پمپ سدیم پتاسیم و پتانسیل غشا و نفوذپذیری انتخابی

در پتانسیل الکتریکی و جریان الکتریکی در مورد مفاهیم پایه‌ای صحبت کردیم. این نوشته، ادامه‌ی همان درس است. می‌خواهیم ببینیم که بدن ما و دیگر موجودات، چگونه جریان الکتریکی تولید می‌کند. مبحث این دفعه در مورد غشای سلول و پمپ سدیم پتاسیم است که باعث به وجود آمدن ولتاژ و متعاقباً جریان الکتریکی می‌شوند.

زندگی‌‌ای که حاصلِ جریان‌هاست

جریان الکتریکی، حاصل شارش بارهای الکتریکی است.

اما حرکت بار الکتریکی مفهومی است که به تنهایی کامل نیست؛ چرا که بار الکتریکی، خود به تنهایی، وجود خارجی ندارد. یک خاصیت است که آن را به یک چیزی نسبت می‌دهیم.

مثلاً صفت کوتاهی یا بلندی را در نظر بگیریم. به یک تکه چوب می‌گوییم کوتاه یا بلند و این صفت را به آن نسبت می‌دهیم.

بار الکتریکی هم بدین شکل است. پس وقتی گفتیم که جریان حاصل حرکت و شارش بارهای الکتریکی است، باید ببینیم از چه سخن می‌گوییم که مشغول حمل این بارهای الکتریکی است؟

آن چه که این بار را حمل می‌کند و آن را Charge Carrier (حامل بار) می‌نامیم، می‌تواند الکترون باشد. همان اتفاقی که در سیم‌های برقی که به سوی لامپ می‌روند، می‌افتد.

اما جریان الکتریکی، فقط حاصل حرکت الکترون‌ها نیست. Charge Carrier دیگری که قادر است بار الکتریکی را جابه‌جا کند و جریان الکتریکی بسازد – همان‌طور که درست حدس زده‌اید – یون‌ها هستند.

تعریف یون را به یاد دارید: اتم یا مولکولی که از لحاظ بار الکتریکی، خنثی نیست. بار آن، می‌تواند مثبت یا منفی باشد؛ پس یون نیز دارای خاصیت بار الکتریکی است. یون نیز می‌تواند حرکت کند. در نتیجه، جریان الکتریکی می‌تواند حاصل حرکت یون‌ها باشد.

این اتفاقی است که در بدن ما و دیگر موجودات می‌افتد. جریان الکتریکی‌ای که حاصل حرکت یون‌ها است، نه الکترون‌ها. این مفهومِ اساسیِ بیوالکتریسیته است.

وقتش است که وارد سلول شویم و ببینیم که چه چیز، باعث می‌شود که یون‌ها حرکت کنند و جریان الکتریکی به وجود آید.

سلول‌های ما غشایی دارند که عمدتاً از لیپید ساخته شده است. بدیهی است که اگر سلول سالم باشد، مولکول‌ها برای ورود به سلول یا خروج از آن،‌ باید از این غشا بگذرند.

بعضی از مولکول‌ها به خاطر کوچکی خود یا به خاطر قابلیت حل شدن در چربی، از آن به راحتی می‌گذرند.

اما اگر مولکولی بار الکتریکی داشته باشد، هر چقدر هم کوچک – حتی به کوچکی یون هیدروژن – نمی‌تواند به شکل مستقیم از غشا عبور کند. در نتیجه، تمامی یون‌ها برای عبور از غشا، به کمک نیاز دارند. این کمک را، پروتئین‌هایی که در غشای سلول قرار دارند، فراهم می‌کنند.

به این ویژگی غشا که اجازه‌ی عبور را به همه‌ی مولکول‌ها نمی‌دهد، نفوذ‌پذیری انتخابی یا Selective Permeability می‌گویند. اولین قدم، در ایجاد جریان‌های بیوالکتریکی، خاصیت نفوذپذیری انتخابی غشا سلول است.

