Цели

Студент понимает основные механизмы канальцевой реабсорбции и секреции, если он:

1      Может определить основные характеристики диффузии, об­
легченной диффузии, первично активного транспорта (вклю­
чая котранспорт и антипорт), эндоцитоза и переноса веществ
вместе с растворителем.

2      Может указать, каким образом механизмы, перечисленные в
п. 1, можно применить по отдельности и в комбинации для
осуществления активной трансцеллюлярной реабсорбции.

3      Может дать определение парацеллюлярной реабсорбции; на­
звать условия, необходимые для ее осуществления; указать
ориентацию трансканальцевой разности потенциалов в про­
ксимальном канальце, толстой восходящей части петли Генле
и в более дистапьных сегментах.

4      Может подробно описать те силы, которые определяют дви­
жение реабсорбируемой жидкости из интерстициального про­
странства в перитубулярные капилляры; указать, почему в пе-
ритубулярных капиллярах давление низкое, а онкотическое
давление высокое; указать роль фильтрационной фракции при
определении онкотического давления в перитубулярных ка­
пиллярах.

5      Может определить концепцию Т_т (при реабсорбции или сек­
реции), приведя соответствующие данные; рассчитать Т_т\ оп­
ределить почечный порог кривой титрования глюкозой; объяс-

нить расщепление; указать на значение Т_т для транспорта ве­ществ в большей, чем обычно, фильтруемой массе вещества.

6       Готов ответить, как могут быть скомбинированы механизмы,
перечисленные в п. 1, для достижения парацеллюлярной или
активной трансцеллюлярной секреции.

7       Может описать 3 процесса, которые происходят при двуна­
правленном транспорте вещества в отдельном сегменте ка­
нальца; указать на последствия деятельности системы «на­
сос-утечка».

8       Может отличить «плотный» эпителий от «проницаемого».

9       Может обобщить материал, касающийся традиционного «раз­
деления труда» между сегментами почечных канальцев.

В данной главе освещаются принципиальные вопросы канальцевой реабсорбции и секреции. Сформулированные положения будут в дальнейшем использованы при обсуждении реабсорбции и секреции отдельных веществ (главы 5—10).

Классификация механизмов транспорта

Молекулярные механизмы, участвующие в осуществлении процессов реаб­сорбции и секреции, в принципе те же, что и механизмы, действующие при пере­носе молекул через плазматические мембраны в других частях организма. Пере­нос одних веществ происходит посредством диффузии, в транспорте других уча­ствуют мембранные белки.

Диффузия

Этот процесс происходит хаотично благодаря движению молекул, чтобы про­исходил процесс направленного транспорта, необходим электрохимический гра­диент, так как диффузия всегда направлена по градиенту. Жирорастворимые ве­щества могут диффундировать через липидные участки плазматических мембран клеток, в то время как диффузия ионов в значительной степени ограничена на­полненными водой каналами, образованными белками плазматической мембра­ны. Эти каналы могут быть высокоспецифичными для определенных ионов, по­этому мы говорим о натриевых каналах иди калиевых каналах.

Облегчённая диффузия

Этот процесс, подобно диффузии, может обеспечить перенос вещества только по электрохимическому градиенту (отсюда термин диффузия). Однако в отличие от обычной диффузии, транспорт вещества зависит от его взаимодействия со спе­цифическими мембранными белками, называемыми транспортерами (или пере­носчиками), которые облегчают процесс переноса. Облегченная диффузия начи­нается со связывания вещества с переносчиком, вслед за чем происходит конфор-мационная перестройка переносчика, что вызывает транслокацию вещества через мембрану. После этого вещество отделяется от переносчика. Вследствие взаимо­действия вещества с мембранными белками облегченная диффузия обладает та­кими характеристиками, как специфичность, насыщение и конкуренция.

Превично активный транспорт

При этом процессе транспортируемая молекула также взаимодействует с мем­бранными транспортерами и демонстрирует специфичность, насыщение и конку­ренцию. В отличие от облегченной диффузии первично активный транспорт осу­ществляет перенос вещества против градиента, т. е. в сторону, противоположную направлению электрохимического градиента. Этот транспорт обеспечивается энергией, получаемой непосредственно при расщеплении молекул АТФ. Данный вид транспорта назван не просто активным, но первично активным именно вслед­ствие того, что непосредственным источником энергии является химическая энергия, выделяющаяся в ходе обмена веществ для данного процесса. В этом слу­чае мембранно-связанные АТФазы не только расщепляют АТФ для снабжения энергией, но и являются составной частью реального механизма транспорта.

В настоящее время известны следующие системы первично активного транс­порта: Ка,К-АТФаза; Н-АТФаза; Н,К-АТФаза и Са-АТФаза.

