Secondary Active Transport in the Nephron

W poprzednim filmiku o nefronie omówiłem

jego poszczególne elementy oraz cząsteczki,

które są w nich resorbowane.

Jeśli pamiętacie, mówiliśmy, że w kanaliku krętym pierwszego rzędu (kanalik proksymalny)

sorbowane są związki organiczne np. glukoza i aminokwasy

oraz woda i jony np. sodu (sorpcja obligatoryjna).

Mówiliśmy też o ramieniu wstępującym pętli Henlego.

O tym, że w nim resorbowane są jony sodu,

potasu czy chloru.

W kanaliku krętym drugiego rzędu (kanalik dystalny) zachodzi

sorpcja nadobowiązkowa jonów wapnia i innych elementów.

Kiedy sam się o tym uczyłem, zastanawiałem się,

jak to się właściwie dzieje?

W jaki sposób te substancje są aktywnie wypompowywane ze światła kanalika,

zwłaszcza wbrew gradientowi stężeń?

W tym filmiku chciałbym opowiedzieć Wam

więcej o tym, jakie procesy zachodzą w ściankach

kanalików i w jaki sposób jony mogą

być selektywnie transportowane ze światła kanalików

nerkowych i reabsorbowane

z przesączu płynącego kanalikami.

Mechanizm tych procesów jest zbliżony

w różnych częściach nefronu, ale omówię go

osobno dla każdej części, bo każda z nich

resorbuje nieco inne cząsteczki.

Nie będę mówił o wszystkich typach sorbowanych cząsteczek,

wyjaśnię Wam mechanizm procesu resorpcji.

Zacznijmy od kanalika pierwszego rzędu.

Jeśli zrobilibyśmy powiększenie tej części --

-- narysuję wnętrze nefronu.

Wnętrze nefronu wygląda

mniej więcej tak.

To jest wnętrze nefronu,

czyli miejsce, gdzie znajduje się przesącz.

Pozwólcie, że narysuję to trochę

inaczej.

Wnętrze nefronu narysuję w ten sposób,

bo komórki nabłonka kanalika I rzędu

tworzą zwiększające powierzchnię wypustki, czyli mikrokosmki.

Tu mamy wnętrze kanalika, czyli jego światło.

Światło kanalika.

Wewnątrz kanalika znajduje się przesącz.

Przesącz z kłębuszka nerkowego płynie w tym kierunku.

Przesącz z kłębuszka nerkowego, czyli mocz pierwotny.

To jest wnętrze nefronu,

a ścianę kanalika tworzy pojedyncza warstwa komórek

(nabłonek jednowarstwowy).

Tu mamy jedna komórkę, tutaj drugą,

a tutaj kolejną.

To jest przekrój podłużny przez kanalik.

W rzeczywistości kanalik przypomina rurkę,

jest trójwymiarowy.

A mój rysunek jest po prostu poglądowy.

Tu mamy kolejna komórkę.

Tutaj mamy rejon bazalny,

czyli po prostu podstawę

komórki.

Takie słowa, jak "bazalny" warto znać.

Z kolei strona komórek zwrócona do wnętrza kanalika

to górna część komórek, czyli rejon

apikalny.

Ta strona komórek nazywana jest stroną boczno-podstawną (bazolateralną).

możemy też mówić o błonie boczno-podstawnej, skierowanej na zewnątrz

światła kanalika i kontaktującej się z innymi komórkami ciała.

Ta nazwa jest prawidłowa dla każdej części nefronu,

obojętnie, czy jest to kanalik proksymalny (I rzędu), pętla Henlego

czy kanalik dystalny (II rzędu).

Na zewnątrz kanalika, od strony błony boczno-podstawnej,

mamy naczynia włosowate (kapilary) okołokanalikowe.

Kolejne trudne słowo.

Okołokanalikowe naczynia włosowate wyglądają w ten sposób.

Są również złożone z komórek.

Ich ściany zbudowane są z komórek.

Ale zamiast rysować dokładnie każdą komórkę,

narysuję naczynie jako rurkę - o tak.

Naczynia włosowate mają porowate ściany.

W środku naczyń płynie krew.

Tutaj płynie krew.

W świetle kapilar okołokanalikowych płynie krew.

Nie będę zagłębiał się w szczegóły budowy komórek nabłonka

naczyń włosowatych.

