3. Транспорт через клетку.

3.1. Термодинамика транспорта через клетку.

В предыдущем параграфе мы рассмотрели механизмы переноса молекулы через мембрану. Однако при трансэпителиальном переносе вещества должны пересечь две мембраны: апикальную и базолатеральную. Эти два перехода осуществляются для каждого вещества в принципиально разных условиях. Для примера рассмотрим всасывание Na⁺ в проксимальном канальце почки. Ион входит в клетку через апикальную мембрану, двигаясь по электрическому градиенту (поло­жительно заряженный ион в отрицательно заряженную клетку) и по концентрационному (в клетке натрия мало, содержание его в жидкости проксимального канальца близко к содержанию в плазме крови). Следовательно, перенос натрия здесь термодинамически выгоден, возможен пассивный транспорт. Более того, энергия этого переноса может использоваться для перемещения еще какого-нибудь вещества по механизму вторично активного транспорта. На базолатеральной мембране складывается прямо противоположная ситуация — здесь поток натрия направлен из клетки во внеклеточную среду и идет против электрохимического градиента. Следовательно, его должны переносить первично или/и вторично активные транспортеры. Подобным образом обстоят дела и для подавляющего большинства других веществ, переносимых через эпителий: если молекула входит в клетку по электрохимическому градиенту, пассивно, то покидает ее посредством активного транспорта; если забрасывать в клетку ее приходится с затратами энергии, то покидает клетку она, как правило, по электрохимическому градиенту, освобождая энергию. Очевидно, вход молекулы против электрохимического потенциала означает рост ее потенциальной энергии, выход по электрохимическому потенциалу — ее падение. Примерные графики потенциальной энергии молекул при трансэпителиальном переносе представлены на Рис. 5. Рассмотрим вначале кривую m­­₁. Легко видеть, что при перемещении этого вещества из интерстиция в просвет его потенциальная энергия возрастает как на базолатеральной мембране (на величину E₂-E­₁), так и на апикальной (на величину E₃-E₂). Поскольку эти энергии должны откуда-то взяться, транспорт в обоих случаях должен быть активным. Очевидно, работа, совершаемая при переносе молекулы через эпителий в целом, равна сумме энергий переноса через каждую мембрану:

(3.1) где P_te1­ — работа трансэпителиального переноса одной молекулы m₁. Таким образом, если перенос молекулы осуществляется против электрохимического градиента как на базолатеральной, так и на апикальной мембране, то работа переноса через эпителий равна разности потенциальных энергий молекул в интерстиции и в просвете.

А как обстоит дело, если в одном случае перенос происходит по электрохимическому градиенту, а в другом случае — против? Рассмотрим кривую m₂. Видно, что при переходе через апикальную мембрану из просвета в клетку ее потенциальная энергия возрастает с E₄ до E₅. Следовательно, транспорт здесь должен быть активным (может быть, вторично активным). При переходе базолатеральной мембраны потенциальная энергия молекулы падает, что приводит к освобождению энергии E₅-E₆, которая может быть использована для вторично активного транспорта какого-нибудь другого вещества, например, того, график которого представлен кривой m₃³ Если предположить, что используется и, таким образом, «возвращается» клетке вся эта энергия, то работа переноса вещества m₂ через эпителий в целом, составит

(3.2) то есть, как и в предыдущем случае, она оказывается равна разности потенциальных энергий молекулы до переноса и после⁴. Если же, как это происходит на самом деле, только часть энергии, освобождаемой при переносе молекулы по электрохимическому градиенту, будет использована для вторично активного транспорта, то затраты на перенос веществ окажутся несколько большими.

Таким образом, как в случае активного транспорта через обе мембраны, так и тогда, когда перенос через одну (обе) мембраны является пассивным, работа трансэпителиального переноса моля данного вещества больше или равна произведению разности потенциальных энергий молекулы после и до переноса на число Авогадро: Для веществ, переносимых из просвета в интерстиций (всасываемых), это неравенство приобретает вид:

(3.3) где P_tea — работа трансэпителиального переноса молекулы абсорбируемого вещества a, E_ina — потенциальная энергия молекулы вещества a в интерстиции, E_la — ее потенциальная энергия в просвете, N — число Авогадро. Для вещества, переносимого из интерстиция в просвет (секретируемого):

, (3.4) где P_tes — работа трансэпителиального переноса молекулы секретируемого вещества s, E_ins — потенциальная энергия молекулы вещества s в интерстиции, E_ls — ее потенциальная энергия в просвете.

