Патофизиология

Транспорт воды и электролитов

Среднее потребление воды человеком составляет около 2 л/сут, тогда как через двенадцатиперстную кишку в целом проходит от 8 до 10 л жидкости. В основном во-да, всасываемая в кишечнике, повторно поступает в желудочно-кишечный тракт со слюной, желудочным и кишечным соками, соком поджелудочной железы и желчью. Вса-сывание воды происходит преимущественно в тонкой кишке, и только 1-1.5 л доходят до толстой кишки (рис. 5-1). В толстой кишке, где скапливается и формируется стул, вода продолжает всасываться, и с калом ее выделение обычно составляет око-ло 100 мл/сут. В толстой кишке в норме может всасываться до 4 л/сут, поэтому ес-ли объем жидкости, поступающей из тонкой кишки, превышает 4 л, то, несмотря на нормальную функцию толстой кишки, возникает диарея. Возможности тонкой кишки всасывать и секретировать воду гораздо большие, чем у толстой кишки. Это обу-словлено наличием у тонкой кишки складок, ворсинок и микроворсинок (рис. 5-2), за счет которых значительно увеличивается площадь поверхности ее слизистой обо-лочки. Нормальный объем секрета, выделяемого кишечником — около 1 л/сут, но мо-жет достигать 20 л и более. Различия между секреторной и всасывающей функциями толстой и тонкой кишки объясняют, почему диарея является в основном следствием дисфункции именно тонкой кишки.
Перемещение воды в просвет и из просвета желудочно-кишечного тракта происходит пассивно, по осмотическому градиенту, который создается активным транспортом электролитов. Этот ионный транспорт контролирует абсорбцию и секрецию во-ды. После попадания химуса в двенадцатиперстную кишку вода из плазмы крови по-ступает через слизистую оболочку в просвет кишки, создавая там изотоничную сре-ду, которая сохраняется на протяжении всего кишечника. В двенадцатиперстной киш-ке концентрации ионов Na+ и С1+ равны их концентрациям в плазме крови. В тощей кишке содержание Na+ снижается и в подвздошной доходит до 130 ммоль/л. В толстой кишке концентрация Na+ продолжает снижаться и доходит до 30 ммоль/л в каловых массах за счет активного извлечения Na+ и снижения проницаемости слизистой обо-лочки, предотвращая, таким образом, диффузию Na+ и воды обратно в просвет толстой кишки.
Концентрация ионов калия в содержимом тонкой кишки составляет в среднем 5—10 ммоль/л. В толстой кишке концентрация К+ повышается до 80 ммоль/л из-за ак-тивной секреции ионов калия и отрицательного электрического потенциала в просве-те кишки, способствующего также и пассивной секреции К+. При секреторной диарее увеличивается потеря калия с калом, поэтому необходимо следить за его уровнем в крови, так как потеря может привести к гипокалиемии и нарушениям сердечного рит-ма. Хлор является основным анионом в тонкой кишке. В связи с активным всасывани-ем Cl– его концентрация уменьшается в дистальном направлении и составляет 60-70 ммоль/л в илеоцекальном клапане. В результате ионообмена хлор/бикарбонаты кон-центрация НСО3– повышается по мере продвижения химуса к дистальным отделам тонкой кишки. При тяжелой секреторной диарее потеря бикарбонатов может привести к раз-витию метаболического ацидоза. В толстой кишке Сl– продолжает абсорбироваться в обмен на бикарбонаты, но ос

Рис. 5-1. Объемы жидкостей в пищеварительном тракте

новными становятся органические анионы, являющиеся продуктами метаболизма ки-шечной микрофлоры. В толстой кишке концентрация органических анионов достигает 180 ммоль/л (рис. 5-3) за счет бактериального расщепления невсасываемых углево-дов (например, клетчатки) до жирных кислот с короткой цепью, таких как уксусная, пропионовая, масляная. Эти кислоты являются важным энергетическим субстратом для эпителия толстой кишки, поэтому выключение последней из процесса пищеварения ли-шает эпителиальные клетки возможности питания органическими анионами и приводит к повреждению толстой кишки, кровотечениям, тенезмам и гнойному воспалению.