Chciałbym tylko ogólnie przedstawić Wam,

w jaki sposób cząsteczki są selektywnie sorbowane

ze światła kanalików nerkowych.

To jest naczynie włosowate okołokanalikowe.

Włosowate - ponieważ ma bardzo małą średnicę, jest cienkie -

a okołokanalikowe - bo biegnie wokół kanalika.

Oplata dookoła kanalik nerkowy.

Kapilary okołokanalikowe biegną wokół kanalików.

Gdybym miał je nanieść na ten rysunek,

to oplatały by wszystkie kanaliki nerkowe.

Kiedy cząsteczki są wydzielane lub sorbowane w kanaliku,

trafiają z jego światła do naczyń okołokanalikowych.

Tutaj mamy wewnętrzną stronę nabłonka kapilary,

pokrytą mikrokosmkami.

Zastanówmy się, co dzieje się tutaj z cząsteczka glukozy.

Po boczno-podstawnej (wewnętrznej) stronie tych komórek

znajdują się pompy sodowo-potasowe.

Tutaj mamy pompy sodowo-potasowe.

Narysuję jedną z nich.

Dla przypomnienia, możecie obejrzeć filmik

o pompach sodowo-potasowych.

Przygotowałem cały filmik o ich działaniu.

Generalnie chodzi o to, że sód -- narysuję go tutaj

jako jony dodatnie -- te jony przyłączają się po wewnętrznej

stronie pompy. Jeśli w pobliżu znajduje się cząsteczka ATP,

to przyłącza się do odpowiedniego miejsca stanowiącego

pompę białka. Po przyłączeniu ATP białko zmienia konformację

tak, że zamyka się od strony wewnętrznej i otwiera po

stronie zewnętrznej. Kiedy pompa ma taką konformację (strukturę przestrzenną),

spada jej powinowactwo względem jonu sodu,

który, już po zewnętrznej stronie komórek nabłonka kanalika,

odłącza się od pompy i ostatecznie trafia do światła naczynia włosowatego.

Pompa jest sodowo-potasowa, więc

kiedy jest otwarta na zewnątrz -- narysuję ją tutaj --

Przygotowałem cały filmik na ten temat -- kiedy

jest otwarta na zewnątrz, wiąże się do niej jon potasu.

Przy tej konformacji z białkiem pompy wiążę się jon potasu.

Przyłącza się, powiedzmy, gdzieś tutaj.

To oczywiście duże uproszczenie.

Przyłączenie jonu potasu prowadzi do kolejnej zmiany struktury białka.

Na tym etapie białko nie potrzebuje już ATP, po prostu

wraca do swojej wyjściowej konformacji. Wtedy traci powinowactwo do jonów potasu,

które zostaną uwolnione, bo nie będą się już wiązały do białka,

które zmieniło swoją strukturę przestrzenną.

Ogólnie chodzi o to, że jony sodu się przyłączają do białka,

potem przyłącza się cząsteczka ATP.

Od cząsteczki ATP odłącza się reszta fosforanowa,

co powoduje zmianę konformacji białka.

Nowy kształt białka prowadzi do uwolnienia jonów sodu

i przyłączenia jonów potasu (już po drugiej stronie błony).

Efektem przyłączenia jonów potasu jest powrót do wyjściowej konformacji białka.

Ostatecznie jony sodu są wypompowywane poza komórkę,

a jony potasu wpompowywane do środka

dzięki transportowi aktywnemu.

To transport aktywny.

Dlaczego mówimy, że jest aktywny?

Ponieważ wykorzystuje energię wiązań w cząsteczce ATP

do wypompowywania jonów sodu wbrew gradientowi stężeń

poza komórkę. Natomiast jony potasu trafiają do wnętrza komórki

bez żadnych nakładów energetycznych.

Napływ jonów potasu nie wymaga energii zawartej w ATP.

Białko pełniące rolę pompy nazywamy też często

ATPazą sodowo-potasową, co oznacza, że jest enzymem

katalizującym rozpad cząsteczki ATP.

Enzym powoduje rozpad cząsteczki ATP i wykorzystuje uwolnioną energię

do zmiany konformacji i przepompowywania jonów sodu i potasu.

To było krótkie powtórzenie tego, czego mogliście nauczyć się

z moich innych filmików. Ale czy to pomoże nam zrozumieć,

jak glukoza jest resorbowana ze światła kanalika?

