Пассивный транспорт воды

Не существует молекулярных механизмов активного транспорта воды, подоб­ных мембранному белку, активно транспортирующему Na⁺, например Na⁺,К⁺-АТФаза. Вода может перемещаться либо по градиенту гидростатического, либо по градиенту осмотического давления, и поскольку гидростатический градиент через эпителий кишечника равен нулю, то основным механизмом транспорта воды является осмотический градиент.

Термин "осмотическое давление" был долгое время не очень понятным для студентов и практических врачей как минимум по двум причинам. Во-первых, он означает, что существует еще какое-то давление, помимо гидростатического. На самом деле "осмотическое давление" является неправильным термином, который появился только из-за того, что градиент растворенных веществ повышает гидростатическое давление в осмометре. Лучшим названием было бы "осмотический потенциал".

Осмотическое давление , обычно выражается как

 = RTC_s,

где: C_s — общая концентрация растворенных веществ в осмолях/кг Н₂О. Разница в осмотических давлениях через кишечный эпителий выражается как , то есть

 = RTC_s.

Здесь мы видим вторую причину неясности термина "осмотическое давление".  является пассивной силой, возникающей из-за разницы в концентрации воды, но для удобства выражается в виде разницы в концентрации солей. Поэтому необ­ходимо понимать, что градиент растворенных веществ определяет градиент кон­центрации воды; оба этих градиента определяют реальную направленность движе­ния воды из зоны ее высокой концентрации в зоны с высокой концентрацией ра­створенных веществ.

Еще одно важное обстоятельство заключается в том, что общий осмотический эффект растворенных веществ более выражен, если это растворенное вещество находится в каком-то ограниченном объеме. Например, при непереносимости лак­тозы неабсорбированная глюкоза не может покинуть просвет кишечника и создает выраженный осмотический эффект, вызывая осмотическую диарею. Понятие ос­мотической диареи основано на том факте, что причиной секреции воды в некото­рых случаях является неабсорбируемый осмотический эквивалент. Необходимо также помнить, что все перемещения воды происходят посредством осмотических механизмов, хотя причины осмотических нарушений (как и при секреторной диа­рее) не всегда понятны.

Слизистая оболочка тонкой кишки легко проницаема для воды

Перемещение больших объемов воды через стенку кишечника предполагает, что эпителий кишечника легко для нее проницаем, поскольку через малопроница­емый барьер даже при высоком осмотическом градиенте перемещения молекул воды не происходит. Принципы, по которым действуют механизмы транспорта воды че­рез мембраны, аналогичны закону Ома для электричества: поток воды пропорцио­нален осмотическому давлению и степени проницаемости мембраны для воды.

Подобно другим веществам, проникающим через кишечный эпителий, вода проходит либо трансцеллюлярно, либо через межклеточные соединения и простран­ства. Молекулярные механизмы этих путей транспорта воды недостаточно хоро­шо изучены, однако знание действия подобных механизмов в других органах, на­пример в почках, позволяет проводить определенные аналогии. Исследование про­стого липидного бислоя, являющегося нормальным структурным компонентом мембраны многих клеток, показало, что он достаточно хорошо проницаем для воды. Поэтому некоторое время считали, что транспорт воды происходит через липид­ный слой клетки. Однако в последнее время получены данные о существовании в клеточной мембране особого класса белков, служащих каналами для проведения воды. Возможно эти белки, или что-то похожее на них, могут отвечать за проница­емость энтероцитов для воды. Еще меньше изучены механизмы межклеточного транспорта воды, хотя известно, что часть воды проходит именно этим путем (рис. 5-5).

Рис. 5-5. Трансцеллюлярный и интерцеллюлярный пути транс­порта воды

Транспорт солей определяет транспорт воды

Еще в ранних работах по исследованию транспорта веществ в кишечнике по­казано, что в норме абсорбция воды и электролитов происходит таким образом, что, несмотря на большие объемы перемещения электролитов и воды, содержимое ки­шечника остается изотоничным плазме крови. Эти данные не позволили прежним исследователям объяснить, как происходит всасывание воды, если нет градиента осмотического давления, поэтому казалось, что существует механизм активного транспорта воды в кишечнике. Позже было показано, что всасывание воды проис­ходит исключительно пассивно посредством осмотического градиента, возникаю­щего вследствие всасывания электролитов, и что оба этих процесса тесно связаны. Отсутствие реальной разницы осмотических давлений в стенке кишечника являет­ся следствием действия двух факторов. Первый — высокая проницаемость стенки кишечника для воды предполагает настолько маленький трансэпителиальный ос­мотический градиент (), необходимый для всасывания воды, что его трудно оп­ределить экспериментально. Второй, по-видимому, связан с тем, что в межклеточ­ных латеральных пространствах происходит кумуляция солей, что создает мест­ный локальный градиент, способствующий перемещению жидкости. Главный принцип остается прежним — всасывание воды происходит пассивно вследствие транс­порта солей, преимущественно NaCl. Это является ключом к пониманию того, что именно нарушение транспорта солей — основная причина многих видов диареи.