Если это так, то минимальная работа по транспорту всех веществ, переносимых данным эпителием, больше или равна разности потенциальных энергий всех молекул до переноса и всех молекул после него.

Предположим, что данный эпителий абсорбирует (всасывает) n различных веществ и обозначим как _i количество абсорбируемого вещества i. Предположим так же, что он секретирует k различных веществ и обозначим количество секретируемого вещества j как _j. Тогда описанное неравенство имеет вид:

, (3.5) где P_te — работа трансэпителиального переноса, E_li и E_lj — потенциальная энергия находящейся в просвете молекулы вещества i или j, соответственно, E_ini и E_inj — потенциальные энергии тех же молекул в интерстиции. Следует подчеркнуть, что формула 3.5 представляет собой равенство только в том случае, когда выполняются два условия: (1) Энергия, освобождаемая при переносе всех молекул, перемещаемых через мембраны по электрохимическому градиенту, используется для вторично активного транспорта и (2) вся эта энергия используется целиком. В действительности, условие (1) обычно не выполняется: некоторые молекулы пересекают мембраны через каналы, посредством облегченной диффузии и освобождаемая при этом энергия для клетки теряется; условие (2) не выполняется никогда: в § 2.2 мы говорили, что направление переноса при сопряженном транспорте определяется той молекулой (молекулами), для которой энергия перехода выше. Очевидно, если энергии перехода равны (как требуется для условия (2)), то транспорт вообще не будет осуществляться. Следовательно, только часть энергии, освобождаемой при пересечении мембраны молекулой, может быть использована для вторично активного транспорта. В силу этих соображений, формула 3.5 в действительности может быть записана как строгое неравенство; P_te может сколь угодно приблизиться к его правой части, но никогда не оказывается ей равно.

Зададимся теперь вопросом: чему была бы равна P_te без сопряженного (вторично активного) транспорта? Вернемся к рис. 5, кривой m₁. Мы говорили, что, благодаря использованию энергии перехода этой молекулы через базолатеральную мембрану, суммарная работа по ее переносу через эпителий составляет E₆-E₄, что в данном случае меньше нуля. Очевидно, без этого использования, нам пришлось бы полностью «оплатить» переход с уровня E₄ до E₅. Таким образом, не вдаваясь в подробности (которые Вы теперь, пользуясь нашим методом, можете рассмотреть самостоятельно), отметим, что без сопряженного транспорта трансэпителиальный перенос веществ требовал бы затрат энергии, в несколько раз больших, так как приходилось бы полностью «оплачивать» переходы молекул с более низкого энергетического уровня на более высокий, как при входе в клетку, так и при выходе. Итак, по крайней мере отчасти, смысл вторично активного транспорта — в экономии энергии.

3.2. Транспорт через клетку: сопряжение потоков.

Очевидно, потоки любого вещества через обе мембраны дол­жны быть согласованы. Это означает, что при физиологических концентрациях данного вещества с базолатеральной стороны, в клетке и с апикальной стороны, транспорт через обе мембраны должен происходить с равной скоростью. Отчасти это согласование происходит автоматически. Вернемся к только что рассмотренному примеру. Увеличение потока иона через апикальную мембрану (например, при возрастании его концентрации в просвете канальца) приведет, очевидно, к росту его концентрации внутри клетки, что увеличит выгодный для транспорта градиент на базолатеральной мембране и, тем самым, увеличит скорость переноса через нее. Однако возможности такого автоматического согласования потоков ограничены. Во-первых, увеличение концентрации Na⁺ внутри клетки уменьшает электрохимический градиент на апикальной мембране и снижает эффективность транспорта через нее. Во-вторых, возрастание концентрации Na⁺ внутри клетки физиологически не безразлично. Следовательно, должны существовать механизмы, позволяющие согласованно регулировать активность переносчиков на обеих мембранах. Существование сопряженного транспорта делает эту проблему еще более сложной. Действительно, если некоторое вещество входит в клетку через апикальную мембрану путем ко­тран­спорта с другим веществом, то регулировать потоки этих веществ по отдельности оказывается невозможным. В силу вышеизложенного, при изучении трансэпителиального переноса любого вещества, следует рассматривать транспортную систему для этого вещества, в которую входят согласованно функционирующие переносчики через апикальную и базолатеральную мембраны.