W błonach komórek od strony światła kanalika osadzonych jest wiele różnych białek.

Pokażę to na przykładzie sorbowania glukozy.

Mamy tu cząsteczkę białka.

Takie białka określamy ogólną nazwą

kotransporter lub symporter.

Kotransporter lub symporter.

Symporter to białko transportujące jednocześnie dwa rodzaje cząsteczek

w tym samym kierunku.

Kotransporter oznacza natomiast, że jedna z cząsteczek jest pompowana

zgodnie z gradientem stężeń, co pozwala przejść drugiej

cząsteczce wbrew gradientowi jej stężeń.

Czyli jony sodu są wypompowywane na drodze transportu aktywnego.

Są wypompowywane na zewnątrz kanalika poprzez błonę boczno-podstawną,

dzięki energii wiązań ATP. Stężenie jonów sodu wewnątrz

komórek nabłonka kanalika spada.

Niskie stężenie jonów sodu.

Im więcej ich wypompujemy, tym stężenie będzie niższe,

aż wreszcie stężenie jonów sodu w komórkach nabłonka stanie się niższe

niż w świetle kanalika.

Gdyby nie było tu błony komórkowej, to zgodnie z gradientem

stężeń jony sodu wędrowałyby do wnętrza komórek nabłonka,

żeby uzupełnić straty jonów sodu po stronie boczno-podstawnej komórek nabłonka.

Gdyby nie było tu błony, jony sodu przemieszczałyby się do wnętrza komórek.

Komórki wykorzystują chęć jonów sodu do

wędrówki zgodnie z gradientem stężeń, utworzonym

dzięki transportowi aktywnemu po stronie boczno-podstawnej.

Wykorzystują energię powstającą podczas wędrówki jonów sodu

zgodnie z gradientem stężeń, do transportu innych cząsteczek,

w tym przypadku glukozy.

Możecie wyobrazić sobie białko po wewnętrznej stronie błony

komórkowej komórek nabłonka kanalika.

Duże białko po stronie światła kanalika.

To białko może wyglądać tak.

To tylko schemat, żebyście mogli to sobie wyobrazić.

Po tej stronie mamy wyższe stężenie jonów sodu,

a po tej niższe, więc jony sodu będą się chętniej wiązały tutaj.

Cząsteczka glukozy przyłącza się tutaj.

To duże uproszczenie, ale kiedy się przyłączają,

białko zmienia strukturę przestrzenną i wygląda mniej więcej tak.

Teraz jon sodu znajduje się tutaj, a cząsteczka

glukozy - tutaj.

W tej chwili znajdujemy się wewnątrz komórki.

Ta konformacja białka nie sprzyja wiązaniu jonów sodu ani

cząsteczek glukozy do odpowiednich miejsc na białku,

więc sód i glukoza zostają uwolnione.

Kiedy się odłączą, białko po raz kolejny zmieni swój kształt,

wróci do wyjściowej konformacji i będzie mogło

powtórzyć cykl transportu.

Ten proces jest oparty na założeniu, że po tej stronie mamy więcej

jonów sodu, które przyłączają się do białka

i napędzają transport przez błonę.

Jony sodu poruszają się zgodnie z gradientem stężeń

i przy okazji umożliwiają podróż cząsteczkom glukozy.

czyli stężenie glukozy wzrośnie w komórkach nabłonka kanalików.

Jeśli błona boczno-podstawna jest przepuszczalna dla glukozy,

której stężenie ciągle wzrasta, to ostatecznie jej cząsteczki

powędrują zgodnie z gradientem stężeń

i trafią do krwi w kapilarach okołokanalikowych.

Analogiczne procesy zachodzą, nie zawsze z glukozą,

na całej długości nefronu.

We wstępującym ramieniu pętli Henlego,

o tutaj, zachodzi resorpcja soli w oparciu

o analogiczny proces.

Zaraz to narysuję.

Tutaj mamy światło ramienia pętli,

komórki, które tworzą ścianę ramienia.

Jesteśmy teraz w pętli Henlego i mamy tutaj

pompę sodowo-potasową.

Jony sodu są wypompowywane z komórek nabłonka,

a jony potasu są do nich wpompowywane. Jednak kanały

potasowe w błonach komórkowych są nieszczelne

i jony potasu mogą się przemieszczać w obu kierunkach.

Wobec tego to, co się dzieje z jonami

potasu nie jest tak istotne.