گلوکز را در نظر بگیرید. مولکولی غیر باردار است؛ اما به خاطر بزرگی و حل نشدنش در چربی، به کمک پروتئین‌ها از غشا رد می‌شود. فرض کنید در بیرون از غشا ۱۰۰ مولکول گلوکز وجود دارد. اگر کمی زمان بگذرد، به علت بیشتر بودن غلظت گلوکز در خارج سلول و وجود اختلاف غلظت، آن‌قدر گلوکز به درون سلول می‌آید که غلظت گلوکز در دو طرف غشا، «برابر» شود.

حال، یون سدیم را در نظر بگیرید. اگر ۱۰۰ عدد یون سدیم در خارج سلول باشد و غشای این سلولِ فرضیِ ما، فقط و فقط به یون سدیم نفوذپذیر باشد، چه اتفاقی می‌افتد؟ قبل از این که ادامه دهیم، بهتری است که نکته‌ای کوچک را به یادآوری کنیم.

ما از لحاظ بار الکتریکی کلی، خنثی هستیم. من و تو مثبت یا منفی نیستیم. وقتی در نزدیک هم می‌نشینیم، حداقل از لحاظ الکتریکی، همدیگر را دفع یا جذب نمی‌کنیم؛ چون که مجموع بار آنیون‌ها و کاتیون‌ها در بدن، برابر است. بدن ما Electroneutral هست.

پس درست‌تر است که این‌گونه بگویم: در نظر بگیریم که ۱۰۰ یون سدیم همراه با آنیون‌هایش (مثلاً یون کلراید) در خارج سلولی قرار دارند که فقط و فقط به یون سدیم نفوذپذیر است. در داخل این سلول هیچ یون سدیمی قرار ندارد. چه اتفاقی برای یون سدیم می‌افتد؟

همانند گلوکز، سدیم نیز به خاطر اختلاف غلظتی که وجود دارد – غلظت بیشتر در خارج از سلول – دلش می‌خواهد که به داخل سلول آید. چند یون سدیم به داخل سلول می‌آیند. آنیون‌های آن‌ها، در خارج سلول باقی می‌ماند؛ چون غشای فرضی ما فقط به سدیم نفوذپذیر است. در نتیجه، خارج سلول کمی منفی می‌شود. یون‌های سدیم نیز که به داخل سلول آمده‌اند، باعث می‌شوند که داخل سلول که خنثی بود، کمی مثبت شود.

در مبحث قبلی گفتیم که بارهای الکتریکی بر هم نیرو وارد می‌کنند. در این‌جا بارهای ناهمنام وجود دارد. آن‌ها همدیگر را جذب می‌کنند. می‌بینید سدیم به چه سرنوشتی گرفتار شده است؟ از طرفی به علت اختلاف غلظت، دلش می‌خواهد به داخل سلول برود؛ از طرفی نیروی الکتریکی‌ای که از عبور همین چند یون سدیم ایجاد شده است، از ادامه‌ی حرکت آن جلوگیری می‌کند.

هیچ‌گاه همانند گلوکز، غلظت سدیم در دو طرف سلول، به علت به وجود آمدن این نیروی الکتریکی بین بارها، برابر نخواهد شد و پس از عبور چندین یون سدیم، این عبور متوقف خواهد شد.

به علت این نفوذ‌پذیری انتخابی غشا و در نتیجه برابر نبودن بارهای الکتریکیِ دو طرف غشا، پتانسیل الکتریکی دو طرف غشا متفاوت خواهد بود.

به اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه در یک میدان، ولتاژ می‌گفتیم. در نتیجه، به علت نفوذپذیری انتخابی غشا، در دو طرف آن، ولتاژی برقرار می‌شود. محاسبه‌ی آن، از بحث فعلی ما خارج است. همین ولتاژ است که باعث حرکت یون‌ها – در صورت اجازه دادن به آن‌ها توسط غشا – خواهد شد.

یک گریز دیگر به فیزیک باید داشته باشیم. فرض کنیم یک تکه چوب در دست من است. سر دیگر چوب در دست تو. هر دو آن را می‌کشیم. اگر تو قوی‌تر بکشی، برآیند نیروها به سمت تو است و برعکس. همین اتفاق در مورد بارها هم صادق است.