Клеточные механизмы транспорта воды и растворимых веществ

Как показано на Рис. 5-4, разнонаправленные процессы абсорбции и секреции опре-деляют суммарный транспорт жидкости в кишечнике и происходят в специальных уча-стках кишечного эпителия. Клетки на кончиках ворсинок ответственны за абсорбцию воды и растворенных веществ, в то время как клетки в криптах преимущественно секретируют воду и растворенные вещества.

Рис. 5-2. Увеличение площади поверхности в тонкой кишке за счет складок, ворсинок и микроворсинок. Цифры показывают коэффициент увеличения площади всасывания по сравнению с гладкой поверхностью. Складки, ворсинки и микроворсинки вместе увеличивают площадь всасывания в 600 раз. (no:YamadaT.,AlpersD. H., Owy-ang С., Powell D. W., Silverstein F. E.,eds. Textbook of Gastroentcrology, 2nd ed. Philadelphia: J. B. Lippincott, 1995: 327.)

Важно отметить, что процессы абсорбции и секреции воды в тонкой кишке про-исходят пассивно, соответствуя транспорту солей в этих клетках. Вода движется по осмотическим градиентам, образующимся транспортом растворенных веществ, в основ-ном электролитов. Диарея является результатом действия этих двух механизмов, не исключающих друг друга. Неабсорбируемые электролиты могут создавать осмотическую секрецию воды, что часто вызывает осмотическую диарею. С другой стороны, секре-торная диарея связана с повышением секреции солей,

Рис.5-3. Концентрации электролитов в стуле, измеренные с помощью диализа фекалий. (По: Wrong О., Metcalte-Gibson A., Morrison B.I.R.,NgS.T.,HowardA.V. In vivo dialysis of faeces as a method of stool analysis. Clin. Sci. 28: 357, 1965; Yamada Т., Alpers D. H., Owyang C., Powell D. W., Silverstein F. E., eds. Textbook of Gastroen-terology, 2nd ed. Philadelphia:
J. B. Lippincott, 1995:819.)

Рис. 5-4. Разнонаправленный транспорт воды в области ворсинок и крипт тонкой кишки. Клетки на верхушках ворсинок преимущественно абсорбируют воду и растворимые вещества, тогда как клетки в области крипт в ос-новном ответственны за секрецию растворимых веществ и воды

хотя ослабление абсорбции электролитов также способствует суммарному уве-личению секреции воды.

Пассивный транспорт воды

Не существует молекулярных механизмов активного транспорта воды, подобных мембранному белку, активно транспортирующему Na+, например Na+,К+-АТФаза. Вода может перемещаться либо по градиенту гидростатического, либо по градиенту осмо-тического давления, и поскольку гидростатический градиент через эпителий кишеч-ника равен нулю, то основным механизмом транспорта воды является осмотический градиент.
Термин «осмотическое давление» был долгое время не очень понятным для сту-дентов и практических врачей как минимум по двум причинам. Во-первых, он означа-ет, что существует еще какое-то давление, помимо гидростатического. На самом де-ле «осмотическое давление» является неправильным термином, который появился только из-за того, что градиент растворенных веществ повышает гидростатическое давление в осмометре. Лучшим названием было бы «осмотический потенциал».
Осмотическое давление , обычно выражается как

 = RTCs,
где: Cs — общая концентрация растворенных веществ в осмолях/кг Н2О. Разни-ца в осмотических давлениях через кишечный эпителий выражается как , то есть

 = RTCs.

