پتانسیل غشا

غشای سلولی برای انتقال مواد مختلف از مکانیسم‌های متفاوتی استفاده می‌کند. انتشار تسهیل شده (facilitated diffusion) و انتقال فعال (active transport) دو روش اصلی برای عبور موادی هستند که نمی‌توانند به راحتی از لایه لیپیدی غشا عبور کنند. یکی از شباهت‌های کلیدی میان انتشار تسهیل شده و انتقال فعال، ویژگی اختصاصی بودن بالا (specificity) برای ماده انتقال‌یافته و قابلیت مهار رقابتی توسط ترکیبات با ساختار مشابه است. این ویژگی به دلیل حضور پروتئین‌های ناقل اختصاصی در هر دو فرآیند است.

با این حال، تفاوت بنیادی میان این دو در نیاز به انرژی و جهت انتقال است. انتشار تسهیل شده یک فرآیند کاملاً غیرفعال (passive) است؛ به این معنی که مواد فقط در جهت گرادیان غلظتی خود حرکت می‌کنند و این فرآیند هرگز نمی‌تواند ماده‌ای را در خلاف جهت گرادیان غلظتی منتقل کند. در مقابل، انتقال فعال با مصرف انرژی قادر است مواد را در خلاف جهت گرادیان الکتروشیمیایی یا غلظتی جابجا کند.

انتقال فعال به دو دسته اولیه و ثانویه تقسیم می‌شود. انتقال فعال ثانویه انرژی خود را به طور مستقیم از تجزیه ATP به دست نمی‌آورد، بلکه از گرادیان غلظت یونی ایجاد شده توسط انتقال فعال اولیه (مانند پمپ سدیم-پتاسیم) استفاده می‌کند. این نوع انتقال خود به دو دسته اصلی تقسیم می‌شود: هم‌انتقالی (co transport یا symport) و انتقال تبادلی یا ضد‌انتقال (counter transport یا antiport).

در هم‌انتقالی، دو ماده در یک جهت فیزیکی حرکت می‌کنند. برای مثال، در ناقل سدیم-گلوکز، سدیم در جهت شیب غلظتی خود به داخل سلول می‌رود و انرژی آزاد شده از آن، گلوکز را در همان جهت فیزیکی ولی در خلاف جهت شیب غلظتی گلوکز به داخل سلول هدایت می‌کند. در انتقال تبادلی، مواد در دو جهت مخالف حرکت می‌کنند. به عنوان مثال، مبادله‌گر سدیم-کلسیم یون کلسیم را در خلاف جهت گرادیان غلظتی از سلول خارج می‌کند، در حالی که یون سدیم در جهت گرادیان الکتروشیمیایی خود به داخل سلول وارد می‌شود.

کارایی و سرعت این فرآیندهای انتقال فعال ثانویه به طور مستقیم به فعالیت پمپ سدیم-پتاسیم وابسته است. با افزایش فعالیت پمپ سدیم-پتاسیم، خروج سدیم افزایش یافته و شیب غلظتی سدیم در دو طرف غشا تقویت می‌شود. این تقویت شیب سدیم، نیروی محرکه بیشتری را برای ناقل‌های ثانویه فراهم کرده و در نتیجه عملکرد و سرعت انتقال فعال ثانویه را بهبود می‌بخشد.

پمپ سدیم-پتاسیم (Na⁺-K⁺ ATPase) یکی از حیاتی‌ترین پمپ‌های انتقال فعال اولیه در غشای سلول‌های بدن است. این پمپ با مصرف مستقیم انرژی حاصل از هیدرولیز ATP، در هر چرخه کاری خود ۳ یون سدیم را از درون سلول به خارج هدایت کرده و ۲ یون پتاسیم را از خارج به داخل سلول منتقل می‌کند. به دلیل خروج سه بار مثبت در برابر ورود دو بار مثبت، یک بار مثبت خالص از سلول خارج می‌شود. این فرآیند عدم تقارن بار ایجاد کرده و به همین دلیل این پمپ الکتروژنیک نامیده می‌شود که به تنهایی سهمی معادل ۴- میلی‌ولت در منفی‌تر کردن پتانسیل استراحت غشا دارد.