Stopniowo stężenie jonów sodu wewnątrz komórek nabłonka spada.

W błonach komórek nabłonka, po wewnętrznej stronie,

znajdują się białka symportery, analogiczne do tych dla glukozy.

Tak samo, jak poprzednio, jony sodu będą napływać do wnętrza komórek zgodnie

z gradientem stężeń. A my chcemy przetransportować jony chloru i potasu.

Te jony dołączą się do transportu jonów sodu.

Wykorzystają zgodny z gradientem stężeń transport

jonów sodu.

Mamy tutaj jony potasu

i jony chloru.

To białko symporter ma swoją nazwę - to

kotransporter sodowo-potasowo-chlorkowy,

to jedna z dwóch odmian tego białka, występująca

we wstępującym ramieniu pętli Henlego (stąd cyfra 2 w nazwie).

Ostatecznie w komórce rośnie stężenie jonów chlorkowych

i potasowych - te napływają ze wszystkich kierunków.

Jeśli błona boczno-podstawna jest przepuszczalna dla jonów chlorkowych,

to kiedy ich stężenie wystarczająco wzrośnie, jony będą

przechodzić z komórek nabłonka pętli do rdzenia nerki,

coraz bardziej go zasalając, wspólnie z jonami sodu.

Tak samo sytuacja wygląda w kanaliku krętym II rzędu.

Tym razem dotyczy jonów wapnia,

więc mamy pewne różnice.

Jesteśmy w kanaliku krętym II rzędu, którego komórki

wytwarzają mikrokosmki

na swojej wewnętrznej powierzchni.

Proces, w którym wykorzystujemy powstający

dzięki transportowi aktywnemu gradient stężeń, po to,

żeby transportować kolejne substancje,

nazywamy wtórnym transportem aktywnym.

Wtórny transport aktywny.

Dobrze o tym wiedzieć.

Wracając do wnętrza kanalika krętego II rzędu --

To jest światło kanalika.

Mamy tu światło kanalika, więc po obu stronach

są komórki nabłonka.

Myślę, że już wiecie, o co w tym chodzi.

W kanaliku II rzędu sprawa wygląda trochę inaczej.

Tu mamy komórki nabłonka, a tutaj

okołokanalikowe naczynie włosowate.

Tutaj płynie krew.

Znowu jony sodu są wypompowywane

z komórek nabłonka

poprze pompy sodowo-potasowe,

którym poświęciłem cały filmik. Jony potasu trafiają do środka komórek.

Ostatecznie mamy wysokie stężenie jonów sodu we krwi.

Błona komórek nabłonka po wewnętrznej stronie kanalika jest

przepuszczalna dla jonów wapnia.

Wobec tego stężenie tych jonów w świetle kanalika i we

Mamy tu jony wapnia,

pływające tu i tam.

A tutaj mamy białko antyporter.

Stężenie jonów sodu we krwi rośnie,

bo są cały czas wypompowywane z komórek nabłonka.

Jeśli jony sodu mogłyby poruszać się zgodnie z gradientem stężeń,

wróciłyby do komórek nabłonka.

Tutaj mamy białko antyporter, przez które jony sodu wędrują do środka zgodnie

z gradientem stężeń, a jednocześnie, kiedy przechodzą przez antyporter --

-- możecie go sobie wyobrazić jako obrotowe drzwi --

wtedy z komórki wychodzą jony wapnia.

Możecie sobie spróbować wyobrazić, w jaki sposób

działa takie białko.

Ja wyobrażam sobie drzwi obrotowe.

Jony sodu wprawiają je w ruch,

a jony wapnia są po drugiej stronie drzwi

i zostają wypchnięte.

Takie białko to antyporter, ponieważ

cząsteczki wędrują jednocześnie w przeciwnych kierunkach.

To ciągle wtórny transport aktywny, bo gradient stężeń powstaje dzięki

transportowi aktywnemu jonów sodu przez błonę

boczno-podstawną, z wykorzystaniem ATP.

Mam nadzieję, że te informacje się Wam przydadzą.

Kwestie przepompowywania cząsteczek ze światła nefronu do naczyń włosowatych

przedstawiłem Wam dokładniej niż w szkole.

Według mnie, dzięki temu cały proces

jest bardziej zrozumiały.

Ta wiedza pomaga mi zrozumieć,

jaka jest właściwie funkcja nefronów.