فصل ۴ — انتقال مواد از غشاهای سلولی

ساختار غشایی که سطح خارجی هر سلول بدن را می‌پوشاند در فصل ۲ توضیح داده شده و در شکل‌های ۲٫۳ و ۴٫۲ نشان داده شده است. این غشا عمدتاً از یک دولایهٔ لیپیدی تشکیل شده که تعداد زیادی مولکول پروتئینی در آن قرار گرفته‌اند و بسیاری از این پروتئین‌ها تمام ضخامت غشا را طی می‌کنند.

دولایهٔ لیپیدی با مایع خارج‌سلولی یا داخل‌سلولی امتزاج‌پذیر نیست. بنابراین مانعی در برابر حرکت مولکول‌های آب و مواد محلول در آب میان دو بخش مایع خارج‌سلولی و داخل‌سلولی ایجاد می‌کند. بااین‌حال، همان‌طور که فلش سمت چپ شکل ۴٫۲ نشان می‌دهد، مواد محلول در چربی می‌توانند مستقیماً از بخش لیپیدی غشا منتشر شوند.

مولکول‌های پروتئینی غشا پیوستگی دولایهٔ لیپیدی را قطع می‌کنند و مسیر جایگزینی برای عبور از غشا می‌سازند. بسیاری از این پروتئین‌های عبوری می‌توانند به‌عنوان پروتئین انتقالی عمل کنند. بعضی از آن‌ها در تمام طول مولکول دارای فضای آبکی‌اند و اجازه می‌دهند آب و نیز یون‌ها یا مولکول‌های انتخاب‌شده تقریباً آزادانه حرکت کنند؛ این پروتئین‌ها پروتئین‌های کانالی نامیده می‌شوند. گروه دیگری که پروتئین‌های حامل نام دارند به مولکول‌ها یا یون‌های مورد انتقال متصل می‌شوند و سپس تغییر شکل فضایی پروتئین، ماده را از میان فضاهای مولکول پروتئینی به طرف دیگر غشا منتقل می‌کند.

پروتئین‌های کانالی و حامل اغلب برای انواع خاصی از مولکول‌ها یا یون‌هایی که اجازهٔ عبور از غشا دارند انتخاب‌پذیر هستند.

با وجود تنوع زیاد مکانیسم‌های انتقال، انتشار به معنای حرکت تصادفی مولکول‌به‌مولکول مواد است؛ این حرکت می‌تواند از فضاهای بین‌مولکولی غشا یا با کمک یک پروتئین حامل انجام شود. انرژی لازم برای انتشار از انرژی جنبشی طبیعی حرکت ماده تأمین می‌شود.

در مقابل، انتقال فعال یعنی حرکت یون‌ها یا مواد دیگر از غشا همراه با یک پروتئین حامل به‌گونه‌ای که پروتئین حامل، ماده را برخلاف یک گرادیان انرژی ــ برای مثال از غلظت کم به غلظت زیاد ــ جابه‌جا کند. چنین حرکتی علاوه بر انرژی جنبشی، به منبع انرژی دیگری نیز نیاز دارد. فیزیک و شیمی‌فیزیک این دو فرایند در ادامهٔ همین فصل با جزئیات بیشتری توضیح داده می‌شود.

حرکت تصادفی مولکول‌ها

تمام مولکول‌ها و یون‌های موجود در مایعات بدن، از جمله مولکول‌های آب و مواد حل‌شده، دائماً در حال حرکت‌اند. این حرکت همان چیزی است که فیزیک‌دانان «گرما» می‌نامند: هرچه حرکت بیشتر باشد، دما بالاتر است و این حرکت فقط در دمای صفر مطلق متوقف می‌شود. اگر مولکول متحرک A به مولکول ساکن B نزدیک شود، نیروهای الکترواستاتیک و سایر نیروهای هسته‌ای مولکول A، مولکول B را دفع می‌کنند و بخشی از انرژی حرکت A به B منتقل می‌شود. در نتیجه، مولکول B انرژی جنبشی پیدا می‌کند و مولکول A کندتر شده و بخشی از انرژی جنبشی خود را از دست می‌دهد.

همان‌طور که در شکل ۴٫۳ دیده می‌شود، یک مولکول منفرد در محلول میان مولکول‌های دیگر بارها برخورد می‌کند؛ ابتدا در یک جهت، سپس در جهتی دیگر و به همین ترتیب، به‌طور تصادفی هزاران بار در هر ثانیه. این حرکت پیوستهٔ مولکول‌ها در مایعات یا گازها انتشار نام دارد.

یون‌ها نیز همانند مولکول‌های کامل منتشر می‌شوند و حتی ذرات کلوئیدی معلق هم به روش مشابهی انتشار می‌یابند؛ با این تفاوت که به‌دلیل اندازهٔ بزرگ‌ترشان بسیار آهسته‌تر از مواد مولکولی منتشر می‌شوند.

انتشار ساده و انتشار تسهیل‌شده

انتشار از غشای سلول به دو زیرگروه تقسیم می‌شود: انتشار ساده و انتشار تسهیل‌شده. انتشار ساده یعنی حرکت جنبشی مولکول‌ها یا یون‌ها از یک منفذ غشایی یا فضای بین‌مولکولی بدون تعامل با پروتئین حامل. سرعت انتشار به مقدار مادهٔ موجود، سرعت حرکت جنبشی و تعداد و اندازهٔ دهانه‌های غشایی که مولکول‌ها یا یون‌ها می‌توانند از آن‌ها عبور کنند وابسته است.

انتشار ساده می‌تواند از فضاهای میان دولایهٔ لیپیدی رخ دهد، به‌شرط آنکه مادهٔ منتشرشونده در چربی محلول باشد. انتشار تسهیل‌شده می‌تواند از طریق یک پروتئین کانالی یا با تعامل ماده با پروتئین حامل انجام شود. پروتئین‌های حامل با اتصال شیمیایی به مولکول‌ها یا یون‌ها و جابه‌جاکردن آن‌ها از غشا، عبورشان را تسهیل می‌کنند.

انتشار مواد محلول در چربی از دولایهٔ لیپیدی

حلالیت چربی یک ماده عامل مهمی در تعیین سرعت انتشار آن از دولایهٔ لیپیدی است. برای مثال اکسیژن، نیتروژن، دی‌اکسید کربن و الکل‌ها حلالیت چربی بالایی دارند و می‌توانند مستقیماً در دولایهٔ لیپیدی حل شوند و از غشای سلول به همان روشی عبور کنند که مواد محلول در آب در یک محلول آبکی انتشار می‌یابند. سرعت انتشار هر یک از این مواد مستقیماً با حلالیت چربی آن متناسب است. مقدار بسیار زیادی اکسیژن می‌تواند به این روش منتقل شود؛ در نتیجه اکسیژن تقریباً گویی غشای سلولی وجود ندارد، به داخل سلول می‌رسد.

