دپولاریزاسیون در سلول: تعریف، مکانیزم و تفاوت با بازقطبی‌سازی

دپولاریزاسیون در سلول چیست؟

ارتباط سلول به سلول بخش مهمی از سیستم‌های بیولوژیکی است. در میان راه‌های مختلف ارتباط سلولی، ارتباط از طریق سیگنال‌های الکتریکی اهمیت زیادی دارد، جایی که دپولاریزاسیون نقش مهمی در انتقال تکانه عصبی ایفا می‌کند.

تحریک عصبی می‌تواند توسط پیام‌رسان‌های شیمیایی مانند نوروترانسمیترها یا تغییرات محیطی مانند فشار، صدا و نور ایجاد شود. این باعث باز شدن کانال‌های یونی مختلف می‌شود که از طریق آن‌ها یون‌های باردار مثبت مانند سدیم یا پتاسیم می‌توانند وارد سلول شوند و بار منفی داخل سلول را کاهش دهند، پدیده‌ای که به آن  دپولاریزاسیون گفته می‌شود.

دپولاریزاسیون رویدادی سلولی است که با تغییر در توزیع بارهای الکتریکی داخل سلول، به‌ویژه در غشای سلولی، به طور عمده غشای عصبی برای هدایت تکانه‌ها مشخص می‌شود.

این فرآیند منجر به کاهش بار منفی داخل سلول نسبت به محیط خارجی آن می‌شود تا سیگنال‌های الکتریکی ضروری برای ارتباط بین سلولی را منتشر کند. این فرآیند فقط برای مدت کوتاهی رخ می‌دهد.

سلول‌های برانگیخت‌پذیر (با قابلیت پتانسیل عمل)

• سلول‌های برانگیخت‌پذیر سلول‌هایی هستند که نسبت به تحریک الکتریکی واکنش نشان می‌دهند.
• این سلول‌ها دارای کانال‌های یونی تخصصی هستند که در غشای پلاسمایی آن‌ها تعبیه شده‌اند و حرکت تنظیم‌شدهٔ یون‌ها را از سد غشایی تسهیل می‌کنند.
• این حرکت یون‌ها از طریق کانال‌ها در پاسخ به تحریک الکتریکی مختلف رخ می‌دهد. هنگامی که این سلول‌های برانگیخت‌پذیر با محرک مواجه می‌شوند، به ورود و خروج یون‌ها اجازه می‌دهند.
• این حرکت پویا تغییراتی را در پتانسیل غشاء ایجاد می‌کند و بار نسبی آن را نسبت به محیط خارج سلولی تغییر می‌دهد.

انواع سلول‌های برانگیخت‌پذیر عبارتند از:

• سلول‌های عصبی: سلول‌های عصبی از طریق قطبش‌زدایی، تکانه‌های عصبی را در امتداد آکسون‌ها هدایت می‌کنند و ارتباط بین سلول‌ها را تسهیل می‌کنند.
• سلول‌های ماهیچه‌ای: به طور مشابه، سلول‌های ماهیچه‌ای خاصیت تحریک‌پذیری دارند که امکان انقباض هماهنگ ماهیچه‌ها برای حرکت و جابجایی را فراهم می‌کند.
• کاردیومیوسیت‌ها (سلول‌های قلبی): همچنین، سلول‌های برانگیخت‌پذیر شامل سلول‌های تخصصی مانند کاردیومیوسیت‌ها در قلب می‌شوند که ریتم قلب را تنظیم می‌کنند.
• سلول‌های اندوکرین: سلول‌های اندوکرین در بافت‌های غده‌ای مسئول ترشح هورمون هستند که با دپولاریزاسیون این سلول‌ها ایجاد می‌شود.
• سلول‌های برانگیخت‌پذیر دیگری نیز در بدن برای هدایت تحریک الکتریکی وجود دارند.

