Механизмы эпителиального транспорта: параклеточный и трансклеточный перенос ионов и воды

Как указано ранее, эпителиальные клетки выстилают полые органы и трубки, выполняя ключевую роль в регуляции всасывания и секреции веществ через эти поверхности. Одна поверхность эпителиальной клетки обычно обращена к просвету, заполненному жидкостью, а соответствующая плазматическая мембрана называется апикальной мембраной (или люминальной мембраной; см. рисунки 1.2 и 3.9). Противоположная поверхность клетки прилегает к сети кровеносных сосудов, и её мембрана обозначается как базолатеральная мембрана (также известная как серозная мембрана). Указанные два мембранных домена различаются по составу и функциям, что обеспечивает направленный транспорт через эпителиальный слой.

Существуют два основных пути проникновения веществ через слой эпителиальных клеток. Первый путь — параклеточный, при котором диффузия происходит между соседними клетками через межклеточные пространства. Второй путь — трансклеточный, когда вещество входит в эпителиальную клетку через апикальную или базолатеральную мембрану, диффундирует через цитозоль и выходит через противоположную мембрану (рис. 4.22). Параклеточная диффузия существенно ограничена наличием плотных соединений между соседними клетками, формирующих непрерывное уплотнение вокруг апикального конца каждой клетки (глава 3). Хотя небольшие ионы и вода могут частично диффундировать через плотные соединения, общая степень параклеточного переноса лимитируется как плотностью этих контактов, так и относительно малой площадью поверхности, доступной для данного пути.

Рисунок 4.22. Два основных пути, по которым вода и растворенные вещества перемещаются по эпителию, показаны здесь как перемещение из просвета трубки или полой камеры в кровь.

При трансклеточном транспорте перемещение молекул через плазматические мембраны эпителиоцитов осуществляется с помощью механизмов простой диффузии и опосредованного транспорта. Однако характеристики проницаемости апикальной и базолатеральной мембран не идентичны: эти домены часто содержат разные ионные каналы и различные транспортеры. Благодаря этим различиям вещества могут перемещаться из области низкой концентрации на одной стороне эпителия в область высокой концентрации на противоположной стороне. Классическими примерами служат всасывание питательных веществ из желудочно-кишечного тракта в кровь, транспорт веществ между почечными канальцами и кровью при образовании мочи, а также секреция ионов и воды железами (например, потовыми железами).

На рисунках 4.23 и 4.24 представлены два различных примера активного переноса через эпителий. Ионы натрия (Na⁺) активно транспортируются через большинство эпителиальных слоёв из просвета в кровеносную систему. В примере на рис. 4.23 перемещение Na⁺ из просвета в эпителиальную клетку происходит путём диффузии через Na⁺-каналы, расположенные в апикальной мембране. Внутриклеточная концентрация Na⁺ поддерживается на низком уровне за счёт активного выведения ионов через базолатеральную мембрану, где находятся исключительно все Na⁺/K⁺-АТФазные насосы. Таким образом, Na⁺ пассивно входит в клетку и активно выводится из неё, что позволяет осуществлять трансэпителиальный транспорт — перемещение из области с более низкой концентрацией в область с более высокой.

Рисунок 4.23. Активный перенос Na⁺ через эпителиальную клетку. Трансэпителиальный перенос Na⁺ всегда включает первичный активный транспорт из клетки через одну из плазматических мембран, обычно с помощью Na⁺/K⁺-АТФазы, как показано здесь. Перемещение Na⁺ в клетку через мембрану на противоположной стороне происходит пассивно. Под клеткой показан профиль концентрации растворенного вещества, переносимого через эпителий.

Рисунок 4.24. Трансэпителиальный транспорт большинства органических растворенных веществ (X) включает их перемещение в клетку посредством вторичного активного транспорта, сопряженного с нисходящим потоком Na⁺. Затем органическое вещество выходит в кровь по градиенту концентрации путем облегченной диффузии. Под клеткой показан профиль концентрации растворенного вещества.

