نگاهی بر فیزیولوژی پمپ سدیم پتاسیم + ویدئو

برای آن‌که پمپ سدیم پتاسیم را به خوبی بشناسیم و عملکردش را درک کنیم در ابتدا باید از مطلب پتانسیل عمل به یاد آوریم که وقتی سلول عصبی به مرحله‌ی آخر فعالیت الکتریکی خود یعنی هایپرپولاریزاسیون می‌رسید، غلظت سدیمِ داخل سلول بیش‌تر از پتاسیم بود. به همین دلیل، نورون برای آن‌که بتواند به مرحله‌ی پتانسیل استراحت برگشته و آماده‌ی یک پتانسیل عمل دیگر شود، با مشکلِ عدم توزیع مناسب یون سدیم و پتاسیم در بیرون و درون خودش روبرو می‌شود و حل این مشکل تنها توسط یک پروتئین غشایی به نام پمپ سدیم پتاسیم ممکن می‌شود. بر همین اساس و به دلیل اهمیتی که نقش این پمپ در عملکرد سلول‌ها (بویژه نورون‌ها) دارد، ما در مجله‌ی بیوزوم تصمیم گرفتیم که با نگارش این مطلب، نگاهی موشکافانه به این پمپ الکتروژنیک داشته باشیم.

بیشتر بخوانید: پتانسیل عمل ، زبان گفت‌وگوی سیستم عصبی + ویدئو

نگاهی بر پروتئین‌های غشایی

قبل از آن‌که به بررسی دقیق پمپ سدیم پتاسیم بپردازیم، خوب است مقداری درباره‌ی پروتئین‌های غشایی بدانیم. غشای سلول از 2 لایه‌ی فسفولیپیدی (گلیسرول + فسفات + اسید چرب) تشکیل شده است. این غشای فسفولیپیدی علاوه بر چربی، شامل مولکول‌های دیگری نیز می‌باشد که در زیر به صورت موردی آن‌ها را معرفی می‌کنیم:

• پروتئین‌ها
• کربوهیدرات‌ها
• گلیکولیپیدها (کربوهیدرات + لیپید)
• گلیکوپروتئین‌ها (کروبوهیدرات + پروتئین)

همان‌طور که اشاره کردیم، گروهی از مولکول‌های تشکیل دهنده‌ی غشای سلولی ، پروتئین‌ها هستند که به طور کلی بیش‌تر وزن غشا را نیز به خود اختصاص داده‌اند. این پروتئین‌ها اشکال، وظایف و عملکرد‌های گوناگونی دارند. به طور مثال برخی از آن‌ها در حفظ ساختار غشا شرکت می‌کنند در حالی که برخی دیگر نقش آنزیمی داشته و یا با ایجاد یک حفره، تبادل مواد را میان داخل و خارج سلول ممکن می‌سازند.

نحوه‌ی قرارگیری پروتئین‌های غشا

پروتئین‌های غشایی از نظر نحوه‌ی قرار گیری به 3 گروه تقسیم‌ می‌شوند:

1. پروتئین‌های سطحی (Peripheral)
   این دسته از پروتئین‌ها بر روی لایه‌ی خارجی یا داخلی فسفولیپیدی قرار دارند و عرض غشا را طی نکردند.
2. پروتئین‌های فرورفته (Integral)
   این دسته از پروتئین‌ها کمی به داخل غشا فرو رفته‌اند ولی عرض غشا را طی نکردند.
3. پروتئین‌های گذرکننده – سراسری (Transmembrane)
   این دسته از پروتئین‌ها عرض غشا را طی کرده و از سمت دیگر آن بیرون زده‌اند. گفتنی است که پمپ سدیم پتاسیم در دسته‌ی پروتئین‌های گذرکننده از عرض غشا قرار می‌گیرد.

نقش و عملکرد پروتئین‌های غشا

تا به این‌جا با نحوه‌ی قرارگیری پروتئین‌های غشا آشنا شدیم اما جالب است بدانید که پروتئین‌های غشایی را از نظر نقش و عملکرد نیز به 6 دسته تقسیم می‌کنند:

1- پروتئین‌های ساختمانی (Structural Protein)

این پروتئین‌ها در ساختمان غشا قرار گرفته و به حفظ شکل و نظم غشا کمک می‌کنند.

