Membrānas transports: veidi un mehānismi

Sadalījums balstās uz diviem jautājumiem: vai viela pārvietojas pa koncentrācijas gradientu vai pret to, un vai ir nepieciešama olbaltumviela. Atbildes uz šiem diviem jautājumiem dod visus pamatveidus.

Difūzija abos veidos notiek pa gradientu un enerģiju neprasa; ātrumu nosaka gradienta lielums. Aktīvais transports notiek pret gradientu, un tam vienmēr ir vajadzīgs enerģijas avots. Sekundārajā transportā šis avots nav ATP tieši, bet gan cita jona gradients, ko iepriekš ar ATP izveidojis sūknis.

Vienkāršajā difūzijā molekula izšķīst membrānas taukainajā daļā un iziet cauri. Cik viegli tas notiek, nosaka molekulas izmērs, lādiņš un šķīdība taukos: mazas un nepolāras molekulas iziet viegli, lielas un lādētas praktiski nemaz. Šis ir vienīgais transporta veids, kam nav maksimuma, proti, jo lielāks gradients, jo lielāka plūsma, bez piesātinājuma.

Ūdens ir atsevišķs gadījums. Neliels daudzums iziet arī tieši caur lipīdu slāni, bet lielākā daļa plūst caur īpašiem kanāliem, ko sauc par akvaporīniem. Ūdens pārvietošanos pa savu gradientu sauc par osmozi, un to nosaka izšķīdušo daļiņu koncentrācija abās pusēs.

Nieru savācējkanālīšos akvaporīnu skaitu membrānā regulē antidiurētiskais hormons. Ja šis hormons trūkst vai kanāliņš uz to nereaģē, ūdens netiek atgriezts asinīs un attīstās bezcukura diabēts ar ļoti lielu, atšķaidīta urīna daudzumu.

Atvieglinātā difūzija notiek divos tehniski atšķirīgos veidos, un šo atšķirību studenti bieži pazaudē. Kanāls ir caurulīte ar vārstiņu: kad tas ir atvērts, joni plūst ļoti ātri, praktiski nebremzējot. Pārnesējs vielu satver, maina telpisko formu un izlaiž otrā pusē, tāpēc tā ātrums ir daudz mazāks.

No tā izriet svarīga praktiska pazīme. Pārnesējiem ir piesātinājums, proti, pie pietiekami augstas koncentrācijas visi pārnesēji ir aizņemti un plūsma vairs nepieaug. Tieši tāpēc, piemēram, nieru kanāliņi glikozi atgriež asinīs tikai līdz noteiktai robežai, un, ja glikozes līmenis asinīs to pārsniedz, glikoze parādās urīnā.

• Kanāls: ļoti liels caurlaides ātrums, atkarīgs no gradienta, atveras un aizveras.
• Vārtu mehānismi: sprieguma vadīti, ligandu vadīti, mehāniski vadīti.
• Pārnesējs: lēnāks, ar piesātinājumu un konkurenci starp līdzīgām vielām.
• Uniports: pārnes vienu vielu vienā virzienā.
• Simports: pārnes divas vielas vienā virzienā; antiports pretējos virzienos.

Nātrija un kālija sūknis ir ferments, kas šķeļ ATP un katrā darba ciklā izsūknē no šūnas nātrija jonus, vienlaikus ievelkot iekšā kālija jonus. Izsūknēto nātrija jonu ir vairāk nekā ievesto kālija jonu, tāpēc sūknis vienlaikus rada arī nelielu elektrisko starpību.

Rezultāts ir stāvs nātrija gradients uz šūnas membrānas. Šis gradients darbojas kā uzlādēts akumulators: citas olbaltumvielas ļauj nātrijam ieplūst iekšā un šajā brīdī paņem līdzi vēl kādu vielu, arī pret tās pašas gradientu. Tā strādā glikozes uzsūkšanās tievajā zarnā, aminoskābju uzsūkšanās, kalcija izvadīšana no sirds muskuļa šūnas un daudzi citi procesi.

Tieši šeit iedarbojas sirds glikozīdi. Tie daļēji nomāc nātrija un kālija sūkni sirds muskuļa šūnā, nātrija iekšienē kļūst vairāk, tāpēc nātrija un kalcija apmaiņas olbaltumviela mazāk izvada kalciju, un šūnā paliek vairāk kalcija, kas pastiprina saraušanos.

1. Sūknis piesaista nātrija jonus no šūnas iekšpuses.
2. ATP šķelšana pievieno sūknim fosfātu un maina tā formu.
3. Nātrijs tiek atbrīvots šūnas ārpusē.
4. Sūknis piesaista kālija jonus no ārpuses.
5. Fosfāta atdalīšanās atgriež sūkni sākuma stāvoklī, un kālijs nonāk šūnā.

