Polární buňky

Membrána polární buňky se odlišuje od povrchu nepolární buňky v tom, že má oddělené rozsáhlé plochy s nestejnými charakteristikami. Uspořádání takto navzájem odlišných membrán v sérii za sebou, jak je tomu v souborech polárních buněk, epitelech, vytváří systém s naprosto novými transportními vlastnostmi. Povrchová různorodost je v mikroměřítku přítomna na každé membráně, avšak u polární buňky odráží její celkovou specializaci. Co do morfologie, složení a funkce lze rozlišit nejméně dva póly:

• Část plazmatická membrány, prostřednictvím které epiteliální buňka lemuje lumen trubice anebo dutinu orgánu, je často modifikována v tzv. kartáčový lem a označuje se jako apikální, luminální anebo tubulární membrána. Kartáčové lemy bývají bohatě pokryty vrstvou glykoproteinových komplexů (glykokalyx).
• Část plazmatická membrány na bazálním pólu buňky, kde se buňka ukládá na vazivovou bazální membránu, má mnoho shodných vlastností s částí kryjící boky buňky, a proto se společně označují jako laterobazální membrána, kontraluminální membrána nebo peritubulární membrána. K základním charakteristikám bazolaterální membrány patří přítomnost sodno-draselné pumpy – Na⁺/K⁺-ATPázy.

V místech, kde kartáčový lem přechází v laterální membránu, jsou umístěna mezibuněčná spojení, zonulae occludentes („tight junctions„).

Na úrovni membrány jednotlivé buňky jsou zonulae occludentes překážkou, která omezuje pohyby molekul v rovině membrány, a jsou tedy hranicí odlišných charakteristik apikálních a laterobazálních membrán. Na úrovni epitelu plní zonulae occludentes další funkce. Přispívají ke stabilitě epitelu a spolu s apikálními membránami vytvářejí bariéry oddělující dvě zásadně odlišná prostředí — lumen orgánu od prostředí intra- a sub-epiteliálního. V intraepiteliálním prostředí pak rozlišujeme dvě složky. Jednou je obsah buněk, druhou jsou mezibuněčné prostory sahající od bazální membrány právě do výše mezibuněčných spojení.

Transport látek epitelovou bariérou se může uskutečnit dvěma způsoby:

• Cestou paracelulární (mezibuněčnými spojeními a mezibuněčnými prostory);
• Cestou transcelulární (postupně apikální membránou, cytoplazmou buňky a laterobazální membránou).

Paracelulární cesta (paracelulární zkrat)

Zonulae occludentes jsou vytvořeny řadou kontaktů v sítích větvených linií, které vystupují nad povrch membrány každé buňky směrem do stran k sousedním buňkám jako soustava horských hřebenů probíhajících podél hranice kartáčového lemu s laterobazální membránou. Podle bohatosti členění hřebenů se vytváří různé množství kontaktů.

Existuje určitá korelace mezi počtem kontaktů a typem epitelu. V málo průlinčitých, tzv. „těsných“ („tight„) epitelech, je v poměrně vysoké (více než 0,5 μm) zonula occludens uloženo 5 – 12 kontaktů nad sebou v apikálně-bazálním směru. Ve vysoce průlinčitých, tzv. „volných“ („leaky„) epitelech, je zonula occludens málo rozvinuta, s méně než 5 – 6 kontakty nad sebou.

Dutiny ohraničené „těsnými“ epitely obvykle obsahují hypertonické tekutiny, dutiny lemované „volnými“ epitely zprostředkovávají transport izotonických roztoků. Příklady těsných epitelů poskytují močový měchýř, sběrné kanálky ledvin, žaludek, vývody slinných žláz anebo žabí kůže. Příklady průlinčitých epitelů jsou proximální tubulus ledvin, tenké střevo, žlučník anebo plexus chorioideus. Vysoce průlinčité epitely mají oproti „těsným“ epitelům malý transepiteliální odpor, vysokou elektrickou vodivost, vysoké koeficienty permeability pro vodu, soli a také některé neelektrolyty. Souvisí s tím neschopnost průlinčitých epitelů udržet větší transepiteliální rozdíly koncentrací a elektrických potenciálů.

Paracelulární zkraty se významně podílejí na pasívních přenosech vody, elektrolytů a solutů. Aktivní transportní mechanismy epitelových buněk, které dovedou usměrnit toky iontů a solutů přes laterobazální membránu do mezibuněčných epitelových prostor a pak dále do intersticia za bazální membránu, vytvářejí osmotickou hnací sílu pro pohyb tekutiny z lumina přes zonula occludens k bazální membráně a ke kapilárám uloženým za ní.

