Демонстрация мембранного транспорта гистидина с использованием инвертированных мешков в козьем кишечнике: экспериментальный педагогический инструмент для студентов бакалавриата

Биологические клетки окружены мембранным липидным бислоем, который отделяет внутриклеточный цитозоль от внеклеточного содержимого. Мембрана служит полупроницаемым барьером, регулирующим движение растворенных веществ¹. На транспорт через биологические мембраны влияет коэффициент проницаемости растворенного вещества, который зависит от нескольких факторов, в том числе от концентрации и заряда растворенного вещества. В целом, растворенные вещества перемещаются через мембрану с помощью трех механизмов (рис. 1): пассивная диффузия, облегченная диффузия и активный транспорт². Простая диффузия — это процесс, при котором растворимые, незаряженные и неполярные растворенные вещества пропускают градиент своей концентрации вниз по полупроницаемой мембране (рис. 1A). Мембранные белки не участвуют в этом процессе, поскольку он включает в себя перемещение растворенных веществ из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Скорость диффузии основана на законе Фика³. С другой стороны, облегченная диффузия представляет собой белок-зависимый транспорт, при котором мембрана позволяет только селективным растворенным веществам проходить по градиенту концентрации без затрат энергии (рис. 1B). Этот вид транспорта специфичен и отличается от простой диффузии проявлением кинетики насыщения.

Активный транспорт представляет собой белок-зависимый транспорт молекул против градиента их концентрации, т.е. из области более низкой концентрации в область более высокой концентрации с использованием АТФ или ионных градиентов (рис. 1В). Когда транспортер гидролизует АТФ, этот транспорт называется первичным активным транспортом (рис. 1C; левая панель). Другой формой активного транспорта является вторичный активный транспорт (рис. 1C; правая панель). При вторичном активном транспорте растворенные вещества перемещаются на основе электрохимического градиента. Это происходит, когда белок-транспортер связывает движение иона (обычно Na⁺) вниз по градиенту концентрации с движением другой молекулы или иона против градиента концентрации. Этот вид движения растворенного вещества может быть совместным транспортом (Symport), при котором растворенное вещество и ион движутся в одном направлении, или обменом (Antiport), в этом случае растворенное вещество и ион движутся в противоположных направлениях.

Пищевые аминокислоты и моносахариды из пищевых источников всасываются в тонком кишечнике. Тонкую кишку можно функционально разделить на три сегмента: двенадцатиперстную кишку, тощую кишку и подвздошную кишку (рис. 2). Всасывание растворенного вещества происходит по всему тонкому кишечнику, при этом максимальная абсорбция происходит в тощей кишке и на проксимальном конце подвздошной кишки. Кишечные энтероциты представляют собой поляризованные клетки, а плотные соединения, соединяющие две соседние клетки, создают два отдельных мембранных участка – базолатеральный и апикальный (рис. 2). Абсорбция люминальных растворенных веществ, образующихся в процессе пищеварения, происходит на участке апикальной мембраны⁴.

Транспорт гистидина в кишечных энтероцитах на апикальной мембране является примером вторичного активного симпорта, который зависит от натрия. На базолатеральном конце гистидин, поступающий в энтероцит, движется вниз по градиенту концентрации в печеночный портальный круг кровообращения. Внутриклеточные концентрации натрия в энтероците поддерживаются на уровне 12 ммоль/^л1, что ниже внеклеточных/люминальных концентраций, что обусловлено активным выкачиванием натрия из клетки Na⁺ К⁺АТФазой, расположенной на базолатеральной мембране (рис. 3). На апикальной мембране энтероцитов^{B 0}AT и натрий-нейтральный транспортер аминокислот (SNAT) 5 являются основными транспортерами, которые транспортируют не только гистидин, но и аминокислоты, такие как аспарагин и глутамин, в натрий-зависимом котранспорте ^5,6. Другой транспортный белок, называемый Large Amino Acid Transporter (LAT)1, присутствующий на базолатеральной мембране энтероцитов, транспортирует через мембрану крупные нейтральные аминокислоты, такие как лейцин, триптофан, тирозин и фенилаланин^.

С целью обучения концепции мембранного транспорта в сочетании с такими методами, как спектрофотометрия и рутинные биохимические анализы с помощью педагогики эмпирического обучения, крайне важно разработать методологии, которые могут не только продемонстрировать эту концепцию в простых для понимания терминах, но и обеспечить совместное обучение для студентов бакалавриата. В настоящее время у студентов есть ограниченные ресурсы для практического участия в изучении таких концепций биохимии. В этой статье мы представляем простой протокол для демонстрации транспорта гистидина через мембрану кишечника козы, который легко воспроизвести в студенческих лабораториях и который может быть адаптирован для оценки транспорта других метаболитов. Что еще более важно, метод использует недорогие материалы в студенческой лаборатории, тем самым обеспечивая экспериментальное обучение даже в самых простых лабораторных условиях.