Здесь мы видим вторую причину неясности термина «осмотическое давление».  является пассивной силой, возникающей из-за разницы в концентрации воды, но для удобства выражается в виде разницы в концентрации солей. Поэтому необходимо понимать, что градиент растворенных веществ определяет градиент концентрации во-ды; оба этих градиента определяют реальную направленность движения воды из зоны ее высокой концентрации в зоны с высокой концентрацией растворенных веществ.
Еще одно важное обстоятельство заключается в том, что общий осмотический эффект растворенных веществ более выражен, если это растворенное вещество нахо-дится в каком-то ограниченном объеме. Например, при непереносимости лактозы не-абсорбированная глюкоза не может покинуть просвет кишечника и создает выраженный осмотический эффект, вызывая осмотическую диарею. Понятие осмотической диареи основано на том факте, что причиной секреции воды в некоторых случаях является неабсорбируемый осмотический эквивалент. Необходимо также помнить, что все пере-мещения воды происходят посредством осмотических механизмов, хотя причины осмо-тических нарушений (как и при секреторной диарее) не всегда понятны.

Слизистая оболочка тонкой кишки легко проницаема для воды

Перемещение больших объемов воды через стенку кишечника предполагает, что эпителий кишечника легко для нее проницаем, поскольку через малопроницаемый барьер даже при высоком осмотическом градиенте перемещения молекул воды не про-исходит. Принципы, по которым действуют механизмы транспорта воды через мембра-ны, аналогичны закону Ома для электричества: поток воды пропорционален осмотиче-скому давлению и степени проницаемости мембраны для воды.
Подобно другим веществам, проникающим через кишечный эпителий, вода проходит ли-бо трансцеллюлярно, либо через межклеточные соединения и пространства. Молеку-лярные механизмы этих путей транспорта воды недостаточно хорошо изучены, однако знание действия подобных механизмов в других органах, например в почках, позво-ляет проводить определенные аналогии. Исследование простого липидного бислоя, являющегося нормальным структурным компонентом мембраны многих клеток, показало, что он достаточно хорошо проницаем для воды. Поэтому некоторое время считали, что транспорт воды происходит через липидный слой клетки. Однако в последнее время получены данные о существовании в клеточной мембране особого класса бел-ков, служащих каналами для проведения воды. Возможно эти белки, или что-то похо-жее на них, могут отвечать за проницаемость энтероцитов для воды. Еще меньше изучены механизмы межклеточного транспорта воды, хотя известно, что часть воды проходит именно этим путем (рис. 5-5).

Рис. 5-5. Трансцеллюлярный и интерцеллюлярный пути транспорта воды

Транспорт солей определяет транспорт воды

Еще в ранних работах по исследованию транспорта веществ в кишечнике показано, что в норме абсорбция воды и электролитов происходит таким образом, что, несмотря на большие объемы перемещения электролитов и воды, содержимое кишечника остается изотоничным плазме крови. Эти данные не позволили прежним исследовате-лям объяснить, как происходит всасывание воды, если нет градиента осмотического давления, поэтому казалось, что существует механизм активного транспорта воды в кишечнике. Позже было показано, что всасывание воды происходит исключительно пассивно посредством осмотического градиента, возникающего вследствие всасывания электролитов, и что оба этих процесса тесно связаны. Отсутствие реальной разницы осмотических давлений в стенке кишечника является следствием действия двух фак-торов. Первый — высокая проницаемость стенки кишечника для воды предполагает на-столько маленький трансэпителиальный осмотический градиент (), необходимый для всасывания воды, что его трудно определить экспериментально. Второй, по-видимому, связан с тем, что в межклеточных латеральных пространствах происходит кумуляция солей, что создает местный локальный градиент, способствующий переме-щению жидкости. Главный принцип остается прежним — всасывание воды происходит пассивно вследствие транспорта солей, преимущественно NaCl. Это является ключом к пониманию того, что именно нарушение транспорта солей — основная причина мно-гих видов диареи.
Секреция жидкости в кишечнике также регулируется секрецией солей клетками, расположенными в криптах. Термин «секреторная диарея» является следствием того факта, что бактериальные токсины и другие агенты могут вызывать повышенную сти-муляцию секреции солей в просвет кишечника с соответствующим объемом секреции воды. Причина этого — нарушение молекулярных механизмов контроля, которые в нор-ме регулируют кишечную секрецию.

