Некоторые примеры генетических нарушений транспортных систем у человека

Благодаря распространению Na⁺‑зависимых транспортеров на апикальной мембране, а натриевых насосов – на базолатеральной создается транзитный перенос, необходимый для обеспечения за счет работы каждой кишечной клетки потребностей многих тысяч других соматических клеток. Транспортные функции клеток других типов реализуются практически тем же самым набором функциональных блоков. Действительно, транспортные характеристики клеток тонкой кишки и плаценты во многом совпадают.

Ряд клеток характеризуется тем, что универсальные транспортные блоки расположены на клеточной поверхности иначе. В частности, в ацинарных клетках поджелудочной железы, осуществляющих внешнюю секрецию ферментов, насосы и Na⁺‑зависимые транспортеры расположены в базолатеральной мембране. Этого достаточно для обеспечения градиента Na⁺ между вне‑ и внутриклеточной жидкостями и поступлением нутриентов из крови в цитоплазму, а также для энергизации многих других процессов. Кроме того, локализация насосов и каналов в базолатеральной мембране исключает интенсивное поступление потоков воды и солей в апикально‑базальном направлении.

Рис. 28. Схема действия транспортера глюкозы и натрия в плазматической мембране.

А – исходное состояние транспортера: оба канала закрыты; Б – после связывания глюкозы с аллостерическим центром на воротном устройстве: натриевый канал открылся; В – при прохождении натрия по натриевому каналу произошла аллостерическая активация глюкозного канала и молекула глюкозы перешла с воротного устройства на вход своего канала; Г – освобождение центра на воротном устройстве влечет за собой закрытие натриевого и глюкозного каналов. 1 – натриевый канал; 2 – глюкозный канал; 3 – воротное устройство. Светлые пружки – молекулы глюкозы, черные – ионы натрия.

Согласно современным представлениям, при Na⁺‑зависимом транспорте глюкозы через плазматическую мембрану клеток эукариотов происходит образование тройного комплекса: Na⁺–глюкоза–транспортер. Однако более адекватной представляется наша модель транспортера (рис. 28). Она характеризуется наличием двух параллельно взаимодействующих каналов (для Na⁺ и для глюкозы) и поверхностного (воротного) белка, связывающего глюкозу на входе в транспортную систему. Транспортный цикл такой модели состоит в следующем: 1) исходно глюкозный и натриевый каналы неактивны; 2) при связывании глюкозы с аллостерическим центром на воротном белке натриевый канал активируется (эта стадия напоминает контроль натриевой проницаемости ацетилхолином) и Na⁺ движется из экстра‑ в интрацеллюлярную жидкость; 3) на определенном этапе движения Na⁺ по каналу происходит аллостерическая активация глюкозного канала; 4) через активированный канал транспортируется молекула глюкозы, первоначально фиксированная в воротном устройстве; 5) освобождение воротного устройства сопровождается дезактивацией натриевого канала. Реактивация последнего происходит при связывании с аллостерическим центром следующей молекулы глюкозы. При температуре 16° С глюкозный канал инактивируется, а натриевый продолжает функционировать. Из нашей модели вытекает, что скорость транспорта глюкозы и Na⁺ в определенном диапазоне зависит от концентрации Na⁺ во внеклеточной жидкости. Важно, что Ка⁺‑зависимые транспортеры глюкозы и аминокислот, поскольку показана их идентичность в клетках различных типов и у организмов разных групп, должны соответствовать одной из моделей молекулярных машин.

Насколько можно судить, все разнообразие процессов, связанных с мембранной проницаемостью электролитов и их мембранным транспортом (по крайней мере у всех эукариотов), осуществляется с помощью тех же стандартных функциональных блоков, которые описаны выше. Поразительно, но «примитивные» функции низших организмов и совершенные функции высших организмов реализуются близкими или идентичными функциональными блоками. На уровне элементарных функций организмы, занимающие крайнее положение на вершине и у основания эволюционной лестницы, трудно различимы. Одноименные транспортеры органических субстанций у животных разных видов, по‑видимому, также близки или сходны по своей молекулярной структуре и принципам функционирования, хотя этот вопрос изучен меньше, чем в отношении АТФаз. В пользу большой близости этого типа функциональных блоков говорит сходство, а иногда идентичность реакций различных транспортеров на действие ингибиторов и активаторов.

Несмотря на то что сравнительная физиология ионных каналов изучена недостаточно, существуют данные о значительном сходстве их молекулярной структуры и функциональной организации. Вероятно, у млекопитающих и насекомых имеются все основные типы ионных каналов – натриевые, калиевые, хлорные и др.

Далее, у млекопитающих, рыб и насекомых продемонстрировано наличие специализированных натриевых каналов, чувствительных к амилориду, а также каналов, реализующих котранспорт Na⁺ и Сl^‑, чувствительных к фуросемиду. Интересно, что те же самые ингибиторы специфически тормозят транспорт ионов в мальпигиевых канальцах и толстой кишке насекомых. Недавно выявлен котранспортер, осуществляющий котранспорт в клетку одного иона Na⁺, одного иона К⁺ и двух ионов Сl^‑. Этот механизм обнаружен в клетках почки и тонкой кишки млекопитающих, в клетках различных органов рыб и насекомых.

До недавнего времени считалось, что функции секреции, экскреции и всасывания имеют глубокие различия, касающиеся механизмов функционирования и эволюционного происхождения. Однако между этими процессами принципиальной разницы не существует. Все основные функциональные блоки, упомянутые выше, лежат и в основе перечисленных функций, в ряде случаев полярных по своему физиологическому значению (например, всасывание и экскреция).

