Úvod

Glukóza je základním energetickým substrátem všech buněk v těle. Do jejich cytoplazmy prostupuje povrchovými buněčnými membránami dvěma hlavními způsoby:

• Sekundárním aktivním ko-transportem ^[1], závislým na elektrochemických gradientech iontů sodíku ^[1] (přenašeč SGLT, „sodium-glucose transporter„);
• Usnadněným pasívním transportem ^[1], umožněným přenašeči GLUT („glucose transporter„), kdy se glukóza pohybuje po svém koncentračním spádu.

Sekundární aktivní mechanismus zprostředkovává resorpci glukózy apikálními membránami polárních buněk epitelové výstelky sliznice střeva a proximálních tubulů ledvin. Přenašeče GLUT zprostředkují transport glukózy v ostatních lokalizacích.

Polární buňky

Povrchová plazmatická 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.

Sekundární aktivní transport glukózy – rodina proteinů SGLT

Sekundární aktivní transport glukózy je závislý na přítomnosti gradientu sodných iontů a je zprostředkován přenašeči (symportéry, ko-transportéry) rodiny SGLT. U člověka existuje několik variant těchto přenašečů.

Přenašeč SGLT1 (s genem na chromozomu 22) je vysokoafinitní. Obstarává (Na⁺-dependentní) kotransport glukózy apikální membránou enterocytů a buněk distálního segmentu S3 proximálních tubulů ^[2]. Zprostředkuje resorpci největší části glukózy z lumina tenkého střeva, ale k reabsorci glukózy v ledvinách přispívá méně než 10 %. Velmi dobře také váže a transportuje galaktózu.

• Vrozený defekt tohoto přenašeče způsobuje tzv. glukózo-galaktózový malabsorpční syndrom. Vyznačuje se hojnými vodnatými průjmy vyvolanými potravou obsahující sacharózu, laktózu, glukózu anebo galaktózu.

Přenašeč SGLT2 (s genem na chromozomu 16) je vysokoafinitní. Na rozdíl od SGTL1 specifický pro glukózu, netransportuje galaktózu. Je zatoupen hlavně na kartáčovém lemu prvních prvních dvou segmentů (S1, S2) proximálních tubulů l ^[2]edvin. Odpovídá za více než 90 % reabsorpce veškeré glukózy z primární moče. Je citlivý k florizinu. Ve střevní sliznici je ho málo, nicméně jeho exprese narůstá při zvýšeném obsahu glukózy ve střevním luminu, a pokud lze výsledky demonstrované na myších vztáhnout na člověka, pak může plnit významné funkce při regulaci exprese SGLT 2 a také sekrece inkretinů.

• Vrozený defekt SGLT2 způsobuje benigní familiální renální glukosurii. V  ledvinách se denně filtruje a reabsorbuje asi 180 g (1 mol glukózy) denně. Tubulární maximum reabsorpce glukózy (TmG) je překročeno při rychlosti filtrace glukózy asi 2 mmol/min. Koncentrace glukózy v plazmě, při níž už dochází ke glukosurii je asi 10 mmol/l (asi dvojnásobek normální koncentrace glukózy).

Přenašeč SGTL3 (s genem na chromozomu 22) je nízkoafinitní, opět specializovaný pro transport glukózy, ale je v omezené míře schopen transportovat i galaktózu. Vyskytuje se v ledvinách, střevě, játrech, slezině a příčně pruhovaném kosterním svalstvu.

Gen dalšího příslušníka rodiny SGLT proteinů, symportéru KST1, byl nalezen na stejném chromozomu, jako je gen proteinu SGLT2. Protein KST1 ^[3]se vyskytuje v ledvinách, játrech, příčně pruhovaném kosterním svalstvu, srdečním svalu, mozku a v placentě. Jeho defekty jsou nepřímo spojovány se syndromem dětských křečí a choreoatetózy (ICCA, „infantile convulsions and athetosis„) a s benigními familiálními dětskými křečemi (BFIC, „benign familial infantile convulsions„).