Transcelulární transport

Při transcelulárním přenosu prochází transportovaný substrát přes cytoplazmu epitelové buňky od jednoho pólu buňky ke druhému. Podle toho, zda aktivní přenos napříč epitelem určují apikální, nebo laterobazální segmenty membrán jeho polárních buněk, lze rozlišit dvě základní schémata.

• První schéma odpovídá prostupu sodných iontů žabí kůží. V tomto případě substrát pasívně vniká apikální membránou z okolního prostředí do buňky a je pak aktivně transportován laterobazální plazmatickou membránou do organismu. Takové schéma se uplatňuje při transportu Na⁺ epitely průlinčitého typu.
• Podle druhého schématu je primární aktivní hranicí apikální membrána. Substrát, akumulovaný pod apikální membránou v cytoplazmě, pak přechází pasívně laterobazální membránou po spádu svého chemického potenciálu do intersticia a do krevního anebo lymfatického oběhu. Takové schéma odpovídá transportu aminokyselin, sacharidů a dalších látek průlinčitými epitely.

Transportní systémy aminokyselin na apikálních membránách ledvin a střeva

V kartáčových lemech proximálních tubulů a tenkého střeva jsou přítomny následující transportní systémy pro aminokyseliny:

• Systém pro transport velké skupiny neutrálních α-aminokyselin;
• Systémy pro transport iminokyselin a glycinu;
• Systémy pro transport bazických aminokyselin a cystinu/cysteinu;
• Systém pro transport kyselých aminokyselin.

Skupinový systém pro transport velké skupiny neutrálních α-aminokyselin

Neutrální α-aminokyseliny s výjimkou iminokyselin a glycinu (a možná cystinu) jsou v tubulech ledvin aktivně přenášeny společným transportním systémem. Přenáší malé nevětvené, větvené i aromatické α-aminokyseliny včetně asparaginu, glutaminu a histidinu. Obdobně jako pro transport sacharidů a aminokyselin v tenkém střevě a pro transport sacharidů v ledvinách jsou i pro aktivní přemístění aminokyselin epitelem proximálních kanálků nezbytné kationty sodíku. V experimentu mohou být nedokonale nahrazeny ionty lithia.

Společný systém pro neutrální α-aminokyseliny pracuje sekundárním aktivním mechanismem. Při něm se vytváří ternární komplex pohyblivého membránového přenašeče se substrátem a Na⁺. Substrát (aminokyselina) se v přítomnosti gradientu sodných iontů akumuluje v cytoplazmě buňky ve vyšší koncentraci, než v jaké je obsažen v prostředí.

Souhrnný pohyb komplexu napříč membránou je elektrogenní. Akumulace je proto závislá nejen na koncentraci aminokyseliny a Na⁺, ale i na výši transmembránového potenciálu. Každý aktivní přenos substrátu do prostoru pod kartáčovým lemem vnáší do buňky kladný náboj, a je tedy provázen depolarizací membrány. Potenciál membrány – a s ním také gradient sodných iontů – musí být obnoven jiným elektrogenním dějem, kterým bude přebývající kladný náboj vytěsněn zpátky na zevní stranu. Tuto funkci primárně plní Na⁺/K⁺-ATPáza situovaná na laterobazální membráně.

Porucha skupinového transportního proteinu pro neutrální aminokyseliny může postihnout jeho funkce v obou hlavních lokalitách – v proximálních tubulech ledvin i v jejunu. Vrozená (autosomálně recesívní) forma takového postižení je známa jako Hartnupova nemoc. Provázejí ji nadměrné ztráty alaninu, serinu, threoninu, větvených aminokyselin valinu, leucinu a izoleucinu, aromatických aminokyselin fenylalaninu, tyrosinu a tryptofanu, histidinu a obou přirozených derivátů dikarboxylových aminokyselin, tj. argininu a glutaminu, se všemi z toho plynoucími následky pro výživu. Přestože každá z aminokyselin anebo většina z nich může být v určité míře transportována i jinými aminokyselinovými přenašeči včetně selektivních, obtíže vzniklé defektem skupinového transportního proteinu jsou klinicky vážné.

Skupinový systém pro transport iminokyselin a glycinu

Nález zvýšeného vylučování prolinu, hydroxyprolinu a glycinu do moči při tzv. iminoglycinurii je manifestací poruchy iminoglycinového skupinového transportního mechanismu společného pro vyjmenované tři aminokyseliny. Transportní protein se normálně vyskytuje v proximálních tubulech ledvin i ve sliznici jejuna. Resorpce uvedených tří aminokyselin není při Hartnupově nemoci postižena a iminoglycinurie sama se klinicky jinak nemanifesstuje.