انتشار تسهیل‌شدهٔ مولکول‌های نامحلول در چربی از کانال‌های پروتئینی

با وجود اینکه آب در لیپیدهای غشا بسیار نامحلول است، به‌آسانی از کانال‌های موجود در مولکول‌های پروتئینی که سراسر غشا را طی می‌کنند عبور می‌کند. بسیاری از غشاهای سلولی بدن دارای منافذ پروتئینی به نام آکواپورین هستند که عبور سریع و انتخابی آب را از غشا امکان‌پذیر می‌کنند. آکواپورین‌ها بسیار تخصص‌یافته‌اند و دست‌کم ۱۳ نوع متفاوت از آن‌ها در سلول‌های مختلف پستانداران وجود دارد.

سرعت انتشار آب از بیشتر غشاهای سلولی شگفت‌آور است. برای مثال مجموع آبی که در هر ثانیه در هر جهت از غشای گلبول قرمز منتشر می‌شود تقریباً ۱۰۰ برابر حجم خود گلبول قرمز است.

مولکول‌های دیگرِ نامحلول در چربی نیز اگر در آب محلول و به اندازهٔ کافی کوچک باشند می‌توانند مانند آب از منافذ پروتئینی عبور کنند. اما با افزایش اندازهٔ مولکول، نفوذپذیری آن به‌سرعت کاهش می‌یابد. برای مثال قطر مولکول اوره فقط ۲۰ درصد بیشتر از آب است، اما نفوذ آن از منافذ غشای سلول حدود ۱۰۰۰ برابر کمتر از آب است. بااین‌حال، چون نفوذ آب بسیار سریع است، همین مقدار نفوذ اوره نیز اجازه می‌دهد اوره ظرف چند دقیقه به‌سرعت از غشا عبور کند.

بازسازی‌های سه‌بعدی کامپیوتری از منافذ و کانال‌های پروتئینی، مسیرهای لوله‌ای پیوسته‌ای را از مایع خارج‌سلولی تا داخل‌سلولی نشان داده‌اند. بنابراین مواد می‌توانند مستقیماً در امتداد این منافذ و کانال‌ها از یک طرف غشا به طرف دیگر منتشر شوند.

منافذ از پروتئین‌های یکپارچهٔ غشای سلول ساخته شده‌اند که لوله‌های بازی در سراسر غشا تشکیل می‌دهند و همیشه باز هستند. بااین‌حال قطر منفذ و بارهای الکتریکی آن نوعی انتخاب‌پذیری ایجاد می‌کنند که فقط به بعضی مولکول‌ها اجازهٔ عبور می‌دهد. برای مثال آکواپورین‌ها عبور سریع آب را ممکن می‌سازند ولی مولکول‌های دیگر را کنار می‌گذارند. منفذ آکواپورین آن‌قدر باریک است که مولکول‌های آب فقط به شکل تک‌ردیفی از آن عبور می‌کنند و هیچ یون هیدراته‌ای نمی‌تواند از آن بگذرد. همان‌طور که در فصل‌های ۲۸ و ۷۶ بررسی خواهد شد، تراکم برخی آکواپورین‌ها مانند aquaporin-2 در غشای سلول ثابت نیست و در شرایط فیزیولوژیک مختلف تغییر می‌کند.

کانال‌های پروتئینی دو ویژگی مهم دارند: ۱) اغلب برای مواد خاصی انتخاب‌پذیرند؛ و ۲) بسیاری از آن‌ها دارای دریچه‌هایی هستند که با پیام‌های الکتریکی باز یا بسته می‌شوند (کانال‌های وابسته به ولتاژ) یا با مواد شیمیاییِ متصل‌شونده به کانال تنظیم می‌شوند (کانال‌های وابسته به لیگاند). بنابراین کانال‌های یونی ساختارهایی انعطاف‌پذیر و پویا هستند و تغییرات ظریف در شکل فضایی آن‌ها بر دریچه‌گذاری و انتخاب‌پذیری یون اثر می‌گذارد.

انتخاب‌پذیری کانال‌های پروتئینی

بسیاری از کانال‌های پروتئینی برای انتقال یک یا چند یون یا مولکول اختصاصی بسیار انتخاب‌پذیرند. این انتخاب‌پذیری ناشی از ویژگی‌هایی مانند قطر و شکل کانال و ماهیت بارهای الکتریکی و پیوندهای شیمیایی در سطح داخلی آن است.

برای مثال کانال‌های پتاسیمی اجازه می‌دهند یون K⁺ دست‌کم ۱۰۰ برابر آسان‌تر از یون Na⁺ از غشا عبور کند. این میزان انتخاب‌پذیری را نمی‌توان فقط با قطر مولکولی یون‌ها توضیح داد، زیرا یون پتاسیم اندکی بزرگ‌تر از یون سدیم است. کانال پتاسیمی ساختاری تترامری دارد که از چهار زیرواحد پروتئینی یکسان پیرامون منفذ مرکزی تشکیل شده است. در قسمت فوقانی منفذ، حلقه‌های منفذی یک فیلتر انتخاب‌پذیری باریک می‌سازند و اکسیژن‌های کربونیل سطح این فیلتر را می‌پوشانند.

هنگامی که یون پتاسیم هیدراته وارد فیلتر انتخابی می‌شود، با اکسیژن‌های کربونیل برهم‌کنش می‌کند و بیشتر آب متصل به خود را از دست می‌دهد؛ سپس یون پتاسیمِ بدون آب می‌تواند از کانال عبور کند. اما فاصلهٔ اکسیژن‌های کربونیل برای تعامل نزدیک با یون سدیمِ کوچک‌تر بیش از حد زیاد است؛ بنابراین سدیم عملاً توسط فیلتر انتخاب‌پذیری کنار گذاشته می‌شود.

گمان می‌رود فیلترهای انتخاب‌پذیری متفاوت در کانال‌های یونی مختلف، تا حد زیادی تعیین‌کنندهٔ اختصاصیت کانال برای کاتیون‌ها، آنیون‌ها یا یون‌های خاصی مانند Na⁺، K⁺ و Ca²⁺ باشند.

یکی از مهم‌ترین کانال‌های پروتئینی، کانال سدیمی است که فقط ۰٫۳ تا ۰٫۵ نانومتر قطر دارد، اما توان آن برای تشخیص سدیم در میان یون‌های رقیب اطراف برای عملکرد صحیح سلول حیاتی است. باریک‌ترین بخش منفذ باز کانال سدیم، یعنی فیلتر انتخاب‌پذیری، با باقی‌مانده‌های اسید آمینه‌ای با بار منفی قوی پوشیده شده است. این بارهای منفی می‌توانند یون‌های سدیم کوچک را از مولکول‌های آب اطرافشان جدا کرده و وارد کانال کنند، هرچند برای عبور لازم نیست کاملاً آب‌زدایی شوند. پس از ورود، یون سدیم مطابق قوانین معمول انتشار می‌تواند در هر جهت حرکت کند. بنابراین کانال سدیم برای عبور Na⁺ بسیار انتخاب‌پذیر است.