Если активность транспортеров должна быть согласована, то существуют механизмы ее регуляции. Кроме того, активность транспортных систем должна меняться при изменениях физиологического состояния организма в целом. Так, при поступлении с пищей большого количества соли оказывается необходимым вывести избыток ионов Na⁺ и Cl^-. Каким образом можно изменить скорость транспорта через мембрану? Для этого существуют, и реально используются, две возможности: изменить количество молекул транспортера на мембране и изменить функциональную активность существующих молекул. Первая из этих возможностей обычно предполагает синтез нового белка (или удаление из мембраны и деградацию существующего), вторая предполагает связывание молекул транспортера с ингибиторами или активаторами. Так, весьма общим механизмом изменения активности белков (в том числе и транспортеров), является их фосфорилирование протеинкиназами. Очевидно, в большинстве случаев второй путь реализуется быстрее, но возможности его сравнительно ограниченны. Второй путь регуляции не всегда бывает медленным, поскольку удаление транспортеров из мембраны не обязательно сопровождается их деградацией. Они могут сохраняться в гранулах цитоплазмы и оттуда вновь быстро встраиваться в мембрану. Именно этот механизм реализован в регуляции водной проницаемости собирательной трубки в почке.

Поскольку сопряженный транспорт позволяет экономить энергию, но создает трудности при регуляции потоков индивидуальных молекул, то наиболее широко используется он там, где осуществляется массивный, но мало регулируемый транспорт, например, в проксимальных канальцах почек. Напротив, там, где объем транспорта сравнительно невелик, но нужна тонкая настройка, преобладает транспорт через каналы и первично активные транспортеры индивидуальных молекул. Примером такого эпителия может служить дистальный каналец почки.

3.3 Транспорт через клетку: трансэпителиальная разность потенциалов.

В § 2.2 мы говорили, что транспорт ионов может быть электрогенным (со­про­вож­даться переносом заряда). Поскольку, как мы выяснили, наборы переносчиков и каналов на апикальной и базолатеральной мембранах различны, естественно предположить, что величины трансмембранной разности потенциалов на этих двух мембранах так же различны. Действительно, Na⁺/K⁺-АТФаза обычно сосредоточена на базолатеральной мембране, так что ее потенциал обычно больше, чем потенциал апикальной мембраны. Вследствие этого, интерстиций обычно заряжен положительно по отношению к просвету (см. Рис. 6). Эта разность потенциалов является одной из движущих сил межклеточного транспорта. Кроме того, различные трансмембранные разности потенциалов на апикальной и базолатеральной мембранах приводят к тому, что, даже при одинаковых концентрациях некоторого иона с базолатеральной и апикальной стороны, электрохимический потенциал на апикальной мембране может благоприятствовать его выходу из клетки, а на апикальной — входу. В частности, такая ситуация складывается для Cl^- в кишечнике. Концентрация этого иона в клетке существенно меньше, чем вне клетки (Табл. 1), так что концентрационный градиент благоприятствует переходу его в цитоплазму. Однако, трансмембранный потенциал стремится выбросить его из клетки. Оказывается, на базолатеральной мембране заряд достаточен для того, чтобы ток хлоридных каналов был направлен из клетки, тогда как на апикальной мембране, где при физиологических условиях разность потенциалов меньше, ток хлоридных каналов направлен из просвета в клетку.

И



спользование сопряженного транспорта различных веществ позволяет снизить расход энергии на трансэпителиальный перенос, приблизив его к минимальной величине, определяемой формулой 3.5, но он же определяет необходимость существования сложных транспортных систем, состоящих из нескольких переносчиков апикальной и базолатеральной мембраны, функционирующих согласованно. Регуляция активности компонентов таких систем может осуществляться как путем встраивания (удаления) молекул переносчика в мембрану (из мембраны), так и путем изменения активности имеющихся молекул. Разные наборы транспортеров апикальной и базолатеральной мембран определяют существование трансмембранного потенциала, интерстиций при этом заряжен обычно положительно по отношению к просвету.