Вторично активный транспорт

В этом процессе два (а иногда и более) вещества взаимодействуют одновре­менно с одним и тем же специфическим мембранным переносчиком и оба транс­портируются через мембрану. Принципиальное отличие этого типа транспорта от уже описанных состоит в том, что в данном случае одно из веществ переносится по градиенту (вариант облегченной диффузии), а другое транспортируется про­тив градиента, в направлении, противоположном направлению электрохимиче­ского градиента. Отличие в данном варианте заключается в том, что в последнем случае процесс протекает без поступления энергии метаболизма непосредственно в транспортный механизм. Более того, основным видом энергии » данном случае является энергия, освобождаемая при одновременном движении по градиенту другого переносимого таким образом вещества. Иначе говоря, по мере продвиже­ния одного из веществ (чаще всего натрия) по его электрохимическому градиенту освобождается энергия, которая и используется при транспорте второго вещества против градиента, т. е. в направлении, противоположном направлению электро­химического градиента данного вещества. Вещество, переносимое против гради­ента, переносится посредством вторично активного транспорта, так как актив­ный транспорт в данном случае не связан непосредственно с гидролизом АТФ, что характерно для первично активного транспорта.

Термин «ко-транспорт»-¹ определяет ситуацию, при которой два участвующих в процессе вещества движутся в одном направлении через мембрану, но одно по градиенту, а другое обычно против градиента. При антипорте энергия, выделяю­щаяся при движении по градиенту одного из веществ, расходуется на движение второго вещества против градиента и в противоположном направлении. Напри­мер, движение по градиенту натрия в клетку может обеспечить энергией перенос иона водорода из клетки против градиента.

Эндоцитоз

Этот процесс характеризуется инвагинацией части плазматической мембраны до тех пор, пока она оказывается полностью вдавленной внутрь клетки и образу­ется ограниченный мембраной внутриклеточный пузырек, наполненный внекле-

 

точной жидкостью, проникшей внутрь во время его образования. Этот процесс является важным способом механизма поступления макромолекул в клетку, ко­торый может инициировать весь процесс путем связывания со специфическими мембранными рецепторами. Эндоцитоз, безусловно, также требует притока энер­гии, источником которой является расщепление молекул АТФ.

Перенос веществ вместе с растворителем

Если в мембране существуют достаточно большие поры, чтобы через них мог в процессе осмоса осуществляться ламинарный поток жидкости, то в этом случае движущаяся вода («растворитель») будет захватывать с собой любые растворен­ные вещества, размер которых позволяет им пройти через эти поры. Таким обра­зом, движение воды в результате различия концентрации воды по разным сторо­нам мембраны может неспецифически ускорить движение многих небольших растворенных веществ в том же направлении.

Механизмы транспорта, участвующие в реабсорбций

Мы начали обсуждение реабсорбций и секреции с утверждения, что в этих процессах участвуют те же основные механизмы транспорта веществ через плаз­матическую мембрану, что и в любых иных плазматических мембранах. Однако теперь надо обсудить дополнительную сложность, которая возникает вследствие того, что мы имеем дело с эпителиальным слоем, например почечным канальцем (или желудочно-кишечным эпителием, эпителием желчного пузыря и др.), а не с отдельной неэпителиальной клеткой (например, мышечная клетка или эритро­цит).

Посмотрите на рис. 4-1, и вы увидите, что есть два возможных пути для дви­жения реабсорбируемого вещества из просвета в интерстициальное пространство. Первый — движение между клетками, т. е. через плотное соединение двух сосед­них клеток. Этот путь получил название парацеллюлярный. Парацеллюлярная реабсорбция может осуществляться посредством диффузии или за счет переноса вещества вместе с растворителем.

При диффузии направление электрохимического градиента вещества совпада­ет с направлением реабсорбций и плотное соединение должно быть проницаемо для данного вещества. При переносе веществ вместе с растворителем поток воды движется через относительно проницаемое плотное соединение (см. ниже). В по­следующих главах я опишу, как у различных веществ возникают концентрацион­ные градиенты при прохождении через различные участки канальца, а также, как обеспечивается поток воды. Здесь я дам лишь краткое описание разности элект­рических потенциалов, которая существует между просветом канальца и интер-стициалъной жидкостью в различных сегментах канальца.

Во-первых, важно осознать, что здесь мы имеем дело с трансканальцевой (или трансэпителиальной) разностью потенциалов, а не просто с мембранным потен­циалом. Трансканальцевый потенциал — разность потенциалов между просветом канальца и интерстициальной жидкостью — это алгебраическая сумма индивиду­альных потенциалов люминальной мембраны и базолатеральной мембраны². Оба