دریچه‌گذاری کانال‌های پروتئینی

دریچه‌گذاری کانال‌ها راهی برای کنترل نفوذپذیری یونی فراهم می‌کند. زوائدی شبیه دریچه در مولکول پروتئین انتقالی می‌توانند دهانهٔ کانال را ببندند یا در اثر تغییر شکل فضایی پروتئین از دهانه کنار بروند.

باز و بسته‌شدن دریچه‌ها عمدتاً به دو روش کنترل می‌شود:

1. دریچه‌گذاری وابسته به ولتاژ: شکل فضایی دریچه یا پیوندهای شیمیایی آن به پتانسیل الکتریکی دو سوی غشا پاسخ می‌دهند. بار منفی قوی داخل غشا می‌تواند دریچه‌های سدیمی سمت خارج را بسته نگه دارد. برعکس، وقتی داخل غشا بار منفی خود را از دست بدهد، این دریچه‌ها ناگهان باز می‌شوند و سدیم از منافذ به داخل می‌آید. این مکانیسم پایهٔ ایجاد پتانسیل عمل در اعصاب است. دریچه‌های پتاسیمی در انتهای داخل‌سلولی کانال قرار دارند و وقتی داخل سلول مثبت شود باز می‌شوند؛ این بازشدن بخشی از مکانیسم خاتمهٔ پتانسیل عمل است.
2. دریچه‌گذاری شیمیایی یا وابسته به لیگاند: بعضی دریچه‌ها با اتصال یک مادهٔ شیمیایی به پروتئین باز می‌شوند؛ اتصال لیگاند تغییر شکل فضایی یا تغییر پیوندهای شیمیایی را ایجاد می‌کند و کانال را باز یا بسته می‌سازد. نمونهٔ مهم، استیل‌کولین و گیرندهٔ استیل‌کولین است که یک کانال یونی وابسته به لیگاند محسوب می‌شود. استیل‌کولین کانالی با منفذی دارای بار منفی و قطر حدود ۰٫۶۵ نانومتر باز می‌کند و اجازه می‌دهد مولکول‌های بدون بار یا یون‌های مثبت کوچک‌تر از این قطر عبور کنند. این دریچه برای انتقال پیام بین نورون‌ها و نیز از نورون به عضله جهت ایجاد انقباض اهمیت بسیار زیادی دارد.

حالت باز در برابر بستهٔ کانال‌های دریچه‌دار

شکل ۴٫۶A دو ثبت جریان الکتریکی عبوری از یک کانال سدیمی منفرد را در شرایط اختلاف پتانسیل ۲۵ میلی‌ولت نشان می‌دهد. کانال به شکل همه یا هیچ جریان هدایت می‌کند؛ یعنی دریچه ناگهان باز و سپس ناگهان بسته می‌شود. هر حالت باز فقط کسری از میلی‌ثانیه تا چند میلی‌ثانیه دوام دارد و سرعت بسیار زیاد تغییرات باز و بسته‌شدن کانال را نشان می‌دهد.

در یک ولتاژ ممکن است کانال تمام یا تقریباً تمام زمان بسته باشد و در ولتاژ دیگری تمام یا بیشتر زمان باز بماند. در ولتاژهای میانی، دریچه به‌طور متناوب باز و بسته می‌شود و در نتیجه جریان متوسطی بین حداقل و حداکثر ایجاد می‌شود.

روش Patch Clamp برای ثبت جریان یونی از کانال منفرد

روش Patch Clamp در شکل ۴٫۶B نشان داده شده است. میکروپیپتی با قطر نوک فقط ۱ تا ۲ میکرومتر به سطح خارجی غشای سلول چسبانده می‌شود. سپس درون پیپت مکش ایجاد می‌شود تا غشا به نوک پیپت کشیده شود و در محل تماس لبه‌های پیپت با غشا یک آب‌بندی بسیار محکم ایجاد گردد. در نتیجه قطعهٔ بسیار کوچکی از غشا در نوک پیپت قرار می‌گیرد که می‌توان جریان الکتریکی عبوری از آن را ثبت کرد.

به روش دیگر، قطعهٔ کوچک غشا در انتهای پیپت می‌تواند از سلول جدا شود. سپس پیپت همراه با قطعهٔ آب‌بندی‌شدهٔ غشا در یک محلول آزاد قرار می‌گیرد؛ بنابراین غلظت یون‌ها در داخل میکروپیپت و محلول بیرونی را می‌توان به دلخواه تغییر داد. همچنین ولتاژ دو سوی غشا را می‌توان در مقدار مشخصی تنظیم یا «Clamp» کرد.

می‌توان قطعات غشایی را آن‌قدر کوچک ساخت که فقط یک پروتئین کانالی در قطعهٔ مورد مطالعه وجود داشته باشد. با تغییر غلظت یون‌های مختلف و نیز ولتاژ دو سوی غشا، ویژگی‌های انتقالی و دریچه‌گذاری همان کانال منفرد قابل تعیین است.

نوع دیگری از انتشار تسهیل‌شده انتشار وابسته به حامل نام دارد، زیرا ماده با کمک یک پروتئین حامل اختصاصی از غشا عبور می‌کند؛ یعنی حامل، انتشار ماده را به طرف دیگر غشا تسهیل می‌کند.

انتشار تسهیل‌شده از نظر مهمی با انتشار ساده تفاوت دارد. در انتشار ساده، سرعت انتشار با افزایش غلظت ماده تقریباً به‌طور متناسب افزایش می‌یابد، اما در انتشار تسهیل‌شده با بالا رفتن غلظت ماده، سرعت انتشار به مقدار بیشینه‌ای به نام Vmax نزدیک می‌شود. شکل ۴٫۷ این تفاوت را نشان می‌دهد: سرعت انتشار ساده همچنان متناسب با غلظت بالا می‌رود، اما انتشار تسهیل‌شده نمی‌تواند از Vmax بیشتر شود.

چه چیزی سرعت انتشار تسهیل‌شده را محدود می‌کند؟ مکانیسم پیشنهادی در شکل ۴٫۸ پاسخی برای این پرسش ارائه می‌دهد. پروتئین حامل منفذی دارد که مولکول اختصاصی را تا بخشی از مسیر عبور می‌دهد و درون حامل یک محل گیرنده برای اتصال ماده وجود دارد. مولکول وارد منفذ شده و متصل می‌شود. سپس در کسری از ثانیه، تغییر شیمیایی یا تغییر شکل فضایی در حامل رخ می‌دهد و منفذ به سمت دیگر غشا باز می‌شود.

چون نیروی اتصال گیرنده ضعیف است، حرکت حرارتی مولکول متصل‌شده باعث جداشدن آن و آزادشدنش در سمت مقابل غشا می‌شود. سرعت انتقال هرگز نمی‌تواند از سرعتی که پروتئین حامل می‌تواند بین دو حالت خود رفت‌وبرگشت کند بیشتر باشد. نکتهٔ مهم این است که این مکانیسم اجازه می‌دهد مادهٔ منتقل‌شونده در هر دو جهت از غشا منتشر شود.