2- کانال‌های نشتی (Leak Channel)

این نوع از پروتئین‌ها که باعث ایجاد حفره در غشا می‌شوند، همیشه باز بوده و اجازه‌ی تردد یون‌ها را در جهت شیب غلظت می‌دهند.

3- کانال‌های دریچه‌دار (Gated Channel)

کانال‌های دریچه‌دار نیز مانند کانال‌های نشتی، یک حفره در غشا ایجاد کرده و تردد یون‌ها را در جهت شیب غلظت ممکن می‌سازند. اما تفاوت این کانال‌های دریچه‌دار با نوع نشتی، داشتن دریچه‌هایی در قسمت خارجی سلول، داخلی سلول و یا هر دو سمت است، به طوری‌که همیشه باز نبوده و تنها در حضور محرک‌هایی همچون لیگاند، فشار و ولتاژ فعال می‌شوند.

4- حامل‌ها (Carrier)

این دسته از پروتئین‌های غشایی که شامل اغلب شامل پمپ‌هایی همچون پمپ سدیم پتاسیم می‌شود، با مصرف انرژی (ATP) یون‌های موجود در 2 سمت غشا را در خلاف شیب غلظت جابجا کرده و باعث حفظ همئوستاز درون سلول می‌شود.

5- گیرنده (Receptor)

گیرنده‌ها اغلب مولکول‌های پروتئینی یا گلیکوپروتئینی هستند که در سطح غشا حضور داشته و با اتصال مولکول‌های دیگر به آن‌ها فعال یا غیرفعال می‌شوند.

6- آنزیم (Enzyme)

آنزیم‌ها یکی از مهم‌ترین مولکول‌های زیستی هستند به طوری که نقش آنزیم‌های پروتئینی موجود در سطح غشا حفظ الگوی چیدمان فسفولیپیدهای غشایی است. گفتنی است که این وظیفه به قدری مهم است که اگر اختلال کوچکی در کار آنزیم‌های غشایی بوجود آید باعث متلاشی شدن غشای سلول می‌شود.

انواع انتقالات

به طور کلی در زیست شناسی سلولی، 2 نوع انتقال به نام‌های زیر وجود دارد:

1. انتقال غیرفعال (Passive transport)
   

   در این نوع از انتقال، مولکول‌ها بدون مصرف انرژی در جهت شیب غلظت حرکت می‌کنند. یعنی از جایی که غلظت‌شان زیاد است به سمت جایی می‌روند که غلظت کمی دارند.

2. انتقال فعال (Active transport)
   

   انتقال فعال بر خلاف انتقال غیرفعال، با مصرف انرژی همراه بوده و اغلب توسط پروتئین‌های حامل اعمال می‌شود. در این صورت همانند کاری که پمپ سدیم پتاسیم در مرحله‌ی هایپرپولاریزاسیون انجام می‌دهد، مولکول‌ها بر خلاف شیب غلظت از جایی که غلظت‌شان کم است، با مصرف انرژی به جایی فرستاده می‌شوند که غلظت بالایی دارند.

ساختار پمپ سدیم پتاسیم

همان‌طور که در ابتدای مطلب نیز به آن اشاره نمودیم، پمپ سدیم پتاسیم یک پروتئین غشایی بوده که عرض غشای سلولی را طی کرده است. به همین دلیل این پمپ را از نظر ساختاری به 3 بخش تقسیم می‌کنند:

1- بخش خارج سلولی

این بخش از ساختار پمپ سدیم پتاسیم در فضای خارجی سلول قرار گرفته و با مایع خارج سلولی یا ECF در ارتباط است.

2- بخش غشایی

که در بین 2 لایه‌ی فسفولیپیدی غشا حضور دارد و بخش آب‌گریز ساختار پمپ سدیم پتاسیم را تشکیل می‌دهد.

3- بخش داخل سلولی

این بخش از ساختار پمپ سدیم پتاسیم در فضای داخلی سلول قرار گرفته و با سیتوسل یا ICF در ارتباط است.

علاوه بر تقسیم‌ بندی ساختاری، پمپ سدیم پتاسیم را از نظر بیوشیمیایی نیز می‌توان مورد بررسی قرار داد که در این صورت به 3 بخش زیرواحد یا زنجیره تقسیم می‌شود که در آخرین تصویر این مطلب می‌توانید محل قرارگیری این زنجیره‌ها را مشاهده کنید:

1. آلفا (α)
2. بتا (β)
3. گاما (¥)

هر یک از این زیرواحدها مسئولیت ساختاری و عملکردی مخصوص به خود را دارند اما از یک‌دیگر جدا نبوده و برای یک هدف معین با هم تعامل دارند.

