Ионный транспорт и физиология эпителия

Как клетки и клеточные слои, выстилающие органы, перемещают ионы и воду против градиентов; молекулярный механизм, обеспечивающий осморегуляцию, экскрецию и многие другие процессы в организме.

Definition

Ионный транспорт — это перемещение ионов через клеточные мембраны посредством каналов, переносчиков и насосов, а физиология эпителия — это изучение того, как поляризованные слои клеток используют асимметричное расположение этих транспортеров для направленного перемещения ионов и воды через поверхности тела.

Scope

Эта тема охватывает клеточные основы транспорта через мембраны и эпителий: пассивную диффузию и облегченный транспорт, первичный активный транспорт с помощью АТФ-зависимых насосов, таких как Na+/K+-АТФаза, вторичный активный транспорт с помощью сопряженных переносчиков, а также то, как поляризованные эпителиальные клетки с различными апикальными и базолатеральными мембранами векторно перемещают растворенные вещества и воду. Рассматриваются трансэпителиальные потенциалы и роль этих процессов в осморегуляторных и выделительных органах. Охват является сравнительным и механистическим.

Core questions

• Как клетки перемещают ионы против их градиентов концентрации?
• В чем разница между первичным и вторичным активным транспортом?
• Как эпителий перемещает растворенные вещества в одном направлении через поверхность тела?
• Как ионный транспорт создает градиенты, которые движут движение воды?

Key theories

Натриевый насос как первичный активный транспортер

Na+/K+-АТФаза, открытая Скоу, использует энергию гидролиза АТФ для выкачивания натрия из клеток и закачивания калия в них, устанавливая ионные градиенты, которые лежат в основе мембранных потенциалов и обеспечивают большую часть вторичного транспорта и осморегуляции.

Поляризованный эпителиальный транспорт

Эпителиальные клетки размещают различные транспортеры в своих апикальных и базолатеральных мембранах таким образом, что ионы поглощаются с одной стороны и выводятся с другой, обеспечивая чистый векторный транспорт и трансэпителиальный градиент, за которым может следовать вода.

Mechanisms

Ионы пассивно пересекают мембраны через каналы по электрохимическим градиентам или перемещаются против градиентов с помощью транспортеров. Первичные активные транспортеры, такие как Na+/K+-АТФаза, непосредственно используют АТФ, создавая крутой градиент натрия через клеточную мембрану. Вторичные активные транспортеры затем используют этот градиент для перемещения других растворенных веществ — например, котранспортируя глюкозу или аминокислоты с натрием, или обменивая натрий на протоны. В эпителии асимметричное распределение каналов, насосов и переносчиков между апикальной и базолатеральной мембранами, наряду с плотными контактами, ограничивающими утечку, позволяет клеточному слою перемещать ионы в одном направлении. Возникающие локальные осмотические и электрические градиенты притягивают воду через эпителий, что является основным механизмом поглощения соли в жабрах, реабсорбции в почках и секреции в солевых железах и мальпигиевых сосудах.

Clinical relevance

Принципы транспорта, разработанные в сравнительных системах, включая открытие натриевого насоса, лежат в основе понимания секреции и абсорбции жидкости, а также действия лекарств, направленных на транспорт. Эта запись является образовательным справочным материалом, а не медицинским руководством.

History

Работа Ханса Уссинга по коже лягушки установила, как эпителий транспортирует ионы, и представила метод короткого замыкания для измерения активного транспорта, а открытие Скоу Na+/K+-АТФазы в 1957 году идентифицировало ответственный насос. Натрий-сопряженный транспорт глюкозы, открытый Робертом Крейном, выявил вторичный активный транспорт, завершив основу, используемую в сравнительной физиологии.

Key figures

• Jens Christian Skou
• Hans Ussing
• Robert Crane
• August Krogh

Seminal works

• skou1957
• hill2016
• randall2002

Frequently asked questions

Почему натриевый насос так важен?

Выкачивая натрий и закачивая калий, он создает ионные градиенты, которые устанавливают мембранный потенциал и обеспечивают энергию, движущую многие другие транспортные процессы по всему телу.

Как эпителий перемещает воду, если нет водных насосов?

Эпителий активно транспортирует ионы для создания локальных осмотических градиентов, а затем вода пассивно следует за ионами, поэтому направленный транспорт соли эффективно перемещает и воду.