از جمله مواد زیادی که با انتشار تسهیل‌شدهٔ وابسته به حامل از غشای سلول عبور می‌کنند می‌توان به گلوکز و بیشتر اسیدهای آمینه اشاره کرد. دربارهٔ گلوکز، دست‌کم ۱۴ عضو از خانوادهٔ پروتئین‌های غشایی GLUT در بافت‌های مختلف شناسایی شده‌اند. برخی از این پروتئین‌ها مونوساکاریدهای دیگری با ساختار مشابه گلوکز مانند گالاکتوز و فروکتوز را نیز منتقل می‌کنند.

یکی از این پروتئین‌ها، GLUT4، می‌تواند در بافت‌های حساس به انسولین مانند عضلهٔ اسکلتی، بافت چربی و قلب، سرعت انتشار تسهیل‌شدهٔ گلوکز را ۱۰ تا ۲۰ برابر افزایش دهد. انسولین انتقال GLUT4 از سیتوزول سلول به غشای پلاسمایی را تحریک می‌کند؛ در نتیجه تراکم این ناقل در غشا و حداکثر سرعت یا Vmax انتشار گلوکز به داخل سلول افزایش می‌یابد. این مکانیسم اصلی کنترل مصرف گلوکز توسط انسولین در بدن است.

تا اینجا روشن شده است که بسیاری از مواد می‌توانند از غشای سلول منتشر شوند. چیزی که معمولاً اهمیت دارد، سرعت خالص انتشار ماده در جهت مناسب است. چند عامل این سرعت را تعیین می‌کنند.

سرعت خالص انتشار با اختلاف غلظت دو سوی غشا متناسب است

شکل ۴٫۹A غشایی را نشان می‌دهد که غلظت ماده در بیرون آن زیاد و در داخل آن کم است. سرعت انتشار ماده به سمت داخل متناسب با غلظت مولکول‌ها در بیرون است، زیرا این غلظت تعیین می‌کند در هر ثانیه چه تعداد مولکول به سطح خارجی غشا برخورد می‌کنند. برعکس، سرعت انتشار به سمت خارج متناسب با غلظت داخل غشا است. بنابراین سرعت خالص انتشار به داخل سلول با غلظت خارج منهای غلظت داخل متناسب است:

در این رابطه C_o غلظت خارج سلول و C_i غلظت داخل سلول است.

پتانسیل الکتریکی غشا و انتشار یون‌ها — پتانسیل نرنست

اگر اختلاف پتانسیل الکتریکی در دو سوی غشا اعمال شود، بار الکتریکی یون‌ها آن‌ها را به حرکت از غشا وادار می‌کند، حتی اگر اختلاف غلظتی وجود نداشته باشد. در بخش چپ شکل ۴٫۹B، غلظت یون‌های منفی در دو طرف برابر است، اما سمت راست غشا بار مثبت و سمت چپ بار منفی دارد. بار مثبت یون‌های منفی را جذب و بار منفی آن‌ها را دفع می‌کند؛ بنابراین انتشار خالص از چپ به راست رخ می‌دهد.

پس از مدتی، مقدار زیادی یون منفی به سمت راست منتقل می‌شود و اختلاف غلظتی در جهت مخالف اختلاف پتانسیل ایجاد می‌شود. اکنون اختلاف غلظت تمایل دارد یون‌ها را به چپ ببرد، درحالی‌که اختلاف الکتریکی آن‌ها را به راست می‌راند. وقتی اختلاف غلظت به اندازهٔ کافی زیاد شود، این دو اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند.

در دمای طبیعی بدن، حدود ۳۷ درجهٔ سانتی‌گراد، اختلاف الکتریکی لازم برای خنثی‌کردن یک اختلاف غلظت مشخص در یون‌های تک‌ظرفیتی مانند Na⁺ از معادلهٔ نرنست به دست می‌آید:

EMF نیروی محرکهٔ الکتریکی یا ولتاژ بین سمت ۱ و ۲ غشا است، C₁ غلظت در سمت ۱ و C₂ غلظت در سمت ۲. این معادله برای درک انتقال پیام عصبی بسیار مهم است و در فصل ۵ بررسی می‌شود.

اثر اختلاف فشار در دو سوی غشا

گاهی اختلاف فشار قابل‌توجهی در دو طرف یک غشای قابل انتشار ایجاد می‌شود. نمونهٔ مهم آن غشای مویرگ‌های خونی است که فشار داخل بسیاری از مویرگ‌ها حدود ۲۰ mm Hg بیشتر از بیرون است.

فشار در واقع مجموع نیروهای تمام مولکول‌هایی است که در یک لحظه به واحد سطح برخورد می‌کنند. بنابراین فشار بیشتر در یک طرف غشا یعنی مجموع نیروهای برخوردکننده با کانال‌های آن طرف بیشتر از طرف مقابل است. در بیشتر موارد این وضعیت ناشی از تعداد بیشتر مولکول‌هایی است که در هر ثانیه از یک طرف به غشا برخورد می‌کنند. در نتیجه انرژی بیشتری برای حرکت خالص مولکول‌ها از سمت پرفشار به سمت کم‌فشار در دسترس است. شکل ۴٫۹C این پدیده را با پیستونی نشان می‌دهد که در یک طرف منفذ فشار بالایی ایجاد کرده و تعداد برخوردها و انتشار به سمت دیگر را افزایش می‌دهد.

فراوان‌ترین ماده‌ای که از غشای سلول منتشر می‌شود آب است. در هر ثانیه، آن‌قدر آب در هر جهت از غشای گلبول قرمز منتشر می‌شود که مقدار آن تقریباً ۱۰۰ برابر حجم خود سلول است. بااین‌حال، در حالت طبیعی مقدار عبوری در دو جهت آن‌قدر دقیق متعادل است که حرکت خالص آب صفر می‌ماند و حجم سلول ثابت حفظ می‌شود.

در بعضی شرایط ممکن است اختلاف غلظت آب در دو سوی غشا ایجاد شود. در این حالت حرکت خالص آب رخ می‌دهد و بسته به جهت حرکت، سلول متورم یا کوچک می‌شود. این حرکت خالص آب که در اثر اختلاف غلظت آب ایجاد می‌شود اسمز نام دارد.

برای توضیح اسمز، شرایط شکل ۴٫۱۰ را در نظر بگیرید: یک طرف غشا آب خالص و طرف دیگر محلول کلرید سدیم است. مولکول‌های آب به‌آسانی از غشا عبور می‌کنند، اما یون‌های سدیم و کلرید با دشواری زیاد عبور می‌کنند. بنابراین محلول NaCl مخلوطی از مولکول‌های آبِ قابل نفوذ و یون‌های سدیم و کلریدِ تقریباً غیرقابل نفوذ است؛ در نتیجه غشا نسبت به آب انتخاباً تراوا و نسبت به Na⁺ و Cl⁻ بسیار کمتر تراوا است.

