И ллюстрации

Р ис. 3. Гипотетическая схема работы Na⁺-глюкозного ко­транс­портера (изоформа SGLT2). Отметим сразу, что трехмерная структура этого белка, как и детали конформационных изменений, неизвестна. Ясно, во всяком случае, что в действительности белок не переворачивается в мембране. Ясно так же, что в ходе конформационных изменений сайты связывания Na⁺ и глюкозы попеременно обращаются в цитоплазматическую или внеклеточную сторону мембраны. Кроме того, известно, что сродство этого переносчика (как и вообще всех переносчиков, за исключением первично активных) к субстрату не меняется в зависимости от ориентации сайтов связывания.

1. Оба сайта связывания (с Na⁺ и с глюкозой) свободны и обращены во внеклеточную сторону. Сродство к глюкозе — низкое. В этом положении белок может выполнить конформационное преобразование, перейдя в положение 6. Тогда будет выполнен "пустой" цикл. Однако скорость такого преобразования невелика. Кроме того, белок может связаться с Na⁺, перейдя в положение 2.

2. Оба сайта связывания обращены наружу, транспортер связан с Na⁺. Связывание с натрием резко повышает сродство к глюкозе и уменьшает вероятность конформационного перехода. Возможен возврат к 1 или, с большей вероятностью — из-за высокого сродства к глюкозе — переход к 3.

3. Транспортер связан с глюкозой и натрием. Возможен быстрый конформационный переход в 4.

4. Оба сайта связывания заняты и обращены в сторону цитоплазмы. Концентрация Na⁺ здесь низка, он удаляется с сайта связывания (переход в 5).

5. Сайт связывания Na⁺ свободен, сродство к глюкозе — низко. Глюкоза освобождается (переход к 6).

6. Сайты связывания обращены внутрь и свободны. Поскольку натрия здесь мало, связывание с ним маловероятно. Происходит возврат к 1.

Итак, поведение данного белка симметрично относительно ориентации сайтов связывания, так что он способен переносить Na⁺ и глюкозу как в клетку, так и из нее. Однако, условием связывания с глюкозой является связывание с Na⁺. Поскольку [Na⁺] вне клетки на порядок выше, чем внутри клетки, переносы из внеклеточной среды в цитоплазму при нулевом трансмембранном потенциале осуществляются приблизительно на порядок чаще, чем в противоположном направлении, что и обеспечивает результирующий направленный транспорт. Отрицательный заряд внутренней стороны мембраны еще на порядок увеличивает отношение числа переносов внутрь к числу переносов наружу.

Р ис. 4. Скорость транспорта (моль субстрата на моль транспортера в секунду) как функция концентрации субстрата (ммоль/л) для типичного переносчика (a) и для типичного канала (b). Оба типа транспортных белков подчиняются уравнению Михаэлиса-Ментен, однако K_m переносчика равна всего нескольким ммоль, так что максимальная скорость транспорта достигается уже при концентрациях, лишь немногим превышающих физиологические, тогда как K_m каналов в типичном случае составляет около 300 ммоль, так что при физиологических условиях наблюдается почти линейная зависимость скорости транспорта от концентрации.

Р ис. 5. Показан слегка упрощенный график изменений потенциальной энергии трех молекул при трансэпителиальном переносе. Изменение энергии (ось ординат) представлено как функция положения молекулы на линии просвет-интерстиций (ось абсцисс). Точка L₀ соответствует наружной поверхности апикальной мембраны, L₁ - внутренней ее поверхности, L₂ и L₃ - внутренняя и наружная поверхности базолатеральной мембраны. Пространство левее L₀ находится в просвете, L₀-L₁ - в толще апикальной мембраны, L₁-L₂ - внутри клетки, L₂-L₃- толща базолатеральной мембраны, правее L₃ - межклеточный матрикс. Данные графики предполагают, что концентрации транспортируемых веществ в каждом из трех компартментов (просвет, клетка, интерстиций) постоянны на всем протяжении каждого из них (как если бы внутри компартмента жидкость постоянно перемешивалась) и что она меняется линейно в толще мембраны. Это и есть упомянутые упрощения. Кривая m₁ соответствует молекуле, которая при перемещении из интерстиция в просвет требует активного переноса как через базолатеральную мембрану, так и через апикальную, при движении в обратную сторону может пересекать обе мембраны пассивным транспортом. m₂ при движении из просвета в интерстиций переносится активно через апикальную мембрану и может пассивно пересечь базолатеральную. При движении в обратном направлении - наоборот. Самостоятельно разберитесь с молекулой m₃. E₁-E₃ - энергетические уровни молекулы m₁ в интерстиции, в клетке и в просвете; E₄-E₆ - энергетические уровни m₂ в просвете, в клетке и в интерстиции.

