Кратко — механизмы транспорта ионов через плазматическую мембрану, их роль в осмотическом равновесии и как нарушение одного механизма вызывает отёк клетки при изотонических/гипертонических условиях.
1) Основные механизмы переноса
- Пассивная диффузия через липидный слой — для малых неполярных молекул.
- Ионные каналы (селективные, с/без ворот) — быстрая электродифузия ионов по градиенту концентрации/потенциала.
- Переносчики/унипорты (облегчённая диффузия) — перенос по градиенту без АТФ.
- Первичный активный транспорт — АТФ-зависимые помпы (главная: Na+/K+-АТФаза: выкачивает 3 Na+ наружу и вносит 2 K+ внутрь).
- Вторичный активный транспорт (ко- и антипорты) — используют Na+ или H+ градиент для перемещения других ионов/осмолей (напр. Na+/Ca2+, Na+/H+, NKCC — Na+/K+/2Cl−).
- Водные каналы (аквапорины) — высокая проницаемость для воды.
- Доннановский эффект — влияние непроницаемых внутриклеточных анионов (белков) на распределение проницаемых ионов и воду.
2) Физика осмоса (вкратце)
- Осмотическое давление (приближённо): $\Pi =iCRT$, где $\Pi$ — осмотическое давление, $C$ — молярная концентрация растворённых частиц, $R$ — газовая постоянная, $T$ — абсолютная температура, $i$ — фактор Вант-Хоффа.
- Электрохимический баланс для иона задаёт потенциал примерно по Нернсту: $$E=\frac{RT}{zF}\ln \frac{[\mathrm{ion}{]}_{\mathrm{out}}}{[\mathrm{ion}{]}_{\mathrm{in}}}$$
3) Как нарушение одного механизма вызывает клеточный отёк
Пример самый типичный — угнетение Na+/K+-АТФазы (гипоксия, токсины, дефицит АТФ):
- При остановке насосa внутриклеточный Na+ ↑, K+ ↓. Рост [Na+] внутрь нарушает осмотический баланс — совместно с Cl− внутрь накапливается осмотически активное вещество → внутриклеточная осмолярность увеличивается.
- По закону осмоса вода входит через мембрану/аквапорины до восстановления осмотического равновесия → клетка набухает. Это происходит даже если внеклеточная жидкость изотонична, потому что изменился внутренний суммарный концентрационный баланс.
- Доннановский эффект усугубляет ситуацию: при увеличении внутриклеточных катионов Cl− также подтягивается для электростатической нейтрализации, дополнительно повышая внутреннюю осмоляльность.
Схематично: уменьшение работы насоса → $[\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}{]}_{\mathrm{in}}\uparrow$ → суммарная внутриклеточная осмолярность $\uparrow$ → осмотический градиент воды внутрь → отёк.
4) Почему отёк может возникать и при гипертонической среде
Два частых сценария:
- Регуляторное восстановление объёма (RVI): при гипертоническом шоке клетка сначала теряет воду и сжимается; затем активируются Na+/H+ и NKCC переносчики, которые вводят внутрь Na+, K+, Cl−, чтобы восстановить объём. Если эти механизмы переактивированы или потом сопровождаются нарушением работы Na+/K+-АТФазы, клетка может накопить избыточные ионы и затем слишком сильно набухнуть (особенно при возврате среды к изотонии).
- Повреждение мембраны/открытие неконтролируемых каналов: при повреждении проницаемость для Na+ и Cl− резко увеличивается, внутренняя осмоляльность может превысить внешнюю даже при внешней гипертонии — вода войдёт, и клетка набухнет или лизируется.
5) Клинические примеры
- Ишемия мозга/сердца → АТФ↓ → Na+/K+‑АТФаза блокируется → клеточный отёк (цитотоксический отёк) — развивается при нормальной или слегка изменённой внеклеточной осмоляльности.
- Интоксикация оубаином (ингибиторы Na+/K+-АТФазы) — аналогичный эффект.
Краткий вывод: удержание низкой внутриклеточной концентрации Na+ с помощью Na+/K+-АТФазы и контролируемая проницаемость ионов/воды — ключ к предотвращению осмотического набухания. При нарушении этих механизмов внутриклеточная осмоляльность растёт, и вода входит в клетку, вызывая отёк даже при изотонической или при определённых условиях гипертонической среде.