تعدادی بار مثبت و منفی، داخل سلول و خارج آن وجود دارد. برآیند پتانسیل الکتریکی همه‌ی آن‌ها در نقطه‌ی A عددی می‌شود و در نقطه‌ی B عددی دیگر. اختلاف این دو، همان ولتاژ غشا است. همان فشار الکتریکی بین این دو نقطه است. انرژی‌ای است که باید برای انتقال بار بین این دو نقطه مصرف یا آزاد بشود.

به عنوان بحث آخر این قسمت: چه چیز باعث می‌شود که یون‌های دو سمت غشا متفاوت باشند که پدیده‌ی فوق شکل بگیرد؟

یک دلیل آن، وجود پروتئینی هست که در غشای تمام سلول‌های ما وجود دارد. پمپ سدیم-پتاسیم یا Sodium-Potassium Adenosine Triphosphatase یا Na-K ATPase. این پروتئین، با مصرف یک مولکول ATP، سه یون سدیم را به خارج سلول و دو یون پتاسیم را به داخل سلول می‌آورد.

عمل این پروتئین باعث می‌شود که سلول‌های ما، کیسه‌هایی پر از پتاسیم باشند. به خاطر آن است که غلظت سدیم در خارج سلول بیشتر از داخل آن و غلظت پتاسیم در داخل سلول بیشتر از خارج آن است.

فکر می‌کنم برای تأکید بر اهمیت آن، ذکر این نکته کافی است که همین پمپ سدیم-پتاسیم حدود ۲۵ درصد کالری دریافتی روزانه‌ی ما را مصرف می‌کند و در عضوهایی مثل مغز، بیشتر نیز می‌شود.

پمپ سدیم-پتاسیم را یک بیوشیمی‌دان دانمارکی به نام اسکو (Jens Christian Skou) کشف کرد و به خاطر کشف پمپ سدیم-پتاسیم و آنزیم ATPase موجود در آن، نصف جایزه‌ی نوبل را برد. اسکو در خرداد ماه ۱۳۹۷، در ۹۹ سالگی فوت کرد.

پیام درس

جریان الکتریکی حاصل حرکت بارهای الکتریکی است. بار الکتریکی، یک خاصیت است. ما از حامل‌های بارها سخن می گوییم که مشغول حمل این بارها هستند. این حامل‌های بار الکتریکی می‌توانند فقط الکترون‌ها باشند (اتفاقی که در سیم برق می‌افتد) یا می‌توانند یون‌ها باشند (اتفاقی که در ماهیچه‌ی قلب می‌افتد).

در الکتروکاردیوگرافی، جریانی را که حرکت این یون‌ها در قلب به وجود می‌آورد، اندازه گرفته و بر روی یک کاغذ رسم می‌کنیم.

دلیل به وجود آمدن هر جریانی، یک اختلاف پتانسیل بین دو نقطه است که باعث حرکت بارها می‌شود. به این اختلاف پتانسیل، ولتاژ می‌گویند. در بدنمان، این اختلاف پتانسیل، به کمک غشای سلول به وجود می‌آید. غشا خاصیتی به نام نفوذ‌پذیری انتخابی دارد و به همین غلظت و نوع یون‌ها در دو طرف آن متفاوت است.

همین خاصیت غشا است که باعث می‌شود، اختلاف پتانسیل دو نقطه در دو طرف آن متفاوت باشد و در نتیجه یک شیب الکتریکی، برای حرکت یون‌ها داشته باشیم.

یکی از پروتئین‌های اصلی که در این خاصیت غشا مؤثر است، پمپ سدیم پتاسیم سلول‌هایمان است که با مصرف یک مولکول ATP، سه یون سدیم را به خارج سلول می‌راند و دو یون پتاسیم را به داخل سلول می‌آورد.

تمرین درس

به عنوان یک تمرین، در مورد اثرات انسولین یا اپی‌نفرین یا بتابلاکر‌ها بر روی این پمپ سدیم-پتاسیم مطالعه بکن. می‌توانی یافته‌ات را همینجا بنویسی.

برای امتیاز دهی به این مطلب، لطفا وارد شوید: برای ورود کلیک کنید