وجود سدیم و کلرید در سمت راست، بخشی از مولکول‌های آب را جابه‌جا کرده و غلظت آب را در آن سمت پایین‌تر از آب خالص قرار داده است. بنابراین تعداد مولکول‌های آبی که در سمت چپ ــ یعنی آب خالص ــ به کانال‌ها برخورد می‌کنند بیشتر از سمت راست است. حرکت خالص آب از چپ به راست رخ می‌دهد؛ یعنی اسمز از آب خالص به محلول کلرید سدیم انجام می‌شود.

فشار اسمزی

اگر در شکل ۴٫۱۰ به محلول NaCl فشار وارد شود، اسمز آب به داخل محلول کند، متوقف یا حتی معکوس می‌شود. مقدار فشاری که برای توقف اسمز لازم است فشار اسمزی محلول نامیده می‌شود.

اصل مقابلهٔ اختلاف فشار با اسمز در شکل ۴٫۱۱ نشان داده شده است. یک غشای انتخاباً تراوا دو ستون مایع را جدا می‌کند؛ یکی آب خالص و دیگری محلولی از آب و مادهٔ حل‌شونده‌ای که نمی‌تواند از غشا عبور کند. اسمز آب از محفظه B به A باعث می‌شود اختلاف سطح دو ستون بیشتر و بیشتر شود تا سرانجام اختلاف فشار ایجادشده آن‌قدر زیاد شود که اثر اسمزی را خنثی کند. اختلاف فشار دو سوی غشا در این لحظه برابر با فشار اسمزی محلول حاوی مادهٔ غیرقابل انتشار است.

تعداد ذرات اسمزی، نه جرم آن‌ها، فشار اسمزی را تعیین می‌کند

فشار اسمزی ایجادشده توسط ذرات یک محلول، چه مولکول باشند چه یون، به تعداد ذرات در واحد حجم وابسته است و نه جرم آن‌ها. هر ذره صرف‌نظر از جرمش، به‌طور متوسط فشار مشابهی بر غشا وارد می‌کند. هرچند ذرات بزرگ‌تر جرم بیشتری دارند، با سرعت کمتری حرکت می‌کنند؛ بنابراین انرژی جنبشی متوسط ذرات کوچک و بزرگ مطابق رابطهٔ زیر تقریباً یکسان می‌شود:

در نتیجه عامل تعیین‌کنندهٔ فشار اسمزی، غلظت محلول برحسب تعداد ذرات است؛ اگر ماده تفکیک نشود، این مقدار همان غلظت مولی است.

اسمولالیته — اسمول بر کیلوگرم آب

برای بیان غلظت محلول بر حسب تعداد ذرات، به‌جای گرم از واحد اسمول استفاده می‌شود. یک اسمول برابر با یک گرم‌مولکول از مادهٔ حل‌شوندهٔ فعال اسمزی است. بنابراین ۱۸۰ گرم گلوکز، یعنی یک گرم‌مولکول گلوکز، معادل یک اسمول گلوکز است؛ چون گلوکز به یون تفکیک نمی‌شود.

اگر ماده‌ای به دو یون تفکیک شود، یک گرم‌مولکول از آن به دو اسمول تبدیل می‌شود، زیرا تعداد ذرات فعال اسمزی دو برابر می‌شود. بنابراین اگر کلرید سدیم کاملاً تفکیک شود، ۵۸٫۵ گرم NaCl یعنی یک گرم‌مولکول، معادل دو اسمول است.

محلولی که یک اسمول مادهٔ حل‌شونده در هر کیلوگرم آب داشته باشد اسمولالیتهٔ ۱ osmol/kg دارد و اگر یک‌هزارم اسمول در هر کیلوگرم داشته باشد، اسمولالیتهٔ آن ۱ mOsm/kg است. اسمولالیتهٔ طبیعی مایعات خارج‌سلولی و داخل‌سلولی حدود ۳۰۰ mOsm/kg آب است.

رابطهٔ اسمولالیته و فشار اسمزی

در دمای طبیعی بدن، ۳۷ درجهٔ سانتی‌گراد، غلظت ۱ اسمول بر لیتر می‌تواند فشار اسمزی ۱۹٬۳۰۰ mm Hg ایجاد کند. به همین ترتیب، غلظت ۱ mOsm/L معادل ۱۹٫۳ mm Hg فشار اسمزی است. ضرب این مقدار در غلظت ۳۰۰ mOsm مایعات بدن، فشار اسمزی محاسبه‌شدهٔ ۵۷۹۰ mm Hg را می‌دهد.

اما مقدار واقعی اندازه‌گیری‌شده به‌طور متوسط فقط حدود ۵۵۰۰ mm Hg است. علت این اختلاف آن است که بسیاری از یون‌های مایعات بدن مانند سدیم و کلرید جاذبهٔ زیادی نسبت به یکدیگر دارند؛ بنابراین نمی‌توانند کاملاً آزادانه حرکت کنند و تمام توان فشار اسمزی خود را اعمال کنند. به‌طور متوسط فشار اسمزی واقعی مایعات بدن حدود ۰٫۹۳ برابر مقدار محاسبه‌شده است.

اسمولاریته — اسمول بر لیتر محلول

اسمولاریته غلظت اسمزی را برحسب اسمول در لیتر محلول بیان می‌کند، درحالی‌که اسمولالیته برحسب اسمول در کیلوگرم آب است. از نظر دقیق، اسمولالیته تعیین‌کنندهٔ فشار اسمزی است؛ اما در محلول‌های رقیق مانند مایعات بدن، تفاوت کمیّی اسمولاریته و اسمولالیته کمتر از ۱ درصد است. چون اندازه‌گیری اسمولاریته در عمل بسیار آسان‌تر است، معمولاً در مطالعات فیزیولوژیک از اسمولاریته استفاده می‌شود.

گاهی لازم است غلظت یک ماده در داخل سلول زیاد باشد، درحالی‌که مقدار آن در خارج سلول کم است؛ نمونهٔ مهم پتاسیم است. برعکس، برای یون‌هایی مانند سدیم مهم است که غلظت داخل سلول بسیار پایین باقی بماند، با وجود آنکه غلظت خارج سلول زیاد است. این وضعیت‌ها با انتشار ساده ممکن نیستند، زیرا انتشار ساده در نهایت غلظت‌ها را در دو سوی غشا متعادل می‌کند.

بنابراین باید منبعی از انرژی باعث انتقال اضافی K⁺ به داخل سلول و Na⁺ به خارج شود. هرگاه غشای سلول مولکول یا یون را «سربالا» و برخلاف گرادیان غلظت، الکتریکی یا فشار جابه‌جا کند، این فرایند انتقال فعال نام دارد.

موادی که دست‌کم در بعضی غشاهای سلولی به‌طور فعال منتقل می‌شوند شامل یون‌های سدیم، پتاسیم، کلسیم، آهن، هیدروژن، کلرید، یدید و اورات، چند نوع قند و بیشتر اسیدهای آمینه‌اند.