فعالیت این پمپ به غلظت یون‌های سدیم و پتاسیم بسیار حساس است؛ به طوری که افزایش غلظت یون سدیم در داخل سلول یا افزایش غلظت یون پتاسیم در خارج سلول، محرک اصلی فعال‌سازی و افزایش سرعت کارکرد این پمپ به شمار می‌روند.

یکی از وظایف اصلی پمپ سدیم-پتاسیم، کنترل حجم سلول و جلوگیری از تورم آن است. اگر فعالیت این پمپ مهار شود، یون‌های سدیم در داخل سلول تجمع می‌یابند. تجمع سدیم باعث افزایش فشار اسمزی داخل سلول شده و آب را به صورت اسمزی به داخل سلول می‌کشد که در نهایت منجر به افزایش حجم سلول و تورم آن می‌شود.

در فیزیولوژی قلب، این پمپ نقش درمانی کلیدی دارد. داروهای مهارکننده پمپ سدیم-پتاسیم با تجمع سدیم در داخل سلول‌های قلبی، عملکرد مبادله‌گر سدیم-کلسیم (NCX) را کاهش می‌دهند؛ زیرا گرادیان سدیم که نیروی محرکه این مبادله‌گر است کاهش می‌یابد. در نتیجه، خروج کلسیم از سلول کاهش یافته و افزایش غلظت کلسیم داخل سلولی رخ می‌دهد که این امر قدرت انقباضی عضلات قلب را افزایش می‌دهد.

باید توجه داشت که پمپ سدیم-پتاسیم نقش مستقیم در ایجاد دپلاریزاسیون پتانسیل عمل ندارد. دپلاریزاسیون پتانسیل عمل نتیجه باز شدن کانال‌های ولتاژی سدیم است. وظیفه پمپ، حفظ شیب غلظت یون‌ها در درازمدت و بازگرداندن پتانسیل غشا از هایپرپلاریزاسیون به حالت استراحت است.

پتانسیل استراحت غشا (resting membrane potential) در فیبرهای عصبی طبیعی و سلول‌های عضلانی در حدود ۹۰- میلی‌ولت است. این پتانسیل الکتریکی منفی در داخل سلول نسبت به خارج آن، ناشی از برآیند انتشار یون‌ها و فعالیت پمپ‌های غشایی است. در حالت استراحت، غشای سلول نفوذپذیری بسیار متفاوتی نسبت به یون‌های مختلف دارد؛ به طوری که نفوذپذیری غشا به یون پتاسیم حدود ۱۰۰ برابر بیشتر از یون سدیم است. به دلیل این نفوذپذیری بالا، پتاسیم تمایل زیادی به خروج از سلول دارد و پتانسیل غشا را به سمت پتانسیل تعادلی خود هدایت می‌کند. اگر فقط انتشار پتاسیم در نظر گرفته شود، پتانسیل غشا معادل ۹۴- میلی‌ولت خواهد بود؛ در حالی که انتشار سدیم به تنهایی پتانسیل مثبت ۶۱+ میلی‌ولت را ایجاد می‌کند. سهم مستقیم پمپ سدیم-پتاسیم نیز در برقراری پتانسیل استراحت غشا به تنهایی معادل ۴- میلی‌ولت است که با ترکیب این عوامل، ولتاژ استراحت نهایی به ۹۰- میلی‌ولت می‌رسد.

برای محاسبه دقیق پتانسیل غشا در حضور چندین یون مختلف، از معادله گلدمن (Goldman equation) استفاده می‌شود. بر اساس این معادله، کلر، سدیم و پتاسیم مهم‌ترین یون‌های دخیل در ایجاد پتانسیل غشا در نورون‌ها هستند. در این معادله، سهم و اهمیت هر یون در تعیین ولتاژ غشا، به طور مستقیم با میزان نفوذپذیری غشا به آن یون رابطه دارد. در زمان انتقال ایمپالس عصبی، نفوذپذیری غشا به یون‌های سدیم و پتاسیم دچار تغییرات بسیار سریع می‌شود، در حالی که نفوذپذیری به یون کلر تغییر چندانی نمی‌کند.

