Эпителиальные натриевые каналы (ENaCs) мембраны клетки
• Семейство эпителиальных Nа+-каналов/дегенеринов отличается разнообразием
• Транспорт ионов Na+-через эпителиальные клетки происходит при участии эпителиальных Nа+-каналов и Nа+/К+-АТФазы
• По строению селективный фильтр ENaC близок к селективному фильтру К+-канала
Эпителиальные Nа+-каналы (ENaCs) представляют собой основной тип каналов, по которым в клетки поступают ионы Na+. В отличие от электрических функций потенциал-зависимых каналов, эпителиальные Nа+-каналы обеспечивают потоки ионов Na+ и контролируют транспорт воды через слой клеток. Как и для многих других белков, транспортирующих ионы Na+, функционирование ENaCs зависит от градиента Na+, формирующегося под действием Nа+/К+-АТФазы.
В отличие от других Nа+-каналов, ENaCs менее зависимы от величины потенциала и не подвержены быстрой инактивации, однако им присуща сложная система долговременной гормональной регуляции. Впервые ENaCs были обнаружены в клетках эпителия, однако они также находятся в нейронах и в других клетках. Аминокислотная последовательность белков ENaCs близка к последовательности дегенеринов С. elegans, участвующих в формировании тактильных ощущений.
ENaCs выполняют разнообразные функции, например регулируют кровяное давление, размножение, пищеварительные процессы, а также координацию движений. Например, ENaCs клеток почек и желудочно-кишечного тракта участвуют в поддержании необходимой концентрации К+ и Na+ в плазме крови, а также в моче и фекалиях. Транспорт ионов Na+ через каналы клеток легкого и слюнных желез поддерживает ионный состав легочного сурфактанта и слюны. В настоящем разделе мы рассмотрим роль ENaCs в поглощении и транспорте ионов Na+ через мембрану клеток почечного эпителия.
Основная функция почек состоит в очистке плазмы крови путем фильтрации из нее метаболических шлаков, например мочевины, в мочу. При этом почки участвуют в поддержании гомеостаза за счет регуляции количества жидкости в организме и концентрации растворенных в ней веществ, которые, в свою очередь, влияют на кровяное давление. В ходе сложных процессов фильтрации, реабсорбции и секреции ионы, сахара, аминокислоты и небольшие белки проходят через почечные канальцы, содержащие ультрафильтрат плазмы. Почечные канальцы и трубочки выстланы поляризованными эпителиальными клетками.
Со стороны люмена, заполненного фильтратом, расположена апикальная мембрана, а со стороны полости кровеносного сосуда находится базолатеральная мембрана. Эти специализированные эпителиальные клетки реабсорбируют многие компоненты фильтрата, например соли и воду, перенося их назад, в плазму. Тем самым сохраняется постоянство объема крови и поддерживается необходимая концентрация этих компонентов.
Через эпителиальные Na+-каналы (ENaCs), расположенные в апикальной мембране клеток,
выстилающих почечные канальцы, происходит реабсорбция ионов Na+ из клубочкового фильтрата
ENaCs расположены в апикальной мембране специализированных клеток эпителия дистальных канальцев и собирательных трубочек почки. Они расположены на пути в клетку ионов Na+, поступающих из фильтрата плазмы (предшественника мочи). Ионы Na+ проходят через ENACs в направлении электрохимического градиента (вне клетки их концентрация выше, чем внутри клетки). Транспорт ионов Na+ через ENACs, расположенные на апикальной мембране, сопряжен с их транспортом через базолатеральную мембрану, который происходит с участием Na+/К+-АТФаз и приводит к переносу натрия в кровь через стенки капилляров.
За счет транспорта Na+ из цитозоля Na+/К+-АТФазы создают значительный электрохимический градиент Na+, необходимый для функционирования ENACs. В результате совместного действия ENaCs и Na+/К+-АТФаз ионы натрия транспортируются через эпителиальные клетки из фильтрата плазмы в просвет канальца и в конце концов попадают назад в плазму крови. Na+/К+-АТФаза является электрогенератором: на каждые три атома Na+, выходящие из клетки, она закачивает два атома К+. В результате транспорта Na+ через ENaCs также генерируются электрические заряды: сторона апикальной мембраны, обращенная к просвету канальца, получает больше отрицательных зарядов, чем расположенная со стороны цитоплазмы. За счет этого в просвете создается отрицательное электроокружение, что способствует секреции К+ в фильтрат через апикальные К+-каналы.
Таким образом, транспорт ионов Na+ через клетки эпителия играет важную роль в поддержании состава и объема жидкости, находящейся с апикальной и базолатеральной сторон слоя эпителиальных клеток. За счет функционирования ENaC клеток дистальных канальцев и собирательных трубочек почек реабсорбируется примерно 7% отфильтрованных ионов Na+ и Сl-, а также секретируются различные количества К+.