Р ис.7. Структура плотного контакта. Контакт образован молекулами окклудина, пронизывающими мембраны соседних клеток, и образующих гидрофобные контакты между собой. Внутриклеточные сегменты окклудина через ZO-белки связаны с актиновым цитоскелетом.

Р ис. 8. Схема работы всасывающего эпителия с учетом межклеточного пути транспорта.

Таблицы

Таблица 1. Основные ионы плазмы крови, интерстициальной жидкости и цитоплазмы (Ммоль/кг. воды)

Ионы	Плазма крови	Тканевая жидкость	Цитоплазма
Na+	146	142	14
K+	4,2	4,0	150*
Ca2+	2,5	2,4	10-5
Mg2+	1,5	1,4	31
Cl-	105	108	4*
HCO3-	27	28,3	10
HPO42- H2PO4-	2	2	11
SO42-	0,5	0,5	1

* Концентрации этого иона в разных клетках могут отличаться в широких пределах (на порядок). Здесь приведены величины, характерные для мышечной и нервной тканей.

Таблица 2. Основные мембранные транспортеры и каналы, участвующие в эпителиальном транспорте

Транспортер	Субстраты, стехи­ометрия, направление переноса	Локализация	Ингибиторы
Первично активные транспортеры
Na+/K+-АТФаза	3Na+ из клетки 2K+ в клет­ку на гид­­ролиз мо­лекулы АТФ	Во всех клетках организма. В эпителиях - на базолатеральной мембране.	Оуабаин, другие гликозиды
H+/K+-АТФаза	1 H+ из клетки, 1 K+ в клетку на 1 гид­ролиз АТФ	Толстый кишечник, обкладочные клетки желудочных желез, вставочные клетки собирательной трубки. Апикальная мембрана.
H+ АТФаза	1 H+ из клетки на 1 гидролиз АТФ	Повсеместно как регулятор клеточной pH. Важность для эпителиального транспорта точно не установлена.
Ca++ АТФаза	2 Ca++ из цитоплазмы на 1 гидролиз АТФ.	Повсеместно. Во всасывающих эпителиях - на базолатеральной мембране.
Котранспортеры и обменники
Na+:K+:2Cl- котранспортер	Перемещает 1 Na+:1 K+:2 Cl-, чаще – внутрь клетки	Толстый кишечник - на базолатеральной мембране, толстый восходящий сегмент петли Генле - на апикальной. В кишечнике обеспечивает секрецию, в петле Генле - всасывание.	Фуросемид, глибенкламид, буметанид
Анионный обменник	1HCO3-/1Cl-, чаще Cl- в, HCO3- - из клетки.	Тонкий кишечник (апикальная мембрана), проксимальный каналец - базолатеральная.	DIDS
Na+:HCO3- котранспортер	1 Na+:3HCO3- из клетки.	Тонкий кишечник и проксимальный каналец, базолатеральная мембрана.	DIDS
Na+/H+ обменник	1 Na+ в клетку, 1 H+ - из клетки.	Изоформы NHE1 и NHE2 - повсеместно, как регуляторы внутриклеточной pH, NHE3 - на апикальной мембране в тонком кишечнике, проксимальном и дистальном канальцах, корковом отделе собирательной трубки.	Этилизопро­пил­амилорид (EIPA)
Na+/Ca++ обменник	3 Na+ в клетку, 1 Ca++ из клетки	Базолатеральная мембрана дистального извитого канальца и собирательной трубки
Na+:Cl- котранспортер	1 Na+:1 Cl- в клетку	Дистальная часть тонкого кишечника и дистальный извитой каналец. Апикальная мембрана.	Тиазид
Na+-суль­фат­ный котранспортер	3 Na+:1 SO42- в клетку	Тонкий кишечник, гл. обр. подвздошная кишка, проксимальный каналец почек	phosphono­formiс acid (PFA)
Na+-фосфат­ный котранспортер	3 Na+:1HPO42- в клетку	Тонкий кишечник, проксимальный извитой каналец
Na+- глюкозный котранспортер	Глюкоза:Na+ 1:2 (SGLT1); 1:1 (SGLT2) в клетку	Апикальная мембрана тонкого кишечника и проксимального канальца почки	Флоретин, флоризин
Na+-аминокислотные котранспортеры	1 аминокислота : 1 Na+ в клетку	Апикальная мембрана тонкого кишечника и проксимального канальца. Группа транспортеров с разной специфичностью в отношении разных аминокислот. Точный состав группы не установлен, мы рассматриваем их все вместе.	Флоретин
Ионные каналы
Натриевый эпителиальный канал (ENaC)	1 Na+ в клетку	Дистальный извитой каналец и собирательная трубка, толстая кишка. Апикальная мембрана	Амилорид
Эпителиальный калиевый канал (ROMK)	1 K+ из клетки	Базолатеральная мембрана проксимального и дистального канальцев и кишечника, апикальная мембрана дистального извитого канальца и собирательной трубки	Глибенкламид
Хлоридный эпителиальный канал	1 Cl-, направление транспорта вариабельно	Почти все транспортные эпителии, как на апикальной, так и на базолатеральной мембране. Главный путь входа Cl- в клетку через апикальную мембрану в тонком кишечнике, главный путь выхода через базолатеральную — в толстом сегменте петли Генле.	NPPB
Кальциевый эпителиальный канал (ECaC)	1 Ca++ в клетку	Дистальный извитой каналец и собирательная трубка. Апикальная мембрана.	Mn++, конкурирует с Ca++ за транспорт