تغییر در غلظت یون‌های خارج سلولی می‌تواند پتانسیل استراحت را به شدت تحت تأثیر قرار دهد. برای مثال، افزایش غلظت پتاسیم خارج سلولی (هایپرکالمی) باعث می‌شود شیب غلظتی خروج پتاسیم کاهش یافته و پتانسیل استراحت غشا مثبت‌تر یا به اصطلاح دپلاریزه شود. این پدیده در عضله قلب اثرات مخربی دارد؛ افزایش پتاسیم خارج سلولی در قلب منجر به اتساع و شل شدن شدید عضله قلبی، کند شدن ضربان قلب و کاهش سرعت هدایت ایمپالس الکتریکی می‌شود که می‌تواند کشنده باشد.

معادله نرنست (Nernst equation) یکی از پایه‌ای‌ترین قوانین در الکتروفیزیولوژی سلولی است که پتانسیل الکتریکی تعادلی را برای یک یون منفرد در دو طرف غشا محاسبه می‌کند. پتانسیل تعادلی زمانی برقرار می‌شود که نیروی حاصل از شیب غلظت (شیمیایی) با نیروی حاصل از اختلاف پتانسیل الکتریکی غشا برابر و در جهت مخالف باشد؛ به گونه‌ای که انتقال خالص یون مورد نظر به صفر برسد.

علامت و مقدار پتانسیل تعادلی نرنست ارتباط مستقیمی با جهت شیب غلظت و نوع بار الکتریکی یون دارد. هنگامی که شیب غلظتی یک کاتیون (یون با بار مثبت) به سمت داخل غشا باشد (یعنی غلظت آن در خارج بیشتر از داخل باشد)، تمایل به ورود بار مثبت به داخل وجود دارد. برای خنثی کردن این تمایل، داخل سلول باید نسبت به خارج مثبت شود تا بارهای مثبت ورودی را دفع کند. بنابراین، علامت پتانسیل تعادلی نرنست آن یون مثبت خواهد بود. به عنوان مثال، اگر غلظت خارج سلولی سدیم ۱۴۰ میلی‌مولار و داخل سلولی آن ۱۴ میلی‌مولار باشد، پتانسیل نرنست سدیم در دمای ۳۷ درجه سانتی‌گراد دقیقاً برابر ۶۱+ میلی‌ولت می‌شود که نشان‌دهنده یک پتانسیل تعادلی مثبت درون سلول است.

مفهوم کلیکی دیگر در حرکت یون‌ها، نیروی محرکه الکتروشیمیایی (electrochemical driving force) است که از تفاضل پتانسیل غشا و پتانسیل تعادلی یون به دست می‌آید. برخلاف تصور عموم، بیشترین نیروی الکتروشیمیایی برای ورود سدیم به داخل سلول در قله پتانسیل عمل رخ نمی‌دهد؛ بلکه این نیرو در حالت پتانسیل استراحت غشا (۹۰- میلی‌ولت) در بیشترین حد خود قرار دارد. در حالت استراحت، داخل سلول به شدت منفی است و یون‌های سدیم را که بار مثبت دارند به شدت جذب می‌کند؛ همچنین غلظت سدیم در خارج بسیار بالا است و این دو عامل الکتریکی و شیمیایی دست به دست هم داده و بیشترین تمایل ورود را ایجاد می‌کنند. در حالی که در قله پتانسیل عمل (حدود ۳۵+ میلی‌ولت)، ولتاژ داخل سلول به پتانسیل تعادلی سدیم (۶۱+ میلی‌ولت) نزدیک‌تر شده و نیروی محرکه برای ورود سدیم بسیار کمتر می‌شود.

پتانسیل عمل (action potential) شامل تغییرات سریع و ناگهانی پتانسیل الکتریکی غشا است که در سلول‌های تحریک‌پذیر عصبی و عضلانی برای انتقال پیام‌ها رخ می‌دهد. پتانسیل عمل از مراحل مشخصی تشکیل شده است که هر کدام با وضعیت خاصی از دریچه‌های کانال‌های یونی ولتاژی و میزان هدایت یونی (کنداکتانس) آن‌ها منطبق است.

مرحله اول، مرحله استراحت یا حالت پلاریزه (polarized) نام دارد. در این مرحله پتانسیل غشا در ۹۰- میلی‌ولت قرار دارد. کانال‌های سدیمی ولتاژی در این فاز دارای دریچه فعال‌سازی (activation gate یا M) بسته در خارج غشا و دریچه غیرفعال‌سازی (inactivation gate یا H) باز در داخل غشا هستند. کانال‌های پتاسیمی نیز در این فاز بسته‌اند؛ بنابراین کنداکتانس هر دو یون در زمان استراحت غشا در کمترین مقدار خود قرار دارد.