эти мембранных потенциала обеспечивают отрицательно заряженную внутрен­нюю часть клетки, т. е. внутренняя поверхность клетки является отрицательно заряженной относительно как просвета канальца, так и интерстициальной жид­кости. Величина же этих двух отрицательных потенциалов плазматических мем­бран клетки может отличаться, и это определяет трансканальцевый потенциал как алгебраическую сумму двух упомянутых потенциалов. В проксимальном ка­нальце трансканальцевый потенциал очень мал (объяснение этому будет дано ни­же, когда в этой главе пойдет речь о «проницаемом» эпителии), всего несколько мВ, просвет несет отрицательные электрические заряды относительно интерсти­циальной жидкости в начальных участках канальца, а в средних и конечных участках проксимального канйльца просвет имеет положительное значение потен­циала величиной несколько мВ. Поскольку потенциал очень невелик и меняется по длине канальца, мы будем считать трансканальцевую разность потенциалов равной нулю. Это позволит нам сосредоточить основное внимание на концентра­ционных градиентах через стенку канальца этого сегмента при рассмотрении во­проса о парацеллюлярной диффузии ионов. В толстой восходящей части петли Генле трансканальцевый потенциал со стороны просвета всегда характеризуется значительной положительной величиной, поэтому он является фактором, влия­ющим на парацеллюлярную реабсорбцию катионов — натрия, калия, кальция и пр. Трансканальцевый потенциал в большинстве более отдаленных сегментов не-фрона имеет значительную электроотрицательность, и этот фактор приобретает значение для парацеллюлярной реабсорбции анионов, из которых самым важным является хлор.

Второй путь реабсорбции — трансцеллюлярный («через* клетку), В этом чае реабсорбируемое вещество должно преодолеть две плазматические мембраны на своем пути из просвета канальца к интерстициальной жидкости — люминаль-ную (или апикальную) мембрану, отделяющую жидкость в просвете канальца от цитоплазмы клеток, и базолатеральную (или контрлюминальную) мембрану, от­деляющую цитоплазму от интерстициальной жидкости. (Вещество должно, ко­нечно, также пересечь цитозоль клетки между двумя мембранами.)

Вещества с хорошей растворимостью в липидах могут преодолевать обе мем­браны (и цитозоль) путем диффузии; при этом происходит чистая пассивная ре-абсорбция одновременно с парацеллюлярным вариантом транспорта вещества, когда для данного вещества имеет место благоприятствующий его движению трансканальцевый электрохимический градиент. Трансцеллюлярный перенос веществ со слабой растворимостью в липидах, напротив, процесс активный. Принципиальным здесь является следующее положение: активная чистая транс-целлюлярная реабсорбция вещества подразумевает, (1) что люминальные и базо-латеральные мембраны асимметричны для данного вещества, т. е. содержат раз­личные каналы и/или переносчики, (2) что для перемещения вещества из просве­та канальца в клетку или из клетки в интерстициальную жидкость необходима энергия.

Возьмем в качестве примера реабсорбцию натрия в основных клетках собира­тельных трубок коркового вещества. Первый вопрос заключается в следующем: имеет ли место значительная по величине реабсорбция натрия в данном сегменте канальца? Правильный ответ — нет. Более того, реабсорбция натрия носит ак­тивный, трансцеллюлярный характер, как показано на рис. 4-2. Наблюдается чистая диффузия натрия в соответствии с электрохимическим градиентом (см. ниже) из просвета канальца через люминальную мембрану в цитоплазму по на­триевым каналам. Затем натрий активно транспортируется против электрохими­ческого градиента через базолатеральную мембрану в интерстициальную жид­кость. Этот последний этап является первично активным процессом с участием Nа,К-АТФаз, обнаруженных только в базолатеральной мембране. Таким образом, чистая однонаправленная реабсорбция натрия в данном сегменте канальца проис­ходит, поскольку (1) имеет место асимметрия люминальной и базолатеральной мембран — натриевые каналы находятся в первой из них и Nа,К-АТФаза (насо­сы) в последней, и (2) энергия для пересечения базолатеральной мембраны обес­печивается за счет расщепления АТФ с помощью Nа,К-АТФазы.

Данное описание ничего не говорит о том, что процессы в люминальной мем­бране зависят от того, что происходит в базолатеральной мембране. Это становит­ся очевидным, если мы усвоим, что истинная диффузия натрия через люминаль­ную мембрану зависит от наличия благоприятного электрохимического градиен­та — цитоплазматическая концентрация [Nа] меньше люминальной [Nа], и/или разница электрических потенциалов ориентирована таким образом, что внутрен­няя поверхность клетки заряжена отрицательно по отношению к просвету ка­нальца. Принципиальным моментом является то, что насос в базолатеральной мембране (Nа,К-АТФаза) создает этот электрохимический градиент через люми­нальную мембрану, поддерживая цитоплазматическую концентрацию [Nа] на низком уровне, а внутреннюю поверхность клетки сохраняет заряженной отрица­тельно, т. е. также, как это осуществляют находящиеся в плазматических мембра­нах Nа,К-АТФазные насосы.

 

Приведенный пример показывает, как важно отличать трансканальце&ый по­тенциал, который является движущей силой парацеллюлярной диффузии через эпителий, от разности потенциалов через отдельные мембраны — люминальные и базолатеральные, которые оказывают влияние на движение ионов через эти мем­браны. Трансканальцевый потенциал в собирательной трубке коркового вещества почки характеризуется отрииртелтым значением просвета по отношению к ин-терстициальной жидкости, а потенциал люминальной мембраны является положи­тельным со стороны просвета канальца по отношению к внутренней поверхности клетки.