Поверхностные клетки и клетки крипт специализированы для абсорбции и секреции

Абсорбция и секреция солей, приводящие к перемещению воды через стенку тонкой кишки, осуществляются специализированными клетками эпителия. Абсорбция осуществляется эпителиальными клетками ворсинок, которые активно абсорбируют Na+. Секреция производится клетками, расположенными в криптах, которые активно перемещают Cl–. Несмотря на то, что эти клетки активно транспортируют столь раз-ные ионы, параллельно осуществляется и котранспорт: абсорбция Na+ не может про-исходить без абсорбции Cl–, а секреция Cl– происходит с параллельным перемещением Na+. Активный транспорт является основой перемещения ионов, а перемещение ионов с противоположным зарядом — также неотъемлемая часть этого процесса.
На Рис. 5-6 показаны молекулярные механизмы транспорта солей клетками ворсинок и крипт в тонкой кишке. В обоих типах клеток вектор транспорта ионов связан с вы-раженным полярным распределением мембранных белков, которые способствуют транс-порту ионов через апикальные и базолатеральные участки мембраны клеток. В на-стоящее время найдены и специальные гены, ответственные за синтез этих белков.
Особой структурой как в абсорбирующих, так и в секретирующих клетках явля-ется Na+,K+-ATФaзa. Этот транспортный белок расположен исключительно на базолате-ральных участках мембраны клеток кишечника и связывает непосредственно процессы ионного транспорта и энергетические процессы в клетках. Na+,K+-АТФаза поддержива-ет низкий уровень внутриклеточного Na+ и высокую концентрацию внутриклеточного К+ за счет гидролиза АТФ. Na+,K+-ATФaзa создает градиенты концентраций Na+ и K+, не-обходимые для поддержания абсорбционной и секреторной активности в эпителиальных клетках кишечника.

Абсорбирующие клетки

Мембрана щеточной каемки абсорбирующих клеток специализирована в отношении пассивного транспорта Na+ в клетки из просвета кишки. В тонкой кишке это проис-ходит преимущественно двумя путями. Первый путь: антипорт Na+/H+, специализирую-щийся на катализе обмена этих ионов в соотношении 1:1. При этом ионы натрия вхо-дят в клетку, а протоны водорода выходят из клетки. Второй механизм — котранс-портер Na+/глюкоза, переносящий внутрь клетки ионы Na+ и молекулы глюкозы в соот-ношении 1:1, либо в соотношении 2:1. Таким образом, в присутствии глюкозы Na+ поступает в клетку вместе с ней. В этом механизме свободная энергия натриевого градиента способствует абсорбции глюкозы. Однако необходимо отметить, что нали-чие глюкозы в просвете кишки резко повышает абсорб

Рис. 5-6. Молекулярные механизмы транспорта веществ клетками ворсинок и крипт в тонкой кишке. Показаны некоторые мембранные белки, участвующие в транспорте солей через апикальные и базолатеральные участки мембраны. Разница электрических потенциалов (Vm) между апикальными и базолатеральными участками мем-бран абсорбирующих и секретирующих клеток ориентирована таким образом, что клетки относительно экстра-целлюлярной жидкости имеют отрицательный заряд. Величина Vm на базолатеральном участке мембраны боль-ше, чем Vm апикального участка мембраны, поэтому трансэпителиальный электропотснциал, измеренный через слой эпителиальных клеток, является отрицательным со стороны просвета кишки

цию натрия, усиливая его проникновение в клетки. Этот механизм лежит в основе использования растворов глюкозы перорально для регидратации больных с диареей, так как глюкоза повышает абсорбцию Na+ и воды. Растворы, содержащие только необходимые электролиты, менее эффективны, поскольку они не стимулируют глюкозозависимый транспорт Na+ в клетки.
Na+,K+-ATФaзa базолатерального участка мембраны и белки-переносчики Na+ в апикальных отделах мембраны клеток отвечают за трансцеллюлярный перенос Na+ из просвета кишки в кровь; поэтому активный транспорт Na+ — основной механизм аб-сорбции солей и воды. Абсорбция Сl–, соответствующая абсорбции натрия, происхо-дит двумя путями. Часть Сl– абсорбируется из межклеточного пространства благода-ря слабому электрическому потенциалу, отрицательному со стороны просвета кишки. Кроме этого, существует и трансцеллюлярный механизм абсорбции Сl–, обеспечивае-мый Сl–/НСО3–-антипортом в апикальном участке мембраны. Механизм транспорта хлора через базолатеральный участок мембраны пока не совсем понятен: это может быть либо Сl–-селективный канал, либо Сl–,K+-котранспортер. Образование Н+ и НСО3– из угольной кислоты с помощью карбоангидразы способствует сочетанному транспорту Na+ и Сl–.