با اعمال محرک و رسیدن پتانسیل غشا به حد آستانه (threshold) که حدود ۷۰- تا ۵۰- میلی‌ولت است، مرحله دپلاریزاسیون آغاز می‌شود. در این حالت، دریچه‌های فعال‌سازی کانال‌های سدیمی به سرعت باز می‌شوند و در نتیجه هر دو دریچه فعال‌سازی و غیرفعال‌سازی باز می‌گردند. این حالت کنداکتانس سدیم غشا را چندین هزار برابر کرده و هجوم شدید یون‌های سدیم به داخل سلول پتانسیل غشا را به حدود ۳۵+ میلی‌ولت می‌رساند.

با رسیدن پتانسیل به حدود ۳۵+ میلی‌ولت، فاز رپلاریزاسیون آغاز می‌شود. در ابتدای این مرحله، دریچه غیرفعال‌سازی کانال سدیم بسته می‌شود (در حالی که دریچه فعال‌سازی هنوز باز است) که این امر ورود سدیم را متوقف می‌سازد. همزمان، کانال‌های ولتاژی پتاسیم که از ابتدا به آهستگی باز می‌شدند، به حداکثر کنداکتانس خود می‌رسند. خروج کاتیون‌های پتاسیم باعث منفی شدن مجدد داخل سلول می‌گردد.

به دلیل سرعت آهسته بسته شدن کانال‌های پتاسیم، خروج پتاسیم در انتهای رپلاریزاسیون ادامه یافته و پتانسیل غشا منفی‌تر از حالت استراحت می‌شود که به آن هایپرپلاریزاسیون (hyperpolarization) می‌گویند. در این فاز وضعیت دریچه‌های سدیمی تغییر کرده و هر دو دریچه فعال‌سازی و غیرفعال‌سازی بسته می‌شوند. سرانجام، پمپ سدیم-پتاسیم با تنظیم مجدد غلظت یون‌ها، پتانسیل را از وضعیت هایپرپلاریزه به استراحت بازمی‌گرداند.

تحریک‌پذیری سلول‌های عصبی و عضلانی تحت تأثیر غلظت یون‌های محیطی و همچنین اتصال مواد مسدودکننده کانال‌ها قرار دارد. یکی از ویژگی‌های بنیادی بافت تحریک‌پذیر، دوره تحریک‌ناپذیری مطلق (absolute refractory period) است. طی این دوره، غشا به هیچ محرکی حتی با شدت بسیار بالا پاسخ نمی‌دهد. علت این پدیده، بسته شدن دریچه غیرفعال‌سازی (H) کانال‌های سدیمی ولتاژی است؛ تا زمانی که ولتاژ غشا به نزدیکی پتانسیل استراحت برنگردد، این دریچه‌ها باز نمی‌شوند. بنابراین، مدت زمان دوره تحریک‌ناپذیری مطلق تعیین‌کننده سقف حداکثر فرکانس شلیک پتانسیل عمل در نورون‌ها است.

یون‌های خارج سلولی نقش بسیار مهمی در تعدیل تحریک‌پذیری دارند. غلظت یون کلسیم خارج سلولی تثبیت‌کننده آستانه تحریک است. افزایش غلظت کلسیم خارج سلولی باعث تأخیر در باز شدن کانال‌های سدیمی و افزایش ولتاژ آستانه می‌شود که تحریک‌پذیری غشا را کاهش می‌دهد. در مقابل، کاهش غلظت کلسیم خارج سلولی روند فعال شدن کانال‌های سدیمی را آسان‌تر کرده، آستانه تحریک را پایین آورده و با افزایش تحریک‌پذیری غشا، می‌تواند منجر به شلیک‌های خودبه‌خودی و تشنج (تتانی) شود. تغییر در غلظت پتاسیم خارج سلولی نیز بر تحریک‌پذیری اثرگذار است؛ افزایش غلظت پتاسیم خارج سلولی پتانسیل استراحت را مثبت‌تر (دپلاریزه) کرده و به آستانه نزدیک‌تر می‌کند که در ابتدا تحریک‌پذیری را افزایش می‌دهد، اما به علت تغییر سطح شروع تحریک، دامنه‌ی پتانسیل عمل تولیدی کاهش می‌یابد. همچنین، ورود یون کلر بار منفی را به داخل سلول هدایت کرده و داخل را منفی‌تر و تحریک‌پذیری را کاهش می‌دهد؛ از این رو، کاهش هدایت یون از طریق کانال‌های کلری، با کمتر منفی کردن داخل غشا، تحریک‌پذیری سلول عصبی را افزایش می‌دهد.