Jaundzimušajam daudzas transporta sistēmas vēl nav nobriedušas. Nieru kanāliņu spēja atgriezt asinīs bikarbonātu un koncentrēt urīnu ir mazāka nekā pieaugušajam, tāpēc zīdainis daudz ātrāk atūdeņojas un ātrāk nonāk skābju un sārmu līdzsvara traucējumos. Priekšlaicīgi dzimušiem bērniem šī nenobriedušana ir vēl izteiktāka.

Otrā galā mūža izmaiņas ir pretējas. Ar gadiem samazinās darbīgo nefronu skaits un nieru koncentrēšanas spēja, mainās arī slāpes sajūta, tāpēc gados vecākiem cilvēkiem atūdeņošanās risks karstā laikā un slimības laikā ir ievērojami lielāks. Vienlaikus mainās arī zāļu izvadīšana, jo daļa zāļu tiek izvadīta ar aktīvo transportu nieru kanāliņos.

Iedzimtu transporta olbaltumvielu bojājumu ir daudz, un tie parasti izpaužas ļoti konkrēti, atbilstoši tam, kur šī olbaltumviela atrodas. Cistiskā fibroze rodas no bojāta hlorīda kanāla, kas atrodas elpceļu, aizkuņģa dziedzera un sviedru dziedzeru šūnās; tieši tāpēc sviedri ir sāļāki nekā parasti un gļotas ir neparasti biezas.

Citas grupas piemēri ir cistinūrija, kad nieru kanāliņos nedarbojas atsevišķu aminoskābju atgriešana un veidojas akmeņi, kā arī vairāki iedzimti nieru kanāliņu sindromi ar noturīgiem elektrolītu traucējumiem.

Kurš ārsts ar to nodarbojas, atkarīgs no orgāna: cistisko fibrozi vada pulmonologs kopā ar gastroenterologu un ģenētiķi, nieru transporta traucējumus nefrologs, iedzimtus jonu kanālu traucējumus sirdī kardiologs aritmologs. Bērniem pirmā atslēga parasti ir pediatrs. Noturīgs nespēks kopā ar izmainītiem elektrolītiem analīzēs, atkārtoti nieru akmeņi vai neizskaidrojami krampji vienmēr ir iemesls doties pie ārsta, nevis pašam koriģēt uzturu.

Pamatmetode fizioloģijā ir pleistera metode jeb patch clamp, kurā ar ļoti smalku stikla pipeti pieskaras šūnas membrānai un mēra strāvu, kas plūst caur atsevišķu kanālu vai visu šūnu. Tā ļauj redzēt kanāla atvēršanos reālā laikā un ir pamats gandrīz visām zināšanām par jonu kanāliem.

Klīnikā izmanto netiešākus rādītājus. Sviedru hlorīdu tests ir cistiskās fibrozes pamatizmeklējums. Nieru transporta traucējumus vērtē pēc elektrolītu, skābju un sārmu līdzsvara un urīna analīzēm, salīdzinot vielas daudzumu asinīs un urīnā. Ģenētiskā izmeklēšana apstiprina konkrēto bojājumu un nereti nosaka arī ārstēšanas izvēli.

Zarnā glikoze un nātrijs tiek uzsūkti kopā ar vienu un to pašu pārnesēju, un šis fakts ir izglābis ļoti daudz dzīvību. Tieši uz tā ir balstīts perorālais rehidratācijas šķidrums: ja ūdenim pievieno gan sāli, gan cukuru pareizā attiecībā, nātrija uzsūkšanās kļūst daudz efektīvāka, un līdzi uzsūcas arī ūdens. Tīrs ūdens smagas caurejas laikā šo mehānismu neiedarbina tikpat labi.

Svarīgi, ka šis pārnesējs turpina strādāt arī tad, kad zarnas gļotāda ir bojāta un citi uzsūkšanās ceļi cieš. Tāpēc rehidratācijas šķidrums palīdz pat smagas infekciozas caurejas gadījumā, kad šķiet, ka zarna vairs neuzsūc neko.

Otrs mazāk zināms piemērs ir mūsdienu cukura diabēta zāles, kas apzināti bloķē glikozes atgriešanu nierēs. Tā vietā, lai pazeminātu cukuru ar insulīnu, tās vienkārši ļauj daļai glikozes aiziet ar urīnu. Tas labi parāda, ka transporta olbaltumviela var būt ne tikai slimības cēlonis, bet arī apzināti izvēlēts ārstēšanas mērķis.