Секреция жидкости в кишечнике также регулируется секрецией солей клет­ками, расположенными в криптах. Термин "секреторная диарея" является следстви­ем того факта, что бактериальные токсины и другие агенты могут вызывать повы­шенную стимуляцию секреции солей в просвет кишечника с соответствующим объе­мом секреции воды. Причина этого — нарушение молекулярных механизмов конт­роля, которые в норме регулируют кишечную секрецию.

Поверхностные клетки и клетки крипт специализированы для абсорбции и секреции

Абсорбция и секреция солей, приводящие к перемещению воды через стенку тонкой кишки, осуществляются специализированными клетками эпителия. Абсорб­ция осуществляется эпителиальными клетками ворсинок, которые активно абсор­бируют Na⁺. Секреция производится клетками, расположенными в криптах, кото­рые активно перемещают Cl^–. Несмотря на то, что эти клетки активно транспорти­руют столь разные ионы, параллельно осуществляется и котранспорт: абсорбция Na⁺ не может происходить без абсорбции Cl^–, а секреция Cl^– происходит с парал­лельным перемещением Na⁺. Активный транспорт является основой перемещения ионов, а перемещение ионов с противоположным зарядом — также неотъемлемая часть этого процесса.

На Рис. 5-6 показаны молекулярные механизмы транспорта солей клетками ворсинок и крипт в тонкой кишке. В обоих типах клеток вектор транспорта ионов связан с выраженным полярным распределением мембранных белков, которые способствуют транспорту ионов через апикальные и базолатеральные участки мем­браны клеток. В настоящее время найдены и специальные гены, ответственные за синтез этих белков.

Особой структурой как в абсорбирующих, так и в секретирующих клетках является Na⁺,K⁺-ATФaзa. Этот транспортный белок расположен исключительно на базолатеральных участках мембраны клеток кишечника и связывает непосред­ственно процессы ионного транспорта и энергетические процессы в клетках. Na⁺,K⁺-АТФаза поддерживает низкий уровень внутриклеточного Na⁺ и высокую концент­рацию внутриклеточного К⁺ за счет гидролиза АТФ. Na⁺,K⁺-ATФaзa создает гра­диенты концентраций Na⁺ и K⁺, необходимые для поддержания абсорбционной и секреторной активности в эпителиальных клетках кишечника.

Абсорбирующие клетки

Мембрана щеточной каемки абсорбирующих клеток специализирована в от­ношении пассивного транспорта Na⁺ в клетки из просвета кишки. В тонкой кишке это происходит преимущественно двумя путями. Первый путь: антипорт Na⁺/H⁺, специализирующийся на катализе обмена этих ионов в соотношении 1:1. При этом ионы натрия входят в клетку, а протоны водорода выходят из клетки. Второй меха­низм — котранспортер Na^+/глюкоза, переносящий внутрь клетки ионы Na⁺ и моле­кулы глюкозы в соотношении 1:1, либо в соотношении 2:1. Таким образом, в при­сутствии глюкозы Na⁺ поступает в клетку вместе с ней. В этом механизме свобод­ная энергия натриевого градиента способствует абсорбции глюкозы. Однако необ­ходимо отметить, что наличие глюкозы в просвете кишки резко повышает абсорб

Рис. 5-6. Молекулярные механизмы транспорта веществ клетками ворсинок и крипт в тонкой кишке. Показаны некоторые мембранные белки, участвующие в транспорте солей через апикальные и базола­теральные участки мембраны. Разница электрических потенциалов (V_m) между апикальными и базо­латеральными участками мембран абсорбирующих и секретирующих клеток ориентирована таким образом, что клетки относительно экстрацеллюлярной жидкости имеют отрицательный заряд. Вели­чина V_m на базолатеральном участке мембраны больше, чем V_m апикального участка мембраны, поэто­му трансэпителиальный электропотснциал, измеренный через слой эпителиальных клеток, является отрицательным со стороны просвета кишки

цию натрия, усиливая его проникновение в клетки. Этот механизм лежит в основе использования растворов глюкозы перорально для регидратации больных с диаре­ей, так как глюкоза повышает абсорбцию Na⁺ и воды. Растворы, содержащие толь­ко необходимые электролиты, менее эффективны, поскольку они не стимулируют глюкозозависимый транспорт Na⁺ в клетки.

Na⁺,K⁺-ATФaзa базолатерального участка мембраны и белки-переносчики Na⁺ в апикальных отделах мембраны клеток отвечают за трансцеллюлярный перенос Na⁺ из просвета кишки в кровь; поэтому активный транспорт Na⁺ — основной меха­низм абсорбции солей и воды. Абсорбция Сl^–, соответствующая абсорбции натрия, происходит двумя путями. Часть Сl^– абсорбируется из межклеточного простран­ства благодаря слабому электрическому потенциалу, отрицательному со стороны просвета кишки. Кроме этого, существует и трансцеллюлярный механизм абсорб­ции Сl^–, обеспечиваемый Сl^–/НСО₃^–-антипортом в апикальном участке мембраны. Механизм транспорта хлора через базолатеральный участок мембраны пока не со­всем понятен: это может быть либо Сl^–-селективный канал, либо Сl^–,K⁺-котранспортер. Образование Н⁺ и НСО₃^– из угольной кислоты с помощью карбоан­гидразы способствует сочетанному транспорту Na⁺ и Сl^–.