حال که تا حدی با پمپ سدیم پتاسیم از نظر ساختاری و بیوشیمیایی آشنا شدیم، وقت آن رسیده که درباره‌ی عملکرد این پروتئین غشایی که در کتاب حقایق مغز نیز به آن پرداخته شده است بدانیم.

عملکرد و وظایف پمپ سدیم پتاسیم

پمپ سدیم پتاسیم که تقریبا در غشای همه‌ی سلول‌ها حضور دارد یک پروتئین غشایی بوده که همان‌طور که در قسمت‌های بالا به آن اشاره کردیم، از نظر ساختاری عرض غشا را جهت برقراری ارتباط با داخل و خارج سلول طی کرده است. بر اساس چنین ساختاری عملکرد پمپ سدیم پتاسیم به پنج مرحله دسته‌بندی می‌شود که در ادامه به توضیح هر یک می‌پردازیم:

مرحله‌ی 1:

مرحله‌ی اول عملکرد پمپ سدیم پتاسیم زمانی شروع می‌شود که پتانسیل غشای سلول (بویژه نورون) در مرحله‌ی هایپرپولاریزاسیون قرار داشته و نیاز دارد که به مرحله‌ی پتانسیل استراحت برسد.

در این مرحله، در ناحیه‌ی سیتوسلی (ناحیه‌ی مایع درون سلولی و زیر غشا)، با اتصال یک مولکول آدنوزین تری فسفات (ATP) 3 جایگاه اتصال یون سدیم بر روی پمپ سدیم پتاسیم بوجود می‌آید.

مرحله‌ی 2:

در مرحله‌ی دوم، 3 جایگاه سدیمی بوجود آمده باعث جذب و اتصال 3 یون سدیمی می‌شوند. پس از اتصال یون‌های سدیم، مولکول ATP که به پمپ سدیم پتاسیم متصل شده بود هیدرولیز شده و با باقی گذاشتن یک گروه فسفات به صورت ADP از پمپ جدا می‌شود.

مرحله‌ی 3:

پمپ سدیم پتاسیم با تغییر شکل خود، 3 یون سدیمی که از داخل سلول متصل شده بودند را به سمت مایع خارج سلولی می‌راند و پس از جدا شدن یون‌های سدیم، 2 جایگاه اتصال پتاسیمی در بخش خارج سلولی پمپ سدیم پتاسیم بوجود می‌آید که در این هنگام 2 یون پتاسیم به این جایگاه‌ها متصل می‌شوند.

مرحله‌ی 4:

مرحله‌ی چهارم در عملکرد پمپ سدیم پتاسیم به این شکل است که پس از اتصال 2 یون پتاسیم، این پروتئین غشایی دوباره تغییر شکل داده و این‌بار پتاسیم‌های موجود در مایع خارج سلولی را به داخل غشای سلول وارد می‌کند که در این حالت فسفات متصل به پمپ سدیم پتاسیم همراه با یون ‌های پتاسیمی جدا شده و در سنتز یک مولکول ATP دیگر شرکت می‌کند.

مرحله‌ی 5:

وقتی که پمپ سدیم پتاسیم به مرحله‌ی پنجم عملکرد خود می‌رسد، پس از جدا شدن یون‌های پتاسیم و گروه فسفات مجددا همانند مرحله‌ی اول یک مولکول ATP به پمپ متصل شده و باعث ایجاد جایگاه‌های اختصاصی یون‌های سدیم می‌شود.

جمع‌بندی

با مطالعه‌ی این مطلب آموختیم که پمپ سدیم پتاسیم از دسته‌ی پروتئین‌های سراسری غشایی بوده و با ایفای نقش به عنوان یک حامل، طی فرآیند انتقال فعال سه یون سدیم را از داخل سلول خارج کرده و دو یون پتاسیم را از فضای خارج سلولی به درون آن وارد می‌کند. طی این عمل پتانسیل غشا به حالت اولیه‌ی خود یعنی پتانسیل استراحت بازگشته و آماده‌ی انجام یک فعالیت الکتریکی جدید می‌شود.