Секреторные клетки

Транспортные белки в секреторных клетках отличаются от транспортных белков в клетках ворсинок (рис. 5-6). Содержание Na+ в клетках регулируется белками базо-латерального участка мембраны, в то время как проницаемость для Na+ в апикальных отделах клеток относительно мала. Натрий поступает в клетку через базолатеральный участок мембраны посредством механизма сочетанного транспорта; в ка-ждом цикле в клетку переносится по одному иону Na+ и К+ и по два иона Cl–. Так как суммарный заряд при таком переносе ионов равен нулю, скорость транспорта за-висит не от мембранного потенциала, а от концентрации этих трех ионов. Суммарный эффект направленных внутрь градиентов Na+ и Cl– и направленного наружу градиента 1C приводит к перемещению всех трех ионов внутрь клетки. Натрий, который входит в клетку и выходит из нее, рециркулирует за счет Nа+,К+-АТФазы. Таким образом, поддерживается высокий градиент Na+ вне клетки. Транспортный белок в этих клет-ках сходен с белком апикальной мембраны клеток почечных канальцев, переносящих натрий. Фармакологический эффект некоторых диуретиков (фуросемида, буметанида) основан на их влиянии именно на этот белок.
Ионы хлора, которые проникают в клетку через базолатеральные участки мембраны, выходят из клетки через селективные Cl–-каналы в апикальных участках мембраны. Хлор выходит из клетки пассивно. Концентрация Cl– в клетке постоянна и составля-ет около 30 ммоль/л, в просвете кишки она в три раза меньше, при этом разность потенциалов — около 50-60 мВ. Поэтому при открытии каналов Cl– выходит из клетки (рис. 5-6). Выход Na+ требуемый для компенсации выхода Cl–, происходит преимуще-ственно интерцеллюлярно под действием отрицательного электрического потенциала в просвете кишки. Надо сказать, что активная абсорбция Na+ и активная секреция Cl–, несмотря на разнонаправленный транспорт, создают отрицательный потенциал в про-свете кишки (см. подпись к Рис. 5-6). Интересно отметить, что основные механизмы этой секреции встречаются у некоторых позвоночных, но не у млекопитающих, напри-мер у акул и птиц, которые имеют так называемые «солевые железы», секретирующие соль.