Давайте рассмотрим другой пример — реабсорбцию глюкозы (рис. 4-3) в про­ксимальном канальце. Глюкоза движется против градиента из просвета канальца

через люминальную мембрану в цитоплазму посредством системы котранспорта с натрием. Это движение глюкозы опосредовано участием переносчика и являет­ся вторично активным транспортом, поскольку энергия, необходимая для осу­ществления движения глюкозы через люминальную мембрану, вырабатывается за счет движения натрия по его электрохимическому градиенту, т. е. посредством котранспорта. Данный механизм котранспорта столь мощный, что позволяет полностью всасывать всю глюкозу из просвета канальца. После проникновений в клетку глюкоза должна преодолеть базолатеральную мембрану, что происходит посредством независимой от участия натрия облегченной диффузии, это движе­ние по градиенту поддерживается за счет высокой концентрации глюкозы, накап­ливающейся в клетке вследствие активности люминального процесса котран-

 

спорта. Итак, чтобы обеспечить активную трансцеллюлярную реабсорбцикю,  функционирует система:. (1) с наличием 2 мембран, которые асимметричны по от­ношению к присутствию переносчиков глюкозы; (2) энергия выделяется только при преодолении одной мембраны, в данном случае люминальной.

Решающий фактор, который легко упустить из виду, состоит в том, что весь процесс рёабсорбции глюкозы зависит в конечном счете от первично активного транспорта натрия Nа,К-АТФазой в базолатеральной мембране. Ранее говори­лось, что именно этот насос создает электрохимический градиент, необходимый для транспорта по градиенту натрия через люминальную мембрану, а его движе­ние по градиенту обеспечивает поступление энергии для одновременного движе­ния глюкозы против концентрационного градиента. Теперь, я надеюсь, ясно, по­чему реабсорбция глюкозы названа вторично активным транспортом: сама по се­бе она «направлена против градиента» («активная»), но вторична, поскольку зависит от первично активного транспорта натрия через базолатеральную мем­брану. Вместо глюкозы мы можем в качестве примера взять аминокислоты, неор­ганический фосфат, сульфат или целую группу органических питательных ве­ществ, поскольку они подвергаются вторично активной рёабсорбции при котран-спорте с натрием через люминальную мембрану тем же способом (см. главу 5).

Необходимо сделать еще одно замечание, касающееся терминологии. Транс-целлюлярный транспорт определяется термином активный, для краткости, хотя пересечение по меньшей мере одной из двух мембран осуществляется посредст­вом первично или вторично активного процесса, т. е. имеет место перенос веще­ства против его электрохимического градиента, который происходит между про­светом канальца и интерстициальной жидкостью. Все вышесказанное дает нам право говорить, что глюкоза подвергается активной рёабсорбции.

Поступление жидкости в перитубулярные капилляры

Имеет смысл напомнить, что до этого момента мы говорили о движении ве­ществ из каналъирвого просвета в интерстициалъное пространство, и это важно для понимания вопросов, которые еще будут обсуждаться. Но этого недостаточ­но, чтобы завершить разговор о рёабсорбции данных растворенных веществ и во­ды, которая их сопровождает, так как необходимо описать их движение из интер-стициального пространства в перитубулярные капилляры. Это движение носит такой же характер, что и движение через стенку капилляров во всем организме. Перенос веществ в перитубулярные капилляры обеспечивается диффузией³, но главным фактором является общий объемный ток интерстициальной жидкости, обусловленный разностью между гидростатическим и онкотическим давлением через стенку перитубулярных капилляров.

 
 

Результирующее фильтрационное давление для движения жидкости из ин-терстициального пространства в перитубулярные капилляры описывается следу­ющим уравнением:

 

Принципы похожи, но локализация разная. Клубочковое кровообращение явля­ется вектором баланса сил между клубочковыми капиллярами и капсулой Боуме-на, а перитубулярные силы действуют между интерстициальным пространством и перитубулярными капиллярами. Эти силы обозначаются условными числами в табл. 4-1; эти числа не очень важны для запоминания (действительно, истинные величины не известны для почки человека), они даны только для иллюстрации некоторых основных принципов.

Результирующее фильтрационное давление через стенку перитубулярных ка­пилляров всегда способствует движению веществ в просвет капилляров. Два главных момента, описанные в главе 2, способствуют этому: (1) гидростатическое давление в перитубулярных капиллярах, как правило, небольшое (около 20 мм рт. ст.), поскольку кровь, поступающая в перитубулярные капилляры, уже пре­одолела афферентные артериолы, клубочки и эфферентные артериолы; (2) онко-тическое давление плазмы, поступающей в перитубулярные капилляры, выше, чем в плазме артериальной крови, поскольку белки плазмы более концентриро­ванны в результате прохождения безбелкового фильтрата во время фильтрации жидкости через гломерулярные капилляры. Начальное онкотическое давление в этих капиллярах является таким, как онкотическое давление в конечном участке клубочковых капилляров. Насколько данное онкотическое давление выше соот­ветствующего показателя плазмы артериальной крови, определяется по фильтра­ционной фракции — чем больше фильтрационная фракция, тем выше концентра­ция белка и больше онкотическое давление.