Usnadněný transport glukózy (uniport) – rodina proteinů GLUT

Rodina kazalyzátorů usnadněné difúze glukózy zahrnuje nejméně 14 proteinů GLUT. Jednotliví členové této rodiny se od sebe navzájem liší svou substrátovou specifičností, kinetickými charakteristikami a různou místní i časovou lokalizací v jednotlivých orgánech v závislosti na jejich specifické regulaci.

Příslušníci rodiny GLUT se formálně dělí do tří tříd, z nichž pouze první třída, do níž byly zařazeny proteiny GLUT1 – GLUT4, je lépe prostudována.

GLUT1 odpovídá za hlavní část transportu glukózy krevně-mozkovou bariérou a membránou erytrocytů v těle dospělých. Je hojně zastoupen  zejména ve tkáních vyvíjejícího se lidského plodu. V malém množství ale zůstává přítomen snad ve všech buňkách lidského těla, takže může zprostředkovat bazální transport glukózy do buněk. Koncentrace GLUT1 se snižuje při rostoucích hladinách glukózy a roste při snižujících se hladinách glukózy v plazmě.

Mutace genu proteinu GLUT1 mohou způsobit tzv. syndrom glukózového transportéru. Postižení mají snížené koncentrace glukózy v cerebrospinální tekutině a trpí křečemi, růstovými poruchami a získanou mikrocefalií.

GLUT2 je nízkoafinitní a vysokokapacitní. Zprostředkuje přenos glukózy (a také galaktózy a případně fruktózy) v několika významných lokalitách:

• Transport přes bazolaterální membrány epitelových buněk ledvinových tubulů a tenkého střeva.
  • V těchto případech je glukóza aktivně resorbována z lumina tubulů nebo střeva skrze apikální kartáčový lem do buněk pomocí ko-transportérů SGLT a poté se pohybuje po spádu svého chemického potenciálu přes bazolaterální membránu do intersticia usnadněným přenosem pomocí nosičů GLUT2.
• Transport přes membránu krevního pólu hepatocytů. Tok glukózy zprostředkovaný tímto nosičem míří po jídle, kdy je koncentrace glukózy v plazmě vysoká, z plazmy do hepatocytů, zatímco v období nalačno, kdy v játrech převažuje glukoneogeneze a produkce glukózy, míří z hepatocytů do plazmy.
• Transport přes membránu β-buněk ostrůvků pankreatu. Tato funkce je významná pro regulaci sekrece inzulínu. β-Buňky rovněž obsahují GLUT1 a GLUT3, které případně mohou alespoň zčásti kompenzovat výpadek GLUT2.

Vrozený defekt GLUT2 je spojen se vzácným autosomálně recesívním Fanconi-Bickelovým syndromem. Pacienti trpí glykosurií, hypoglykémií nalačno a postprandiální hyperglykémií způsobenou jednak zpomaleným přestupem glukózy do jater, jednak opožděným nástupem sekrece inzulínu z β-buněk (není však přítomen diabetes). Navíc je přítomna ketonurie, aminoacidurie a křivice.

GLUT3 je vysokoafinitní nosič. Může usnadnit přenos i při nízkých koncentracích glukózy. Je hlavním katalyzátorem uniportu glukózy do neuronů a v placentě.

GLUT4 je výrazně řízen inzulínem. Je v cílových tkáních inzulínu kromě jater – tzn. v tukových buňkách a v příčně pruhovaném kosterním a srdečním svalstvu.

Z příslušníků zbývajících dvou tříd lze zmínit alespoň dva členy třídy II:

• GLUT5 je lokalizován na apikálním kartáčovém lemu střeva a je odpovědný za usnadněný přenos fruktózy do enterocytů ^[4]; fruktóza je pak na bazolaterálním pólu transportována z enterocytů prostřednictvím GLUT2.
• GLUT7 – nosič glukózy na membránách endoplazmatického retikula.

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