Цитоплазматическая цАМФ является основным регулятором абсорбции и секреции

Секреция и абсорбция солей — регулируемые процессы, и их нарушение приводит к диарее. Цитоплазматическая циклическая АМФ (цАМФ) является основным фак-тором в их регуляции. Механизмы, приводящие к повышению концентрации цАМФ в ци-топлазме, как правило, усиливают секрецию и снижают абсорбцию солей, приводя к суммарному увеличению секреции. Для понимания этих процессов необходимо описать регулируемые транспортные механизмы (каналы и транспортеры) и компоненты клеточ-ных систем, связанные с цАМФ.
На Рис. 5-7 представлен вторичный мессенджер сигнальной системы (цАМФ), харак-терный для большинства клеток. Некоторые агонисты, стимулы и фармакологические препараты активируют эту систему, влияя на синтез цАМФ, разрушение цАМФ или на оба этих процесса. Активирующий стимул может взаимодействовать с регуляторным G-белком либо прямо, либо через рецепторы, повышая активность аденилатциклазы, что приводит к увеличению синтеза цАМФ из АТФ. Молекула цАМФ связывается в цитоплаз-ме с регуляторными субъединицами другого фермента (протеинкиназы А), вызывая от-щепление активной каталитической субъединицы, которая может катализировать пере-нос фосфата на клеточные белки.
Наиболее важным механизмом в регуляции внутриклеточных процессов является фосфо-рилирование, которое имеет значение для транспорта электролитов и воды в кишеч-нике, в частности в секреторных клетках кишечных крипт. Как показано на Рис. 5-6, любое трансцеллюлярное перемещение Cl– (как поступление хлора через базолате-ральные, так и выход хлора через апикальные участки мембраны) регулируется реак-цией фосфорилирования. Фосфорилирование апикального Сl–-селективного канала уве-личивает время открытия этого канала, а фосфорилирование Na+,K+, 2Cl–-тpaнcпopтнoгo белка усиливает активность этого процесса. Таким образом, любой стимул, увеличивающий содержание в клетке цАМФ, может вызвать резкое усиление активной секреции Cl–.
Роль цАМФ в механизме абсорбции до конца не изучена, хотя есть убедительные данные, говорящие за то, что повышение концентрации цитоплазматической цАМФ уменьшает абсорбцию солей, вероятно, угнетая абсорбцию Na+ и Cl– на апикальном участке мембраны. Суммарный секреторный эффект при повышении концентрации цАМФ усиливается, поскольку, с одной стороны, происходит увеличение секреции, с дру-гой — уменьшение абсорбции. Нет данных о влиянии цАМФ на активность котранспор-тера Na+ и глюкозы апикального участка мембраны. Поэтому такой путь поступления Na+ в клетку не подавляется даже в случае сильной стимуляции, приводящей к зна-чительному повышению секреции Cl–. Это объясняет эффективность регидратации пе-роральным приемом растворов глюкозы при лечении диареи.
Циклический гуанозинмонофосфат (цГМФ) также является важным мессенджером в регуляции секреции Cl–. Он образуется под действием гуанилатциклазы и активирует киназу, известную как протеинкиназа G. Циклический ГМФ, как и цАМФ, усиливает секрецию солей, а также ослабляет абсорбцию, хотя тонкие молекулярные основы этих изменений еще менее изучены. Следующим внутриклеточным мессенджером являет-ся кальций, который также модулирует абсорбцию и секрецию, хотя механизмы этого действия тоже пока мало изучены.

Cl–-канал апикального участка мембраны является трансмембранным ре-гулятором, «сопровождающим» муковисцидоз

В последние годы резко возрос интерес к белку, функционирующему в качестве хлорного канала в апикальных участках мембраны секреторных клеток тонкой кишки, поскольку при врожденном заболевании — муковисцидозе (кистозном фиброзе) обнару-жена мутация гена, кодирующего именно этот белок. Ген кодирует белок , состоящий из 1480 аминокислот и названный муковисцидозным трансмембранным регулятором (cystyc fibrosis transmembrane conductance regulator [CFTR]), который действует в качестве Cl–-селективного ионного канала. Он активируется цАМФ и имеется в клетках поджелудочной железы, кишечника, дыхательных путей, половых органов. Му-тация этого гена приводит к нарушению секреции Cl–, что является причиной многих симптомов при муковисцидозе. Нарушение транспорта Cl– может быть прямым следст-вием дисфункции CFTR Cl–-канала. Мутация может приводить: (1) к образованию не-полной цепочки белка, который быстро разрушается в клетке, (2) к синтезу белка с нормальной длиной цепочки, но не встраивающегося в апикальный участок мембраны, (3) к синтезу белка с полной (нормальной) длиной цепочки, но функционально де-фектного, который встраивается в апикальный участок мембраны. Наиболее частая мутация — это потеря фенилаланина в положении 508 (ДР508), приводящая к образо-ванию цепочки белка с почти полной длиной, не встраивающейся в мембрану клетки.
Молекулярные механизмы активации CFTR были изучены при анализе его аминокислот-ного состава (см. Рис. 5-8). Большой цитоплазматический домен (R-домен) содержит много участков, подвергающихся фосфорилированию проте

Рис. 5-7. Схема действия вторичного мессенджера сигнальной системы (цАМФ), обнаруженного в большинстве клеток. Связывание гормона (или нейротрансмиттера) с его рецептором образует активированный комплекс, взаимодействующий со стимулирующим G-белком (G;)