Максимальный канальцевый транспорт

У многих систем активной реабсорбции в канальце почки существует предел, называемый максимальным канальцевым транспортом (Г_т). Его значение харак-

теризует то количество вещества, которое они могут транспортировать в единицу времени, поскольку это зависит от насыщения данным веществом мембранных белков, ответственных за транспорт. Хорошим примером является вторично ак­тивный транспорт глюкозы в проксимальном канальце. В норме человек не экс-кретирует глюкозу с мочой, поскольку вся профильтровавшаяся глюкоза реаб-сорбируется, однако и у абсолютно здорового человека возможна экскреция глю­козы с мочой при введении ему глюкозы внутривенно в больших количествах (табл. 4-2).

Когда будете рассматривать табл. 4-2, обратите внимание на следующий факт: при удвоении количества глюкозы в крови и, следовательно, увеличении вдвое ее концентрации в плазме, моча по-прежнему остается свободной от глюко­зы, демонстрируя тем самым, что Т_т для реабсорбции глюкозы не был в этом слу­чае достигнут. Если же глюкоза плазмы и фильтруемое ее количество продолжа­ют увеличиваться, то в конечном итоге глюкоза появится в моче, так как вся про­фильтровавшаяся глюкоза не может быть реабсорбирована. Когда достигнут Т_т глюкозы, который у человека равен 375 мг/мин, любое дальнейшее увеличение содержания глюкозы в плазме сопровождается равным ему увеличением количе­ства экскретируемой глюкозы. Канальцы в этой ситуации реабсорбируют всю профильтровавшуюся глюкозу в пределах Т_т а любое фильтруемое сверх этого количество глюкозы уже не может быть реабсорбировано и появляется в моче. Аналогичная картина наблюдается у больных сахарным диабетом: вследствие де­фицита инсулина, концентрация глюкозы в крови больного может достичь до­вольно значительной величины, и, когда фильтруемая нагрузка глюкозы превы­шает Т_т глюкоза появляется в моче. При этом не отмечается никаких нарушений в механизме канальцевого транспорта глюкозы — он просто не способен реабсор-бировать избыточное количество профильтровавшейся глюкозы.

Чтобы еще более усложнить задачу, давайте рассмотрим ситуацию с внутри­венным введением глюкозы в организм. Дополнительная информация получена для периода времени от 60-й до 100-й минуты (ее нет в табл. 4-2). Приведем эти данные в таблице на стр. 92.

92

 

Основные I

 

1рнбсорбции и секреции

Теперь мы видим, что глюкоза начала экскретироваться в мочу еще до того, как истинная величина Т_т = 375 мг/мин была достигнута. Концентрация глюкозы в плазме, при которой глюкоза попадает в мочу, называется почечным порогом реабсорбции глюкозы. Появление глюкозы в моче до того, как достигнута вели­чина Т_т обозначается как расщепление. Обычно расщепление объясняют следую­щим образом: не у всех нефронов одинаковая величина Т_ш глюкозы, поэтому не­которые из них могут быть насыщены глюкозой в момент, когда другие (нефро-ны) еще не достигли своего значения Т_т.

Уровень глюкозы в плазме у здорового человека никогда не достигает уровня, при котором тлюкоза экскретируется с мочой, поскольку Т_я глюкозы гораздо вы­ше, чем требуется при обычной физиологической нагрузке. Исключение состав­ляют субъекты, получающие глюкозу внутривенно. Выявленная взаимосвязь между Т_т и фильтруемым количеством (глюкозы) является справедливой и для многих других органических питательных веществ, поэтому фильтруемые коли­чества всех этих веществ в норме полностью реабсорбируются и не попадают в мочу. Для таких веществ, как вещество 2 (из примера, приведенного выше, см. рис. 1-9), почки словно и не существуют, поскольку в норме они не удаляют та­кое вещество из организма. Из этого следует, что почки не помогают регулиро­вать концентрацию в плазме такого рода веществ. Более того, почки просто под­держивают сложившуюся концентрацию в плазме, которая является вектором гормональной регуляции метаболизма питательных веществ. Скорость же реаб­сорбции для воды и многих ионов хотя и довольно высока, но поддается регуля­ции, поэтому почки могут изменять количество веществ, которые реабсорбируют­ся и, следовательно, экскретируются.

Механизмы транспорта, участвующие в канальцевой секреции

В ходе канальцевой секреции вещества транспортируются через канальцевый эпителий в просвет (канальца), т. е. в направлении, противоположном процессу канальцевой реабсорбции, и тем самым создают второй путь поступления ве­ществ в просвет канальца (первым путем мы называем клубочковую фильтра­цию). Термин «канальцевая секреция» показывает только направление транспор­та; специфические механизмы мембранного транспорта, посредством которых осуществляется канальцевая секреция, остаются теми же, что описаны в первом разделе этой главы.