Рисунок 4.24 иллюстрирует активное всасывание органических молекул через эпителий по трансклеточному пути. В этом случае проникновение органической молекулы (обозначенной X) через апикальную мембрану осуществляется с помощью вторичного активного транспортера, сопряжённого с нисходящим движением Na⁺ в клетку. Молекула X перемещается из просветной жидкости с низкой концентрацией внутрь клетки, где её концентрация становится высокой, за счёт энергии, запасённой в электрохимическом градиенте Na⁺. Затем вещество выходит через базолатеральную мембрану путём облегчённой диффузии — от более высокой внутриклеточной концентрации к более низкой внеклеточной концентрации на стороне крови. В результате концентрация вещества в крови может значительно превышать таковую в просвете, приближаясь к равновесию с высоким внутриклеточным уровнем, созданным на этапе аппкального входа.

Хотя вода не транспортируется активно через клеточные мембраны, её чистое перемещение через эпителий может происходить путём осмоса как прямое следствие активного переноса растворённых веществ, особенно Na⁺. Активный транспорт Na⁺ приводит к снижению концентрации этого иона на одной стороне эпителиального слоя (в примере — на стороне просвета) и повышению на противоположной стороне (в крови). Указанные изменения концентрации растворённого вещества сопровождаются взаимными изменениями концентрации воды, поскольку изменение осмолярности неизбежно влияет на содержание воды. Возникающая разница в концентрации воды стимулирует её осмотическое перемещение со стороны эпителия с низким содержанием Na⁺ (высокая концентрация воды) на сторону с высоким содержанием Na⁺ (низкая концентрация воды) (рис. 4.25). Следовательно, чистый перенос растворённого вещества через эпителий сопровождается потоком воды в том же направлении.

Рисунок 4.25. Суммарное перемещение воды по эпителию зависит от суммарного переноса растворенных веществ. Активный транспорт Na⁺ через клетки и в интерстициальные пространства повышает осмолярность в этой области и снижает её в просвете. Это вызывает осмотический поток воды через эпителий в том же направлении, что и чистый транспорт растворенного вещества. Вода диффундирует через аквапорины в мембране (трансцеллюлярный путь) и через плотные соединения (параклеточный путь).

Данный принцип имеет фундаментальное физиологическое значение. Как описано в главе 14, это основной механизм, с помощью которого эпителиальные клетки почек реабсорбируют воду из мочи обратно в кровь, концентрируя мочу и сохраняя жидкость в организме. Аналогичным образом происходит всасывание воды из кишечника в кровь (глава 15), что предотвращает обезвоживание и поддерживает водно-электролитный баланс. Сходные механизмы действуют в слюнных железах, протоках поджелудочной железы и потовых железах, где транспорт растворённых веществ стимулирует секрецию или абсорбцию воды в зависимости от направления ионных градиентов.

Регуляция эпителиального транспорта имеет критическое значение, поскольку этот процесс не является статичным, а высоко регулируется гормонами, нейромедиаторами и местными факторами. Например, альдостерон увеличивает количество Na⁺-каналов и Na⁺/K⁺-АТФаз в эпителиальных клетках почек, усиливая реабсорбцию натрия. Антидиуретический гормон (АДГ) регулирует водопроницаемость, встраивая аквапориновые каналы в апикальную мембрану клеток собирательных протоков. Такие регуляторные механизмы обеспечивают адаптацию эпителиальных тканей к изменяющимся физиологическим условиям, поддерживая гомеостаз жидкостей и электролитов во всём организме. Нарушения этих механизмов лежат в основе многих заболеваний, включая муковисцидоз (дефект хлоридных каналов), артериальную гипертензию (избыточная реабсорбция Na⁺) и диарею (нарушение всасывания воды в кишечнике). Понимание эпителиального транспорта открывает перспективы для разработки лекарственных препаратов, воздействующих на ионные каналы и транспортеры.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Эрик П. Видмайер, Бостонский университет, Хершел Рафф, Медицинский колледж Висконсина, Медицинский центр Авроры Сент-Люк, Кевин Т. Странг, Университет Висконсин-Мэдисон

Источник: Физиология человека: механизмы функционирования организма

Данные публикации будут полезны студентам биологических и медицинских специальностей, начинающим специалистам в области клеточной биологии, биофизики и физиологии, а также всем, кто интересуется основами мембранного транспорта и регуляции клеточного гомеостаза.