Примечания к Таблице 2.1.

1. Во всех случаях, кроме первично активных транспортеров-АТФаз, направление транспорта зависит от электрохимического потенциала, а не от свойств транспортного белка. В данной таблице мы имели в виду направление транспорта при физиологических условиях.

2. Специально отметим, что здесь перечислены только те каналы, которые участвуют в трансэпителиальном переносе веществ. Так, ENaC, ROMK и ECaC — это именно и только эпителиальные каналы, отличающиеся от потенциал-чувствительных каналов, от которых зависит возбуждение клетки.

3. В этой таблице не рассматриваются переносчики органических веществ и микроэлементов.

4. Сокращения: NPPB - нитро-2-(3-фенил­пропил­амино)-бензоат, DIDS - 4,4,'-диизотиоцианато­стильбен-2,2-дисульфоновая кислота.

Предметный указатель

Аквапорины, 26

Всасывание, 4

Ионные насосы, 12

Мембранные каналы, 10

проницаемость, 11

селективность, 10

условия открытия/закрытия, 11

Окклудин, 23

Переносчики, 9, 11

котранспортеры, 13

глюкозо-натриевый, 13, 31

обменники, 13

Плотные контакты, 6, 23

Плотные эпителии, 24

Поляризация клеток эпителия, 6

Протекающие эпителии, 24

Разность электрических потенциалов

трансмембранная, 8

трансэпителиальная, 21

Секреция, 4

Трансмембранная разность химических потенциалов, 8

Транспорт

активный, 9, 17

вторично активный, 13, 19

первично активный, 12

межклеточный, 22

следование за растворителем, 25

пассивный, 10, 17

облегченная диффузия, 14

электрогенный, 12

Функциональные типы эпителия, 5

защитный, 5

обменный, 5

ресничный, 5

секреторный, 5

транспортный, 5

Электрохимический потенциал, 9