Секреторный процесс для любого данного вещества начинается с его диффу­зии из перитубулярных капилляров в интерстициальную жидкость, откуда веще­ство движется в просвет канальца, пересекая или плотное соединение — парацел-

 

люлярный путь — или, в ином варианте, базолатеральную или люминальную мембрану клетки — трансцеллюлярный путь.

Пассивная секреция — парацеллюлярная или трансцеллюлярная — может осуществляться посредством диффузии при наличии благоприятного электрохи­мического градиента для веществ между интерстициальной жидкостью и просве­том канальца, если плазматические мембраны и/или плотные соединения прони­цаемы для этих веществ.

При активной секреции, которая всегда является трансцеллюлярной, условия те же, что и при активной реабсорбции, только направление движения обратное: (1) различия транспортных характеристик двух мембран и (2) поступление энер­гии в одной из них. В большинстве случаев (см. рис. 4-4) секретируемое вещест­во активно переносится через базолатеральную мембрану посредством первично или вторично активного процесса, возникающая в результате высокая концентра­ция вещества внутри клетки является причиной его движения по градиенту через люминальную мембрану или по каналам посредством облегченной диффузии. В других случаях активный этап осуществляется в люминальной мембране, а движение по градиенту — через базолатеральную мембрану.

Поскольку первым этапом канальцевой секреции вещества является его диф­фузия из перитубулярных капилляров в интерстициальную' жидкость, можно предпрложить< что вещества, прочно связанные с белками плазмы, не могут уча­ствовать в канальцевой секреции. Однако это не обязательно. Всегда есть некото­рое количество свободных молекул вещества, которые находятся в равновесии с теми молекулами, что связаны с белками, но поскольку свободные молекулы диффундируют из капилляров, то связанные отрываются от белков плазмы, что­бы занять их место. Этот процесс происходит достаточно быстро, так что в тех случаях, когда активная секреторная система взаимодействует с веществами, свя­занными с белками, почти все количество вещества, первоначально связанное с белком, может подвергаться секреции, часто в процессе однократного прохожде­ния крови через почки.

К наиболее важным секреторным процессам относится секреция ионов калия и водорода. Об этих процессах речь пойдет соответственно в 8 и 9 главах. (Для лучшего усвоения материала вернитесь к рис. 4-2 и включите калиевый канал в люминальную мембрану так, чтобы часть калия, пересекающего базолатеральную мембрану с помощью Ма,К-АТФазы, смогла диффундировать через люминаль­ную мембрану; устранив преграду, данная клетка теперь не только активно реаб-сорбирует натрий, но и активно секретирует калий.)

В проксимальном канальце существует также несколько активных секретор­ных систем для органических анионов и катионов (глава, 5).

Двунаправленный транспорт

В предыдущих разделах прилагательное результирующий или использовалось при описании канальцевой реабсорбции и секреции, или подразумевалось, даже если оно отсутствовало в тексте. Дело в том, что ситуации, при которых какое-ни­будь транспортируемое вещество переносится лишь в одном направлении из ка­нальца и полностью отсутствует его движение в противоположном направлении, очень редки, если вообще бывают.

 

Одно важное соображение в пользу существшавввж двунаправленного транс­порта станет очевидным, если мы снова обратимся к рассмотрению рис. 4-4. Об­ратите внимание, что в целом при активном секретавишм процессе достигается более высокая концентрация ПАГ в просвете, чем в вжгерстмпиалъной жидкости. Эта разница, конечно, благоприятствует резуль I ици ••• ыу движению ПАГ в на­правлении реабсорбции посредством парацеллюляриов диффузии, так что если плотные соединения в какой-то степени проницаемы дли ПАГ, то такой транс­порт возможен. Аналогичным образом процессы •• 1инмм реабсорбции стремят­ся установить более низкую концентрацию (вещества) в просвете канальца по сравнению с интерстициальной жидкостью; эта раядц» концентраций благопри­ятствует пассивной парацеллюлярной секреции⁴.

Таким образом, мы имеем дело с так называемыми системами -«насос-утеч­ка»-, в которых активная транспортная система («насос») создает диффузионный градиент, снижающийся благодаря возможности обратное диффузии. Поскольку данная обратная диффузия существует изолированна как непрямое следствие де-

ятельности насоса, и поскольку результирующий поток жидкости будет вследст­вие этого направлен в сторону деятельности насоса, мы не станем учитывать об­ратную диффузию, именуя ее реабсорбцией или сежренкеи. Иными словами, по­ступление ПАГ обусловлено секрецией, и мы не будем касаться пассивного обратного потока, способствующего реабсорбции ПАГ (см. рис. 4-4). Глядя на рис. 4-2, мы можем просто сказать, что натрий реабсорбвруется, и не будем ис­пользовать термин секреция, именуя им любой пассивный обратный поток на­трия в просвет канальца.