انتقال فعال بر اساس منبع انرژی به دو نوع تقسیم می‌شود: انتقال فعال اولیه و انتقال فعال ثانویه. در نوع اولیه، انرژی مستقیماً از تجزیهٔ ATP یا ترکیب فسفاتی پرانرژی دیگر به دست می‌آید. در نوع ثانویه، انرژی به‌طور غیرمستقیم از اختلاف غلظت یونی دو سوی غشا حاصل می‌شود؛ اختلافی که خود در ابتدا به‌وسیلهٔ انتقال فعال اولیه ایجاد شده است.

در هر دو نوع، انتقال به پروتئین‌های حامل عبوری از غشا وابسته است، مشابه انتشار تسهیل‌شده. اما در انتقال فعال اولیه، حامل عملکرد متفاوتی دارد، زیرا قادر است به مادهٔ منتقل‌شونده انرژی بدهد و آن را برخلاف گرادیان الکتروشیمیایی جابه‌جا کند.

از جمله موادی که با انتقال فعال اولیه جابه‌جا می‌شوند سدیم، پتاسیم، کلسیم، هیدروژن، کلرید و چند یون دیگرند. دقیق‌ترین مکانیسم مطالعه‌شده پمپ Na⁺–K⁺ است؛ ناقلی که در تمام سلول‌ها سدیم را به بیرون و همزمان پتاسیم را از بیرون به داخل پمپ می‌کند.

این پمپ مسئول حفظ اختلاف غلظت سدیم و پتاسیم در دو سوی غشا و ایجاد ولتاژ الکتریکی منفی داخل سلول است. در فصل ۵ خواهیم دید که پمپ سدیم–پتاسیم همچنین پایه‌ای برای عملکرد عصبی و انتقال پیام‌ها در دستگاه عصبی است.

شکل ۴٫۱۲ اجزای فیزیکی پایهٔ پمپ را نشان می‌دهد. پروتئین حامل مجموعه‌ای از دو پروتئین کروی جداگانه است: زیرواحد بزرگ‌تر α با وزن مولکولی حدود ۱۰۰٬۰۰۰ و زیرواحد کوچک‌تر β با وزن حدود ۵۵٬۰۰۰. عملکرد دقیق زیرواحد کوچک مشخص نیست، جز اینکه ممکن است مجموعهٔ پروتئینی را در غشای لیپیدی مهار کند. زیرواحد بزرگ سه ویژگی مهم برای عملکرد پمپ دارد:

1. در بخش پروتئین که به داخل سلول برجسته می‌شود، سه محل اتصال برای یون‌های سدیم دارد.
2. در سمت خارجی، دو محل اتصال برای یون‌های پتاسیم دارد.
3. بخش داخلی این پروتئین در نزدیکی محل‌های اتصال سدیم، فعالیت ATPase دارد.

وقتی دو یون پتاسیم در خارج و سه یون سدیم در داخل به حامل متصل شوند، فعالیت ATPase پروتئین فعال می‌شود. این فعالیت یک مولکول ATP را به ADP و فسفات پرانرژی می‌شکند. انرژی آزادشده تغییر شیمیایی و تغییر شکل فضایی در حامل ایجاد می‌کند و در نتیجه سه Na⁺ به خارج و دو K⁺ به داخل منتقل می‌شوند.

مانند بسیاری از آنزیم‌ها، پمپ Na⁺–K⁺ ATPase می‌تواند در جهت معکوس نیز کار کند. اگر گرادیان‌های الکتروشیمیایی Na⁺ و K⁺ در آزمایش آن‌قدر افزایش یابند که انرژی ذخیره‌شده در این گرادیان‌ها از انرژی شیمیایی هیدرولیز ATP بیشتر شود، این یون‌ها در جهت گرادیان غلظتی خود حرکت می‌کنند و پمپ Na⁺–K⁺ از ADP و فسفات، ATP می‌سازد.

بنابراین شکل فسفریلهٔ پمپ می‌تواند یا فسفات خود را به ADP بدهد و ATP بسازد، یا انرژی را برای تغییر شکل فضایی و پمپاژ Na⁺ به خارج و K⁺ به داخل مصرف کند. نسبت غلظت ATP، ADP و فسفات و نیز گرادیان‌های الکتروشیمیایی سدیم و پتاسیم جهت واکنش آنزیمی را تعیین می‌کنند. در برخی سلول‌ها مانند نورون‌های فعال الکتریکی، ۶۰ تا ۷۰ درصد انرژی سلول ممکن است صرف پمپاژ سدیم به خارج و پتاسیم به داخل شود.

پمپ Na⁺–K⁺ حجم سلول را کنترل می‌کند

یکی از مهم‌ترین اعمال پمپ Na⁺–K⁺ کنترل حجم سلول است. بدون این پمپ، بیشتر سلول‌های بدن متورم شده و می‌ترکند.

درون سلول تعداد زیادی پروتئین و مولکول آلی بزرگ وجود دارد که نمی‌توانند از سلول خارج شوند. بیشتر این مولکول‌ها بار منفی دارند و تعداد زیادی یون مثبت مانند K⁺، Na⁺ و یون‌های دیگر را جذب می‌کنند. این مجموعه سبب اسمز آب به داخل سلول می‌شود. اگر این فرایند مهار نشود، سلول پیوسته متورم می‌شود تا در نهایت بترکد.

مکانیسم طبیعی جلوگیری از این حالت پمپ Na⁺–K⁺ است. پمپ به ازای ورود دو K⁺، سه Na⁺ را به خارج می‌فرستد. علاوه بر این، غشا نسبت به سدیم بسیار کمتر از پتاسیم نفوذپذیر است و وقتی Na⁺ به بیرون رسید تمایل زیادی دارد همان‌جا باقی بماند. در نتیجه از هر چرخه، یک یون مثبت خالص از سلول خارج می‌شود و این کاهش یون داخل سلول، اسمز آب به خارج را نیز تقویت می‌کند.

اگر سلول به هر دلیلی شروع به تورم کند، پمپ Na⁺–K⁺ به‌طور خودکار فعال‌تر می‌شود و یون‌های بیشتری به بیرون می‌برد و آب نیز به دنبال آن‌ها خارج می‌شود. بنابراین این پمپ نقش پایش دائمی در حفظ حجم طبیعی سلول دارد.

پمپ Na⁺–K⁺ الکتروژنیک است

چون در هر چرخه سه بار مثبت Na⁺ به بیرون و فقط دو بار مثبت K⁺ به داخل منتقل می‌شود، یک بار مثبت خالص از داخل به خارج حرکت می‌کند. در نتیجه بیرون سلول مثبت‌تر و داخل منفی‌تر می‌شود. به همین علت پمپ Na⁺–K⁺ الکتروژنیک نام دارد، زیرا در دو سوی غشا پتانسیل الکتریکی ایجاد می‌کند. این پتانسیل برای انتقال پیام در رشته‌های عصبی و عضلانی ضروری است.

