька сот грамів нутрієнтів плюс декілька літрів води з просвіту тонкого кишечника. Слід зауважити, що подібні котранспортери на базолатеральній мембрані забезпечують рух нутрієнтів з ентероцитів до кровоносних капілярів та в оберненому напрямку під час голодування для забезпечення власних потреб ентероцитів. Іншим прикладом є хлоридний котранспорт, при якому тауриновий транспортер (TAUT, SLC6A6) використовує хлоридний градієнт для захоплення таурину з просвіту тонкого кишечника.

Обмінники. Деякі транспортери функціонують на основі того, що створений градієнт рухає інший тип молекули у протилежному напрямку. Прикладом цього може бути аніонний транспортер 1 (PAT1, SLC26A6), який використовує рух іонів хлору для руху іонів бікарбонату при нейтралізації хлоридної кислоти шлунку. Група мембрано-укорінених глікопротеїнів з обох сторін ентероцитів використовують нейтральні амінокислоти для руху інших амінокислот у протилежному напрямку. Це означає, що аланін (чи інша спожита нейтральна амінокислота), внутрішньоклітинна концентрація якого зростає після споживання їжі внаслідок роботи натрій-рушійної транспортної системи В^о, рухається назад у кишковий простір для руху цистину у клітину. Згодом аланін знову захоплюється системою В^о.

Полегшена дифузія. Деякі транспортери опосередковують селективний перенос нутрієнтів за їх концентраційним градієнтом. Важливим прикладом є транспортери фруктози (GLUT5, SLC2A5) на люмінальному боці проксимального тонкого кишечника та глюкозний транспортер 2 (GLUT2, SLC2A2) на базолатеральній стороні.

Протонний котранспорт. Na⁺/H⁺-обмінник 3 (NHE3) з люмінальної сторони та Na⁺/H⁺-обмінник 2 (NHE2) з базолатеральної викачують протони з ентероцитів для створення відчутного протонного градієнту. Згодом протони (іони водню) можуть забезпечувати рух нутрієнтів подібно до натрію. Прикладом такого протон-рушійного транспортеру є транспортер монокарбоксильних кислот 1 типу (MCT1, SLC16A1) для лактату, пірувату, ацетату, пропіонату, бензоату і нікотинату та гідроген/пептидний котранспортер 1 типу.

Внутрішньоклітинна трансформація. Фосфорилювання та інші хімічні зміни звичайно відбуваються після всмоктування нутрієнтів з метою перешкоджання їх поверненню у просвіт кишечника. Прикладом такого «захоплення» нутрієнта є абсорбція вітаміну В₆. Піридоксиновий перенощик сприймає лише вільний піридоксин, а перетворення до піридоксинфосфату завжди зміщує рівновагу надходження піридоксину всередину.

Нутрієнти також метаболізуються з метою отримання енергії для швидко проліферуючих клітин кишечика. Глутамін, наприклад, є основним джерелом енергії та азоту для кишечника і лише незначна його частина після всмоктування потрапляє до кровоносних капілярів. Частина глутаміну в ентероцитах використовується також для синтезу орнітину і цитруліну, які експортуються для їх подальшого використання у циклі сечовини в печінці і нирках, а також для синтезу аргініну.

Трансцитоз. Пристінкова мембрана здатна вп᾽ячуватися і зв᾽язуватися з везикулярними структурами клітини (ендоплазматичним ретикулумом), які забезпечують секрецію речовин у базолатеральний бік. За цим ендосомним механізмом можуть транспортуватися пептидні гормони кишечника, так само як і незначні кількості харчових білків та пептидів. Цей механізм пояснює як білки коров᾽ячого молока чи глютен можуть, уникаючи розщеплення, потрапляти у кровоносне русло.