Утечка веществ через стенку эпителиев является, тем не менее, чрезвычайно важным факторой при создании максимальных концентрационных градиентов, которые могут установиться через эпителиальный слой. Обратимся снова к рис. 4-2, чтобы констатировать, что чем более проницаем эпителий для натрия, тем сложнее будет активному механизму реабсорбции снизить люминальную концентрацию натрия ниже ее величины в интерстициальной жидкости. Анало­гично, активный секреторный механизм в меньшей степени способен повысить люминальную концентрацию транспортируемого вещества до уровня, превышаю­щего его концентрацию в интерстициальной жидкости, когда проницаемость эпи­телиального слоя, а потому и утечка данного вещества очень высоки.

Для большинства неорганических ионов и многих органических молекул ос­новным путем для утечки в этих системах является парацеллюлярный путь. На основе относительных значений проницаемости плотных соединений, что нахо­дит выражение в величине их электрического сопротивления, различные типы эпителия классифицируются как проницаемые или плотные. Проницаемый эпи­телий характерен для проксимальных канальцев (так же, как и для тонкой кишки и желчного пузыря). Плотный эпителий образует выстилку в дистальных изви­тых канальцах и собирательных трубках.

Повторим, проницаемый эпителий не способен создать значительный ионный концентрационный градиент между просветом и интерстициальной жидкостью. Кроме того, только относительно низкие значения разности электрических потен­циалов существуют между просветом канальца и межклеточной жидкостью (по­скольку пассивная проницаемость обусловливает «короткое замыкание» разно­сти потенциалов), для таких эпителиев характерна высокая проницаемость воды. Плотный эпителий, напротив, может создать очень высокую разность концентра-

Двунаправленный транспорт

 

95

Пример активно секретируемого вещества — органический анион р-аминогиппурат (ПАГ)- Про­цесс происходит в проксимальном канальце. Начальный этап представлен на рисунке справа. ПАГ который дифсрундировал из перитубулярных капилляров, подвергается вторично активно­мутранспорту в клетку через базолатеральную мембрану посредством котранспорта с другим органическим анионом, Х~ (обычно это а-кетоглютарат). Энергообеспечение данного этапа осу­ществляется за счет движения X" по градиенту из клетки в интерстициальную жидкость. Люми-нальный этапвыхода ПАГ является движением по градиенту и одновременно котранспортом с одним из органических анионов (обозначен V"). Если мы попытаемся это обосновать, то увидим, что процесс в целом косвенно зависит от участия базолатеральных насосов Ма,К-АТФазы: (1) эти насосы обычносоздают концентрационный градиент для натрия по обеим сторонам ба-золатеральной мембраны; (2) этот градиент обусловливает движение натрия в клетку при учас­тии котранспортера, который использует энергию этого процесса и одновременно способствует движению Х~ против градиента вклетку, т, е. Х~ подвергается вторично активному транспорту; (3) как описано выше, Х~, двигаясь обратно по градиенту через базолатеральную мембрану, снабжает энергией транспорт ПАГ активно в клетку. Таким образом, X". просто повторно перено­сится через базолатеральную мембрану. Должно быть ясно также, почему транспорт ПАГ явля­ется примером того, что называется «третично» активным транспортом. Секреция ПАГ типична для значительного числа органических анионов (см. в главе 5), хотя детали могут отличаться в зависимости от свойств конкретного вещества.

Рис.4-4

ций между просветом канальца и интерстициальным пространством, большую разность трансцеллкшпшых потенциалов и низкую водную проницаемость. Эти характеристики следует помнить при обсуждении в последующих главах транс­порта ионов и воды в проксимальных (проницаемых) и более дисталышх (обра­зованных малопроницаемыми эпителиями) сегментах канальца.

Система «насос-утечка» не является единственное формой двунаправленного транспорта в пределах одного канальцевого сегмента. Другая форма — канальце-вый сегмент может иметь противоположно направленные пути переноса форм, обусловленные свойствами клеток определенного типа в данном сегменте. (На­пример, в собирательной трубке коркового вещества клетки одного типа реабсор-бирует бикарбонат, а клетки другого — секретируют его.) Напротив, клетки опре­деленного типа могут содержать обратимые переносчики для вещества. В обоих случаях канальцевый сегмент может вследствие этого демонстрировать результи­рующую секрецию или результирующую реабсорбцию, в зависимости от физио­логических обстоятельств.

В конечном счете для многих веществ определенный сегмент канальца всегда осуществляет только результирующую реабсорбцию или только результирующую секрецию, но другие канальцевые сегменты могут выполнять прямо противопо­ложную функцию. Например, вещество может секретироваться в проксимальном канальце, но реабсорбироваться в собирательной трубке, В таких случаях относи­тельные величины противоположных процессов в различных канальцевых сег­ментах оцениваются по векторному эффекту, т. е. в зависимости от того, является ли общий эффект канальца в целом реарбсорбцией или секрецией.

Регуляция деятельности мембранных каналов и переносчиков

В этой главе ранее я указывал, что канальцевая реабсорбция и/или секреция многих веществ подвержена физиологической регуляции. Для большинства ве­ществ регуляция осуществляется посредством изменения состояния мембранных белков, участвующих в транспорте (каналы, переносчики), при участии гормонов, нейротрансмиттеров, паракринных и аутокринных агентов. Кроме того, каналы могут также реагировать на изменения локального мембранного потенциала, ме­ханических сил и внутриклеточных ионных концентраций. Реакция каналов и переносчиков (и тем самым клеток) на регуляторные воздействия является ре­зультатом множества возможных событий, суммированных в табл. 4-3.