انرژی لازم برای انتقال فعال اولیه

مقدار انرژی لازم برای انتقال فعال یک ماده از غشا به میزان تغلیظ آن در جریان انتقال بستگی دارد. در مقایسه با انرژی لازم برای افزایش غلظت ۱۰ برابری، تغلیظ ۱۰۰ برابری دو برابر انرژی و تغلیظ ۱۰۰۰ برابری سه برابر انرژی نیاز دارد. یعنی انرژی لازم با لگاریتم درجهٔ تغلیظ متناسب است:

بنابراین برای تغلیظ یک اسمول ماده به میزان ۱۰ برابر حدود ۱۴۰۰ کالری و برای ۱۰۰ برابر حدود ۲۸۰۰ کالری انرژی لازم است. هزینهٔ انرژی برای تغلیظ مواد در سلول یا خارج‌کردن آن‌ها برخلاف گرادیان غلظت می‌تواند بسیار زیاد باشد. بعضی سلول‌ها مانند سلول‌های پوشانندهٔ توبول‌های کلیه و بسیاری از سلول‌های غده‌ای تا ۹۰ درصد انرژی خود را فقط برای این هدف مصرف می‌کنند.

انتقال فعال اولیهٔ یون‌های کلسیم

مکانیسم مهم دیگر، پمپ کلسیم است. غلظت Ca²⁺ در سیتوزول تقریباً همهٔ سلول‌های بدن به‌طور طبیعی بسیار پایین نگه داشته می‌شود و حدود ۱۰٬۰۰۰ برابر کمتر از مایع خارج‌سلولی است. دو پمپ فعال اولیهٔ کلسیم به حفظ این غلظت پایین کمک می‌کنند. یکی در غشای سلول Ca²⁺ را به خارج پمپ می‌کند و دیگری Ca²⁺ را به یکی یا چند اندامک وزیکولی داخل سلول، مانند شبکهٔ سارکوپلاسمی سلول عضلانی و میتوکندری‌ها، انتقال می‌دهد.

در هر دو حالت پروتئین حامل از غشا عبور می‌کند و مانند ATPase عمل می‌کند و توان شکستن ATP را دارد، با این تفاوت که محل اتصال بسیار اختصاصی برای کلسیم دارد و نه سدیم.

انتقال فعال اولیهٔ یون هیدروژن

انتقال فعال اولیهٔ H⁺ در دو محل بدن اهمیت ویژه‌ای دارد: ۱) غدد معده؛ و ۲) توبول‌های کلیوی شامل توبول دیستال انتهایی، مجاری جمع‌کنندهٔ قشری و مجاری جمع‌کنندهٔ مدولای خارجی.

در غدد معده، سلول‌های جداری عمقی قوی‌ترین مکانیسم انتقال فعال اولیهٔ هیدروژن را در بدن دارند. این مکانیسم اساس ترشح اسید هیدروکلریک در شیرهٔ معده است. در انتهای ترشحی سلول‌های جداری، غلظت H⁺ تا یک میلیون برابر افزایش می‌یابد و همراه با یون کلرید وارد معده می‌شود و HCl را تشکیل می‌دهد.

در توبول‌های کلیه، سلول‌های بینابینی اختصاصی در توبول دیستال انتهایی، مجاری جمع‌کنندهٔ قشری و مدولای خارجی نیز H⁺ را با انتقال فعال اولیه جابه‌جا می‌کنند. در اینجا مقادیر زیادی یون هیدروژن از خون به مایع توبولی ترشح می‌شود تا H⁺ اضافی از مایعات بدن حذف گردد. هیدروژن می‌تواند برخلاف گرادیان غلظتی حدود ۹۰۰ برابر به داخل مایع توبولی ترشح شود، هرچند بیشتر این یون‌ها پیش از دفع در ادرار با بافرهای مایع توبولی ترکیب می‌شوند.

وقتی یون‌های سدیم با انتقال فعال اولیه از سلول خارج می‌شوند، معمولاً گرادیان بزرگی از سدیم در دو سوی غشا ایجاد می‌شود: غلظت زیاد در خارج و غلظت کم در داخل. این گرادیان مانند ذخیره‌ای از انرژی عمل می‌کند، زیرا سدیم اضافی خارج غشا دائماً تمایل دارد به داخل منتشر شود.

در شرایط مناسب، انرژی انتشار سدیم می‌تواند مواد دیگر را نیز همراه خود از غشا بکشد. این پدیده هم‌انتقال و یکی از شکل‌های انتقال فعال ثانویه است.

برای اینکه Na⁺ مادهٔ دیگری را همراه خود بکشد، به مکانیسم اتصال نیاز است. این کار با پروتئین حامل دیگری انجام می‌شود که هم محل اتصال برای Na⁺ و هم برای مادهٔ همراه دارد. وقتی هر دو متصل شوند، انرژی گرادیان سدیم باعث انتقال همزمان Na⁺ و مادهٔ دیگر به داخل سلول می‌شود.

در پادانتقال نیز Na⁺ به دلیل گرادیان زیاد خود تمایل دارد وارد سلول شود، اما مادهٔ دوم از داخل به خارج منتقل می‌شود. Na⁺ به بخش خارجی پروتئین حامل متصل می‌شود و مادهٔ پادانتقال‌شونده به بخش داخلی آن. پس از اتصال هر دو، تغییر شکل فضایی در حامل رخ می‌دهد و انرژی حاصل از ورود سدیم، مادهٔ دیگر را به خارج می‌راند.

هم‌انتقال گلوکز و اسیدهای آمینه همراه سدیم

گلوکز و بسیاری از اسیدهای آمینه برخلاف گرادیان غلظتی بزرگ وارد بیشتر سلول‌ها می‌شوند و این کار کاملاً با هم‌انتقال انجام می‌شود. شکل ۴٫۱۳ نشان می‌دهد پروتئین حامل در سمت خارجی خود دو محل اتصال دارد: یکی برای سدیم و دیگری برای گلوکز. غلظت سدیم در خارج زیاد و در داخل کم است و همین گرادیان انرژی انتقال را فراهم می‌کند.

ویژگی اختصاصی این ناقل آن است که تغییر شکل لازم برای ورود سدیم تا زمانی که گلوکز نیز متصل نشود رخ نمی‌دهد. وقتی هر دو متصل شدند، تغییر شکل انجام شده و سدیم و گلوکز همزمان وارد سلول می‌شوند. بنابراین این ناقل هم‌انتقال‌دهندهٔ سدیم–گلوکز یا Symporter است، چون هر دو ماده را در یک جهت جابه‌جا می‌کند.

هم‌انتقال‌دهنده‌های سدیم–گلوکز به‌ویژه در انتقال گلوکز از اپی‌تلیوم روده و کلیه اهمیت دارند. هم‌انتقال سدیم و اسیدهای آمینه نیز به روش مشابه رخ می‌دهد، اما از مجموعه‌ای متفاوت از ناقل‌ها استفاده می‌کند. دست‌کم پنج نوع اصلی ناقل اسید آمینه شناسایی شده که هرکدام گروهی از اسیدهای آمینه با ویژگی‌های مولکولی مشخص را منتقل می‌کنند.