Характеристики ферментных и транспортных систем клеток, выполняющих различные функции (например, всасывание в тонкой кишке, реабсорбция воды в протоках пищеварительных желез и т.д.), очень близки. В апикальной мембране клеток тонкой кишки и почечных канальцев присутствуют трансмембранные ферменты, Ка⁺‑зависимые транспортеры глюкозы, аминокислот и других нутриентов. В базолатеральной мембране этих клеток локализованы близкие или идентичные по молекулярной структуре АТФазы. Системы с множеством транспортеров, локализованных в апикальной мембране, и натриевых насосов, расположенных в базолатеральной мембране, распространены очень широко. В некоторых структурах они выполняют не только резорбтивную, но и секреторную функцию.

Существенно, что при электронной микроскопии многие субклеточные и молекулярные структуры клеток тонкой кишки человека и высших животных неотличимы от таковых клеток кишки рыб, насекомых, моллюсков, круглых червей и т.д., а клетки тонкой кишки – от клеток плаценты, канальцев почек и других клеток.

Регуляторные блоки

В течение долгого времени постулировалась специфичность регуляторных сигналов и рецепторов, воспринимающих эти сигналы. В отношении химических сигналов идея специфичности достигла наибольшего развития. Действительно, эти сигналы, действующие через кровь, должны находить свои клетки‑мишени и оказывать на них определенный эффект. В то же время число сигнальных молекул по сравнению с тем количеством, которое следовало бы ожидать, исходя из специфичности химических сигналов, невелико. Рецепторы для каждого типа сигнальных молекул локализованы практически в клетках всех типов. Кроме того, на примере кишечной гормональной системы продемонстрировано, что клетки, продуцирующие казавшийся ранее уникальным гормон, могут быть дублированы или даже мультиплицированы.

Попытаемся показать, что многообразные высокоразвитые формы управления в сложных организмах достигаются благодаря комбинации стандартных функциональных блоков, образующих специализированные и приспособленные для определенных задач цепи.

Химические сигналы. Первоначально предполагалось, что каждый эффект и каждый источник физиологически активного вещества связан с особым гормоном. При действии на мишень нескольких гормонов принималось, что лишь один из них оказывает физиологическое действие, а другие – фармакологическое. Однако множественный контроль клеток различных типов пищеварительной системы известен. Например, обмен воды между тканями тонкой кишки и ее полостью контролируется многими гормонами (гастрин, секретин, холецистокинин, ВИП, ГИП, вазопрессин, субстанция Р, бомбезин, серотонин и др.), продуцируемыми эндокринными клетками как желудочно‑кишечного тракта, так и другими эндокринными органами, а также простагландинами. Чувствительность к различным гормонам и другим физиологически активным веществам означает наличие рецепторов многих типов или сложных рецепторов, способных связывать не один, а два или более видов лигандов. (Под рецепторами понимается большая группа структур, обладающих высоким сродством и способностью связываться с определенными типами лигандов). Можно ли считать, что рецепторные блоки различных органов идентичны или они специфичны для каждого соответствующего органа? Мембранные рецепторы являются гликопротеинами, и варьирование их свойств может зависеть от уровня посттрансляционного гликозилирования. В то же время существуют данные в пользу сходства или идентичности одноименных рецепторов в различных органах. В частности, это показано для таких ранее казавшихся локальными факторов, как субстанция Р, холецистокинин, ВИП, гастрин и др.

Внутриклеточные сигналы. На уровне сигнальных рецепторных блоков концепция их универсальности и специализации на основе рекомбинации находит новое подтверждение. Например, секреторные процессы в ацинарных клетках поджелудочной железы контролируются системой нервных и гормональных сигналов. В частности, выброс секреторных гранул происходит под влиянием холецистокинина и ацетилхолина. Холецистокинин длительное время рассматривался как специфический стимулятор секреции ферментов. Однако позднее было обнаружено, что этот механизм не специфичен, а включен в систему вторичных мессенжеров – цАМФ и Са²⁺. Так, холецистокинин контролирует многие цАМФ‑ и Са²⁺‑зависимые процессы, в том числе внутренней секреции, стимулируя выделение ряда гормонов, и действует аналогично медиатору. Многие гормоны выполняют также функции нейротрансмиттеров. Эту роль могут играть гастрин и холе‑цистокинин; серотонинподобные вещества, вызывающие возбуждение в межнейронных синапсах; АТФ – скорее всего в тормозящих нейронах; субстанция Р, выполняющая функции возбуждающего, а энкефалин и соматостатин – тормозящего нейротрансмиттеров. Предполагается также нейротрансмиттерная функция ВИПа (рис. 29).

Рис. 29. Схема способа передачи пептидов, действующих в качестве паракринных мессенжеров (А), кишечных гормонов ( Б ), нейротрансмиттеров (В) и нейрогормонов (Г).

Те же самые молекулы могли бы функционировать в каждой из систем одного и того же организма.

Принцип работы рецепторных блоков можно проиллюстрировать на примере рецепторно‑аденилатциклазного комплекса. Такой комплекс осуществляет передачу сигналов путем их ретрансляции с помощью аденилатциклазы. Сущность процесса сводится к образованию комплекса рецептор–гормон, что приводит к стимуляции активности аденилатциклазы, локализованной на внутренней стороне мембраны. Активация аденилатциклазы первичным мессенжером связана с его взаимодействием с рецептором, каталитической и, возможно, промежуточной субъединицами фермента. При стимуляции активности фермента происходит увеличение образования цАМФ, что вызывает цепную реакцию с отрицательной обратной связью, приводящую к ее выключению. Ниже приведен список гормонов, стимулирующих или подавляющих активность аденилатциклазы (табл. 11).

Таблица 11