Процесс реабсорбции Na+ из фильтрата почек, происходящий через ENaCs, регулируется гормонами — альдостероном и вазопрессином. Эти гормоны высвобождаются соответственно из надпочечников и гипофиза при дегидратации или солевой недостаточности и связываются с рецепторами почечных клеток. При этом происходит экспрессия ENaCs на плазматической мембране и увеличивается реабсорбция Na+ из фильтрата, а также его транспорт в плазму крови. За счет гормональной регуляции, при экстремальных условиях концентрация Na+ и баланс жидкости поддерживаются на оптимальном уровне.
ENaC состоит из трех гомологичных субъединиц, а, b и у, образующих мультимерный канальный комплекс. Атомарные структуры ENaCs пока не получены. Однако на основании данных секвенирования белков и реконструкции in vitro предполагается, что каждый комплекс ENaC состоит из четырех субъединиц (двух а, одной b и одной у), и каждая субъединица участвует в образовании центральной поры канала.
Топологически каждая субъединица состоит из двух трансмембранных сегментов с N- и С-терминальными цитоплазматическими доменами. В образовании поры участвует второй трансмембранный сегмент каждой субъединицы тетрамерного канала.
Селективный фильтр ENaC обеспечивает возможность избирательного транспорта ионов Na+. Фильтр содержит сигнатурную последовательность Gly-X-Ser (X — одна из нескольких аминокислот), которая примыкает к второму трансмембранному сегменту со стороны наиболее узкой части поры. Мутация в любом из трех аминокислотных остатков коренным образом меняет проводимость канала, что определяется с помощью электрофизиологических экспериментов. Предполагается, что карбонильные атомы кислорода Gly-X-Ser остатков выстилают селективный фильтр и оказывают стабилизирующее действие на частично дегидратированные ионы определенного диаметра. Такое устройство напоминает селективный фильтр некоторых К+-каналов, однако последние не содержат последовательностей гомологичных ENaC.
Диуретик амилорид блокирует реабсорбцию Na+ с участием ENaC, которая происходит через апикальные мембраны дистальных канальцев и собирательных трубочек. (Таким образом, в электрофизиологи-ческих экспериментах функция ENaC характеризуется как обеспечивающая поток ионов Na+, чувствительный к амилориду.) Амилорид конкурирует с ионами Na+ за связывание с наружной частью ENaC, расположенной вблизи от селективного фильтра. Влияние амилорида на реабсорбцию Na+ в дистальном отделе нефрона является основой клинического использования этого препарата в качестве диуретика и в лечении гипертонии.
Поскольку лечение амилоридом приводит к снижению реабсорбции из фильтрата Na+, эти ионы (и вода) попадают в мочу в повышенных количествах. Снижение уровня реабсорбции Na+ в эпителиальные клетки уменьшает его содержание в крови, что приводит к понижению или к нормализации кровяного давления.
Мутации в генах, кодирующих синтез белков ENaC, вызывают тяжелые расстройства регуляции кровяного давления. При редкой наследственной форме гипертонии, называемой синдромом Лиддла, обнаружены изменения белков ENaC, которые вызывают гиперреактивность каналов и аномально высокий уровень реабсорбции Na+ в дистальной части почечных канальцев. В результате увеличивается объем плазмы крови, возникает артериальная гипертония, и в плазме снижается уровень К+. Мутации, приводящие к развитию синдрома Лиддла, локализованы в генах, кодирующих b- или у-субъединицу канала. Напротив, мутации, ответственные за снижение функционирования ENaC при псевдогипоальдостеронизме типа I, вызывают развитие гипотонии (снижение кровяного давления).
При этом содержание Na+ в плазме крови снижается, а содержание К+ увеличивается. Изучение этих генетических заболеваний в существенной мере способствовало пониманию сложных механизмов влияния альдостерона на функции эпителиальных Na+-каналов, а также выяснению их роли в регуляции кровяного давления и гомеостаза плазмы.
Эпителиальные Na+-каналы (ENaCs) состоят из двух а-субъединиц, одной b- и одной у-субъединицы.
Предполагается, что каждая субъединица состоит из двух трансмембранных сегментов, петли,
расположенной вне мембраны, и содержит N- и С-концевые участки, находящиеся в пределах клетки.
Последовательность Gly-X-Ser каждой субъединицы входит в состав селективного фильтра.
Модификация ENaCs под действием убиквитина является одним из механизмов, регулирующих интернализацию каналов и транспорт ионов Na+.
Еще один механизм включает фосфорилирование внутриклеточных последовательностей, происходящее под действием альдостерона.
Na+/K+-АТФаза поддерживает градиент Na+ по сторонам плазматической мембраны, удаляя из клетки ионы Na+.
Транспорт ионов в клетку в направлении градиента обеспечивается Na+-каналами.
Некоторые переносчики используют высвобождающуюся при этом энергию для транспорта других метаболитов против градиента концентрации.