Рис. 5-7 (продолжение). Активированный G-белок освобождается от гуанозиндифосфата (ГДФ), с которым он связан в неактивированном состоянии, и соединяется с гуанозинтрифосфатом (ГТФ). Это приводит к образова-нию С;д и Gp у-субъединиц, после чего Gsa связывается с аденилатциклазой, которая катализирует образование цАМФ из АТФ. Циклическая АМФ образует связи с регуляторными субъединицами протеинкиназы А, от которой отсоединяются каталитические субъединицы, регулирующие фосфорилирование соответствующих участков бел-ков. (По: DarnellJ., Lodish H., Baltimore D. Molecular Cell Biology, 2nd ed. New York Scientific American Books, W. H. Freeman, 1990.)

Рис. 5-8. Вероятное строение CFTR. Белок состоит из 1480 аминокислот, образующих около пяти доменов: два мембранно-соединенных домена (MSD1 и MSD2), каждый из которых содержит шесть сегментов, организованных таким образом, что формируют хлорный канал; и три цитоплазматических домена (NBF-1, NBF-2 и R), регули-рующих активность канала

инкиназой А (ПКА). Было установлено, что удаление этих участков снижает активность хлорных каналов при повышении концентрации цитоплазматической цАМФ. Эти каналы имеют также два других цитоплазматических регуляторных домена, кото-рые называются нуклеотидсвязывающими, так как они почти гомологичны семейству белков, связывающих и гидролизующих АТФ. Повышение концентрации цАМФ в цитоплаз-ме активирует CFTR следующим образом: цАМФ связывается с каталитической субъеди-ницей протеинкиназы А и освобождает активную каталитическую субъединицу, которая способствует фосфорилированию одной или нескольких сериновых структур R-домена CFTR. Затем нуклеотидсвязывающие участки присоединяют и гидролизуют АТФ, что в результате открывает каналы. Затраты энергии при этом необходимы для изменения конформационной структуры канала, что ведет к его открытию, после чего происхо-дит пассивный транспорт ионов и затрат АТФ для этого процесса не требуется.
В секреторных клетках кишечника CFTR является единственным хлорным кана-лом, в то время как в секреторных клетках других тканей (дыхательные пути и слюнные железы) имеется еще и кальцийзависимый Сl–-канал в апикальном участке мембраны. Поэтому у больных с муковисцидозом эпителий кишечника не способен сек-ретировать Сl–. Исследования распределения матричной РНК, проведенные с помощью гибридизации клеток показали, что информация для синтеза CFTR реализуется в клетках крипт кишки, где и происходят секреторные процессы.

Энтеротоксины бактерий активируют систему вторичных мессенджеров в клетках

Большинство данных о внутриклеточных механизмах абсорбции и секреции полу-чены при изучении эффектов бактериальных энтеротоксинов, вызывающих тяжелую диа-рею. Наиболее показательно исследование холерного экзотоксина Vibrio cholerae — инфекции, вызывающей эпидемии в Азии и Южной Америке. Кишечная секреция под дей-ствием холерного токсина является следствием длительной активации аденилатцикла-зы и увеличения концентрации цитоплазматической цАМФ. Экзотоксин представляет собой пептид с массой 84 кД и состоит из одной А и пяти В субъединиц. Субъедини-ца А является простым полипептидом массой 29 кД, в свою очередь, она состоит из двух компонентов — Al (23 кД) и А2 (6 кД), соединенных дисульфидным мостиком. После связывания холерного токсина через свои В субъединицы с поверхностью апи-кальной мембраны субъединица А проникает в клетку, где высвобождается компонент Al. В цитоплазме он действует как белок, катализирующий ковалентную модификацию G-протеина для активации аденилатциклазы. АДФ-рибоза присоединяется к аргинино-вому остатку -субъединицы Gs, после чего модифицированная -субъединица отсо-единяется от - и -субъединиц и активирует аденилатциклазу, что приводит к по-вышению цАМФ и стимуляции апикальных Cl–-каналов в секреторных клетках и к сни-жению активности абсорбирующих клеток. В конечном счете это завершается тяжелой секреторной потерей солей и воды, опасной для жизни. Предполагается, что наличие у больного мутации гена CFTR, вызывающей у гомозигот тяжелые проявления муковис-цидоза, у гетерозигот (с потерей только одного гена) сопровождается меньшей чув-ствительностью к некоторым факторам, способствующим секреторной диарее. Естест-венными стимуляторами секреции, опосредованными цАМФ, являются секреторные ней-ротрансмиттеры и, прежде всего, вазоактивный интестинальный полипептид.
Другим важным способом оценки механизмов нарушения секреторного процесса явилось исследование действия термостабильного энтеротоксина Escherichia coli (группа из 18-19-аминокислотных пептидов), активирующего гуанилатциклазу щеточ-ной каемки. Эти секретируемые пептиды связываются с рецепторами гормона гуаниди-на на апикальном участке мембраны. По-видимому, данные рецепторы сами являются гуанилатциклазой, а связывание с ними стимулирует секрецию и угнетает абсорбцию через механизм цитоплазматической цГМФ.