Byla popsána prolinurie bez doprovodného vylučování glycinu a také osamocená glycinurie. Lze to vysvětlit výskytem různých mutací transportního proteinu, nebo existencí samostatných transportních systémů.

Podobně jako skupinový transport neutrálních α-aminokyselin je i aktivní transport iminokyselin a glycinu saturovatelný a závislý na Na⁺.

Systémy pro transport bazických aminokyselin a cystinu

Na polárních buňkách epitelu proximálních tubulů a jejuna je přítomen skupinový transportní systém, který slouží pro přenos jednak bazických aminokyselin argininu, lysinu a ornitinu (skupina ALO) a jednak cystinu.

Porucha společného systému pro aminokyseliny skupiny ALO a cystinu vede ke klasické autosomálně recesívní cystinurii. Defekt zasahuje i střevní sliznici. Jde o nejčastější vrozenou poruchu transportu aminokyselin u člověka.

Na základě genetických analýz se rozlišují tři formy onemocnění. Při jedné z nich (typ I) je (autosomálně recesivně) postižen samotný transportní protein (gen SLC3A1 na chromosomu 2), zatímco zbývající dva typy (typ II a III) jsou způsobeny mutacemi jiného proteinu, potřebného pro správnou funkci transportního proteinu. Při klasické cystinurii je hladina cystinu/cysteinu v plazmě pacientů 6krát nižší proti normě. Také hladina ALO je abnormálně nízká. Obě skupiny aminokyselin ve velkém množství unikají močí anebo stolicí a nejsou v dostatečné míře doplňovány. Po podání cysteinu se zvyšuje vylučování cystinu, zatímco perorálně podaný cystin se vylučuje ve formě sulfátu jako produkt bakteriálního působení. Hlavní riziko cystinurie spočívá v těžkém poškození ledvin nefrokalcinózou.

Bazické aminokyseliny arginin, lysin a ornitin (skupina ALO) jsou navíc transportovány svým vlastním společným systémem skupiny ALO, který je selektivní a neinteraguje ani s cystinem, ani s jinými aminokyselinami. Transportní protein y+LAT tohoto systému (gen SLC7A7 na chromosomu 14) se rovněž normálně exprimuje v tubulech ledvin i v epitelu jejuna. Je funkční ve formě dimeru s těžkým řetězcem povrchového glykoproteinu 4F2, se kterým vytváří natrium-independentní heterodimerní transportní systém y⁺L známý už ze studií prováděných na membránách nepolárních buněk. Jeho postižení vede k těžkému rozvratu mezibuněčného transportu bazických aminokyselin s vážnými klinickými následky a s (di)bazickou aminoacidurií bez cystinurie. Hlavní forma této poruchy se označuje jako lysinurická proteinová intolerance.

Podobně pravděpodobně existuje v proximálních tubulech ledvin i samostatný transportní systém pro cystin, který neinteraguje s bazickými aminokyselinami. Exprimuje se v ledvinových tubulech i v jejunu. Jeho postižení vede k hypercystinurii bez bazické aminoacidurie. Alternativním mechanismem pro vysvětlení hypercystinurie tohoto typu je zapojení efluxního systému pro cystin, který by u postižených jedinců mohl vést k nadměrné sekreci cystinu do proximálních ledvinových tubulů. V moči cystinurických pacientů byl nalezen disulfid cystein-homocystein, který chybí u zdravých jedinců. V buňkách je za normálních okolností přítomen hlavně cystein, nikoliv cystin jako takový. Porucha u cystinurie tak může spočívat i převáděcím mechanismu udržujícím cystein v redukované formě. Odtud by vycházela jak produkce neobvyklých metabolitů, tak nadměrná tvorba cystinu, který se vyplavuje do moči a ohrožuj pacienta nefrokalcinózou.

Existuje i porucha vedoucí k nadměrnému hromadění cystinu v cytoplazmě buněk (cystinóza). Je spojena s defektem transportního proteinu pro cystin na membránách lysozomů.

Systém pro transport kyselých aminokyselin

Kyselina glutamová a kyselina asparagová jsou transportovány společným systémem, který nepřenáší aminokyseliny jiných tříd. Resorpce je aktivní a předpoklad o existenci tohoto systému je podpořen nálezem izolovaného transportního defektu pro obě aminokyseliny (kyselá anebo dikarboxylová aminoacidurie). Podobně jako iminoglycinurie se ani kyselá aminoacidurie jinak klinicky nemanifstuje.

Zpracoval: Jaroslav Veselý, Ústav patologické fyziologie LF UP v Olomouci, a Katedra fyziologie a patofyziologie LF OU v Ostravě.