هم‌انتقال سدیم با گلوکز و اسیدهای آمینه به‌خصوص در اپی‌تلیوم روده و توبول‌های کلیه برای جذب این مواد به خون اهمیت دارد. مکانیسم‌های هم‌انتقال مهم دیگر در بعضی سلول‌ها شامل K⁺، Cl⁻، HCO₃⁻، فسفات، ید، آهن و اورات است.

پادانتقال سدیم با کلسیم و هیدروژن

دو پادانتقال‌دهندهٔ مهم، سدیم–کلسیم و سدیم–هیدروژن هستند.

پادانتقال سدیم–کلسیم در تقریباً همهٔ غشاهای سلولی رخ می‌دهد؛ Na⁺ به داخل و Ca²⁺ به خارج حرکت می‌کند و هر دو به یک پروتئین حامل در وضعیت پادانتقال متصل‌اند. این مکانیسم علاوه بر انتقال فعال اولیهٔ Ca²⁺ است که در برخی سلول‌ها وجود دارد.

پادانتقال سدیم–هیدروژن در چندین بافت دیده می‌شود. نمونهٔ بسیار مهم آن توبول پروگزیمال کلیه است، جایی که Na⁺ از لومن توبول وارد سلول توبولی می‌شود و H⁺ در جهت مخالف وارد لومن می‌گردد. این مکانیسم برای تغلیظ H⁺ به اندازهٔ انتقال فعال اولیهٔ هیدروژن در بخش‌های دیستال‌تر کلیه قدرتمند نیست، اما می‌تواند تعداد بسیار زیادی H⁺ را جابه‌جا کند و بنابراین در کنترل یون هیدروژن مایعات بدن نقش کلیدی دارد.

در بسیاری از نقاط بدن، مواد باید به‌جای عبور فقط از یک غشای سلولی، از تمام ضخامت یک لایهٔ سلولی منتقل شوند. این نوع انتقال در اپی‌تلیوم روده، اپی‌تلیوم توبول‌های کلیه، اپی‌تلیوم همهٔ غدد برون‌ریز، اپی‌تلیوم کیسهٔ صفرا و غشای شبکهٔ کوروئید مغز و نیز غشاهای دیگر رخ می‌دهد.

مکانیسم پایهٔ انتقال یک ماده از یک لایهٔ سلولی چنین است: ۱) انتقال فعال از غشای سلولیِ یک سمت سلول‌های انتقال‌دهنده؛ سپس ۲) انتشار ساده یا تسهیل‌شده از غشای سمت مقابل.

شکل ۴٫۱۵ مکانیسم انتقال Na⁺ از اپی‌تلیوم روده، کیسهٔ صفرا و توبول کلیه را نشان می‌دهد. سلول‌های اپی‌تلیال در قطب لومینال با اتصال‌های محکم به یکدیگر متصل‌اند. حاشیهٔ مسواکی سطح لومینال به سدیم و آب نفوذپذیر است؛ بنابراین Na⁺ و آب به‌آسانی از لومن وارد سلول می‌شوند.

سپس در غشاهای قاعده‌ای و جانبی، Na⁺ به‌طور فعال وارد مایع خارج‌سلولیِ بافت همبند و عروق خونی اطراف می‌شود. این عمل گرادیان بزرگی از سدیم در این غشاها ایجاد می‌کند و به دنبال آن آب نیز با اسمز حرکت می‌کند. بنابراین انتقال فعال Na⁺ در سطح قاعده‌ای–جانبی، نه‌تنها سدیم بلکه آب را نیز از لایهٔ سلولی عبور می‌دهد.

تقریباً همهٔ مواد مغذی، یون‌ها و مواد دیگر با همین مکانیسم‌ها از روده به خون جذب می‌شوند. همچنین همین سازوکارها سبب بازجذب مواد از فیلتراسیون گلومرولی توسط توبول‌های کلیه می‌شوند.

نمونه‌های فراوان دیگری از انواع انتقال مطرح‌شده در این فصل در سراسر کتاب بررسی خواهند شد.

1. Abbott GW. Kv channel ancillary subunits: where do we go from here? Physiology (Bethesda). 2022;37:225–241.
2. Bröer S. Amino acid transporters as modulators of glucose homeostasis. Trends Endocrinol Metab. 2022;33:120–135.
3. Delmas P, Parpaite T, Coste B. PIEZO channels and newcomers in the mammalian mechanosensitive ion channel family. Neuron. 2022;110:2713–2727.
4. Dixon RE, Navedo MF, Binder MD, et al. Mechanisms and physiological implications of cooperative gating of clustered ion channels. Physiol Rev. 2022;102:1159–1210.
5. Drummond HA. What evolutionary evidence implies about the identity of the mechanoelectrical couplers in vascular smooth muscle cells. Physiology (Bethesda). 2021;36:292–306.
6. Goodwin G, McMahon SB. The physiological function of different voltage-gated sodium channels in pain. Nat Rev Neurosci. 2021;22:263–274.
7. Kefauver JM, Ward AB, Patapoutian A. Discoveries in structure and physiology of mechanically activated ion channels. Nature. 2020;587:567–576.
8. Lopaschuk GD, Verma S. Mechanisms of cardiovascular benefits of sodium glucose co-transporter 2 (SGLT2) inhibitors. JACC Basic Transl Sci. 2020;5:632–644.
9. MacAulay N. Molecular mechanisms of brain water transport. Nat Rev Neurosci. 2021;22:326–344.
10. Mantegazza M, Cestèle S, Catterall WA. Sodium channelopathies of skeletal muscle and brain. Physiol Rev. 2021;101:1633–1689.
11. Morth JP, Pedersen BP, Buch-Pedersen MJ, et al. A structural overview of the plasma membrane Na+,K+-ATPase and H+-ATPase ion pumps. Nat Rev Mol Cell Biol. 2011;12:60–70.
12. Ottolia M, John S, Hazan A, et al. The cardiac Na+-Ca2+ exchanger: from structure to function. Compr Physiol. 2021;12:2681–2717.
13. Pedersen SF, Counillon L. The SLC9A-C mammalian Na+/H+ exchanger family: molecules, mechanisms, and physiology. Physiol Rev. 2019;99:2015–2113.
14. Rasmussen MK, Mestre H, Nedergaard M. Fluid transport in the brain. Physiol Rev. 2022;102:1025–1151.
15. Rosenbaum T, Morales-Lázaro SL, Islas LD. TRP channels: a journey towards a molecular understanding of pain. Nat Rev Neurosci. 2022;23:596–610.
16. Wall SM, Verlander JW, Romero CA. The renal physiology of pendrin-positive intercalated cells. Physiol Rev. 2020;100:1119–1147.