Пероральная регидратация

Дегидратация организма может быть очень опасной. При острых нарушениях водно-солевого обмена наиболее часто применяется внутривенное введение воды и электролитов. В качестве альтернативного метода можно использовать пероральную регидратацию с применением растворов, содержащих смесь солей и глюкозы для мак-симальной стимуляции абсорбции солей и воды ворсинками тонкой кишки. Механизм такой регидратации основан на том, что при секреторной диарее, вызванной, напри-мер, холерным токсином, общее повышение секреции солей и воды обусловлено не только стимуляцией самой секреции, но и угнетением абсорбции, вероятно, за счет нарушения сочетанного транспорта ионов Na+ и С1 в апикальном участке мембраны клеток ворсинок. В то же время активность транспортера Na+/глюкоза не изменяет-ся, поэтому даже при холере введение глюкозы в кишечник стимулирует абсорбцию ионов Na+. Действие глюкозы не влияет на секрецию, но может компенсаторно уси-лить абсорбцию ионов Na+ и воды, что суммарно снижает общую потерю солей и воды.

Наследственные нарушения электролитного транспорта

Наследственные нарушения транспорта электролитов весьма редко являются причиной диареи, но на их примере хорошо видна роль мембранных белков в механиз-ме кишечного транспорта электролитов. В частности, нарушения всасывания глюкозы, галактозы и лактозы приводят к тяжелой диарее у новорожденных, которая исчезает при исключении этих веществ из диеты. У таких больных выявлена неспособность клетки кишечных ворсинок накапливать глюкозу и галактозу из-за дефекта функции котранспортера Na+/глюкoзa. Обнаружено, что при этой патологии в гене, кодирую-щем мембранный котранспортер Na+/глюкoзa, происходит единственная замена гуанина на аденин. В результате чего в кодируемом белке происходит замещение аспарагино-вой кислоты в позиции 28 на аргинин.
При наследственных нарушениях абсорбции электролитов также могут повреждаться два других транспортных белка апикального отдела мембраны — Cl–/НСО3– и Na+/H+ антипорты, что в обоих случаях приводит к диарее. При врожденной хлори-дорее тонкая и толстая кишки не способны активно абсорбировать СГ, поэтому про-исходит нарушение обмена Cl–/НСО3–, из-за чего стул имеет низкий рН. При этом об-мен Na+/H+ не страдает, а степень абсорбции Na+ и НСО3–, наблюдаемая у таких боль-ных, может быть смоделирована у здоровых людей перфузией подвздошной кишки соле-вым раствором, не содержащим хлориды. Исследования ионного транспорта показали, что при врожденной натриевой секреторной диарее нарушается обмен Na+/H+, тогда как сочетанный транспорт Na+-глюкoзa не изменен. У больных с таким врожденным нарушением развивается метаболический ацидоз, в фекалиях повышена концентрация Na+ и НСО3–. Перфузия кишки раствором, не содержащим глюкозу, позволяет выявить фоновую секрецию Na+ и Сl–.