97

Очень большое число исследований деятельности почек посвящено иденти­фикации специфических каналов и переносчиков в отдельных сегментах каналь­цев и выяснению молекулярных механизмов, посредством которых данные белки функционируют и регулируются. Подробный обзор этих механизмов, конечно, выходит за рамки данной книги.

«Разделение труда» в канальцах

Для лучшего усвоения материала необходимо всегда помнить несколько обоб­щений, касающихся реабсорбции и секреции отдельных веществ различными сег­ментами канальца. Из изложенного выше видно, что для полной экскреции ко­нечных продуктов обмена необходима очень высокая скорость клубочковой фильтрации. Тем не менее это означает, что фильтруемые количества всех ос­тальных низкомолекулярных веществ, растворенных в плазме, также довольно велики. Проксимальный каналец играет главную роль в возвращении всех этих профильтровавшихся веществ в кровь с помощью эффективной реабсорбции. Этот сегмент был назван местом наиболее массивной реабсорбции, поскольку ре-абсорбция каждого реабсорбируемого вещества в максимальной степени происхо­дит именно здесь (эта величина варьирует от 50 до 100 % профильтровавшегося количества) в зависимости от конкретного вещества. Соответственно прокси­мальный каналец является основным местом секреции растворенных веществ, за исключением калия.

Петля Генле, в особенности толстая восходящая ее часть, также реабсорбирует довольно большое количество главных ионов и в меньшей степени воду (15— 35 % профильтровавшегося количества). Вследствие выраженной реабсорбции растворенных веществ проксимальным канальцем и петлей Генле, масса раство­ренных веществ и объем воды, поступающей в более дистальные сегменты, отно­сительно малы. Сегменты канальца, располагающиеся за петлей Генле, очень хо­рошо приспособлены для тонкой регуляции транспорта большинства веществ, и именно они определяют путем изменения скорости реабсорбции и, в небольшом числе случаев, секреции, какими будут конечные количества веществ, экскрети-руемые с мочой. Поэтс|му не удивительно, что большинство (но не все) из меха­низмов, участвующих в гомеостазе, действуют в более дистальных отделах ка­нальца.

Существуют два основных способа преподнесения материала при преподава­нии физиологии почек. Один заключается в фокусировании внимания на каждом отдельном канальцевом сегменте по очереди и комплексном описании всех тех действий, которые в нем происходят; такой подход дает студенту комплексное по­нимание функционирования каждого сегмента канальца. Другой подход, которо­му мы следуем, предполагает концентрирование внимания на судьбе отдельных веществ, перемещающихся вдоль нефрона. При таком подходе в главе 6 вы узнае­те, что происходит с натрием при прохождении его через различные сегменты канальца, в. главе 8 вы узнаете, что происходит с калием и т. д. Чтобы картина, представляемая в данном пособии, была бы целостной, дополнение А содержит полную информацию о реабсорбционной и секреторной деятельности, осуществ­ляемой отдельными сегментами канальца, что уже было изложено в прочих гла­вах. Этот итоговый материал содержит только те данные, которые уже встреча-

 

лись в тексте, поэтому он является прекрасным материалом, позволяющим закрепить пройденный материал.

Вопросы для изучения: 26, 27.

 

 

Примечания

1 Для описания переносчиков, участвующих в рабовесшврввшввнх систем, используют несколько комбинаций различных терминов. В одной сягжвв* (врт I и» денной в данной книге) используются термины котранспортер я 1фашвявввввшввввмр (антипорт). В дру­гой системе терминов симпорт заменяет термин котравквввжвхкрмвш антипорт исполь­зуют вместо термина противотранспортер. Последний ввввявт «яввтологически включа­ет переносчик, который опосредует облегченную двффзовт в* обусловленную движени­ем другого вещества, и называет его юнипорт.

^г)

2 Точное происхождение мембранного потенциала в тот* может быть многофактор­ным. Достаточно сказать, что ионная диффузия так же, как • затраченные переносчики, вносит свой вклад в его создание (см. Ра1тег, Заскш).

о

3 Например, в процессе диффузии участвуют такие вещвощ, свк глюкоза, которая ре-абсорбируется в большей пропорции, чем вода. Концентрами этих веществ становится выше в интерстициальной жидкости, чем в плазме пернпгё*жврвых капилляров, и это вы­зывает диффузию в капилляры.

4 Для ионов активный транспорт может создавать не только противоположный по вели­чине концентрационный градиент, но еще и противоположную разность электрических потенциалов. Таким образом, активная реабсорбция натрия обусловливает отрицатель­ный, относительно интерстициальной жидкости, потенциал в просвете канальца, создавая тем самым электрическую силу, благоприятствующую пассивной обратной утечке ве­ществ в просвет канальца.