برخی داروها و سموم شیمیایی به طور اختصاصی کانال‌های یونی را مهار می‌کنند. سم تترودوتوکسین (TTX) با اتصال به سطح خارجی و مسدود کردن دریچه‌های فعال‌سازی کانال سدیم، مانع دپلاریزاسیون غشا و تولید پتانسیل عمل می‌شود. یون تترااتیل آمونیوم (TEA) با مسدود کردن کانال‌های پتاسیمی، مانع خروج پتاسیم و در نتیجه مانع از فرآیند رپلاریزاسیون می‌گردد. همچنین، مواد بی‌حس‌کننده موضعی مانند لیدوکائین، پروکائین و تتراکائین با مسدود کردن دریچه فعال‌سازی (و نه غیرفعال‌سازی) کانال‌های سدیمی، مانع باز شدن آن‌ها شده و تحریک‌پذیری و انتقال درد را کاهش می‌دهند.

چگونگی پاسخ سیستم عصبی به محرک‌ها بستگی زیادی به شدت محرک و ساختار فیبرهای عصبی دارد. محرک‌ها می‌توانند پتانسیل‌های الکتریکی متفاوتی را در غشای سلول ایجاد کنند. هنگامی که شدت یک محرک حسی افزایش می‌یابد، در نورون‌های حسی دامنه یا مدت زمان پتانسیل‌های عمل تغییری نکرده و ثابت می‌ماند؛ زیرا پتانسیل عمل پدیده‌ای همه یا هیچ است. در عوض، افزایش شدت محرک حسی خود را به صورت افزایش فرکانس (تعداد پتانسیل عمل در واحد زمان) نشان می‌دهد.

در مقابل، محرک‌های ضعیف‌تر که ولتاژ غشا را به حد آستانه نمی‌رسانند (محرک‌های زیر آستانه)، پتانسیل‌های موضعی یا درجه‌بندی‌شده (local or graded potentials) ایجاد می‌کنند. پتانسیل‌های موضعی برخلاف پتانسیل عمل، قابلیت انتشار طولانی در طول غشای آکسون را ندارند و با طی مسافت کوتاه مستهلک می‌شوند. با این حال، دامنه تغییر ولتاژ در پتانسیل‌های موضعی برخلاف پتانسیل عمل، ارتباط مستقیم با شدت محرک دارد؛ هر چه محرک قوی‌تر باشد، تغییر ولتاژ موضعی بزرگ‌تر خواهد بود.

سرعت و کارایی انتقال پتانسیل عمل در فیبرهای عصبی توسط غلاف میلین به شدت افزایش می‌یابد. غلاف میلین مانند یک عایق الکتریکی قوی عمل می‌کند. تشکیل این غلاف در غشای فیبر عصبی باعث عایق شدن غشا و کاهش ۵۰ برابری ظرفیت خازنی غشا (به ۱/۵۰ مقدار اولیه) می‌شود. این کاهش ظرفیت خازنی اجازه می‌دهد تغییر ولتاژ سریع‌تر در امتداد غشا پیش برود.

در فیبرهای عصبی میلین‌دار، پتانسیل عمل فقط در نقاط بدون پوشش یعنی گره‌های رانویه (nodes of Ranvier) ایجاد می‌شود که به این نوع انتقال، هدایت جهشی (saltatory conduction) می‌گویند. در هدایت جهشی، جریان الکتریکی از یک گره به گره بعدی می‌جهد. دپلاریزه شدن انحصاری گره‌ها به این معنی است که تبادل یون‌ها در طول غشا بسیار ناچیز خواهد بود. این کاهش حرکت یون‌ها نیاز به فعالیت مداوم پمپ سدیم-پتاسیم برای بازگرداندن گرادیان‌ها را به حداقل می‌رساند که این امر مصرف انرژی فیبر عصبی را در مقایسه با فیبرهای بدون میلین به شدت کاهش می‌دهد.