گرادیان‌های الکتروشیمیایی

• این گرادیان‌ها ناشی از تفاوت در غلظت یون بین محیط داخل سلولی و خارج سلولی است که به دلیل نفوذپذیری انتخابی غشای سلول به یون‌های خاص ایجاد می‌شود.
• در سلول‌های برانگیخت‌پذیر مانند نورون‌ها، یون‌های غالب درگیر در ایجاد گرادیان الکتروشیمیایی، سدیم (Na+) و پتاسیم (K+) هستند.
• در شرایط استراحت، غشای سلولی به دلیل غلظت بیشتر یون‌های باردار مثبت در خارج سلول، یک پتانسیل استراحت منفی را نشان می‌دهد. تفاوت‌های بار توسط پمپ‌های سدیم-پتاسیم حفظ می‌شود که از ATP برای انتقال یون‌ها خلاف گرادیان غلظت آن‌ها استفاده می‌کنند.

پتانسیل درجه‌بندی شده

• آن‌ها نشان‌دهنده تغییرات موضعی در پتانسیل غشاء ناشی از تغییرات در جریان یون‌ها در سراسر غشای سلولی هستند.
• هنگامی که یک محرک به گیرنده متصل می‌شود، باعث تغییراتی در توزیع بارهای الکتریکی در سراسر غشاء می‌شود و باعث کاهش منفی‌بودگی (قطبش‌زدایی یا دپولاریزاسیون) یا افزایش منفی‌بودگی (قطبی‌سازی یا پولاریزاسیون) می‌شود.

پتانسیل استراحت غشاء

• نورون‌ها در حالت استراحت، پتانسیل غشای استراحت را در -70 میلی‌ولت حفظ می‌کنند که با تعادل حرکت یون‌ها در سراسر غشای سلولی برقرار می‌شود.
• پتانسیل استراحت غشاء ناشی از توزیع نابرابر یون‌های سدیم و پتاسیم است که توسط پمپ‌های سدیم و پتاسیم حفظ می‌شود.
• هر دو یون سدیم و پتاسیم به طور مداوم در سراسر غشاء حرکت می‌کنند که توسط گرادیان‌های غلظتی و پتانسیل غشای مربوط به خود هدایت می‌شوند.
• غشاء به دلیل تعداد بیشتر کانال‌های پتاسیم باز، نسبت به یون‌های سدیم نفوذپذیری بیشتری نسبت به یون‌های پتاسیم دارد.
• در ابتدا، یون‌های پتاسیم از سلول خارج می‌شوند، در حالی که یون‌های سدیم وارد سلول می‌شوند، که منجر به حرکت خالص بار مثبت به بیرون می‌شود و به پتانسیل غشای منفی کمک می‌کند.
• با منفی‌تر شدن پتانسیل غشاء، حرکات پتاسیم کند شده و حرکات سدیم تسریع می‌شود و در نهایت به تعادل می‌رسد که در آن هیچ حرکت خالص بار رخ نمی‌دهد. این امر با پمپاژ سه یون سدیم باردار مثبت (3Na+) خارج از سلول برای هر دو یون پتاسیم باردار مثبت (2K+) داخل آن برقرار می‌شود.
• پتانسیل نهایی غشای استراحت تقریباً -70 میلی‌ولت به دلیل نفوذپذیری بیشتر غشاء نسبت به یون‌های پتاسیم، نزدیک‌تر به پتانسیل تعادل پتاسیم است. فعالیت مداوم پمپ‌های Na+ و K+ وابسته به ATP محیط مورد نیاز را حفظ می‌کند.

دپولاریزاسیون

• یک سلول پس از رسیدن به پتانسیل استراحت و احساس هرگونه محرکی، دچار دپولاریزاسیون می‌شود.
• پتانسیل غشاء در طی دپولاریزاسیون به سرعت از منفی به مثبت تغییر می‌کند.
• کانال‌های سدیم وابسته به ولتاژ و کانال‌های کلسیم وابسته به ولتاژ که در هنگام پتانسیل استراحت بسته بودند، در پاسخ به تغییر اولیه در ولتاژ غشاء باز می‌شوند. پمپ سدیم-پتاسیم به فعالیت خود در طول دپولاریزاسیون ادامه می‌دهد.
• پتانسیل غشاء از منفی به مثبت تغییر می‌کند زیرا یون‌های سدیم به داخل سلول هجوم می‌برند، بار مثبت اضافه می‌کنند و بار داخلی را تغییر می‌دهند.
• دپولاریزاسیون زمانی کامل می‌شود که داخل سلول بار مثبت بیشتری پیدا کند، در این نقطه کانال‌ها دوباره بسته می‌شوند.
• دپولاریزاسیون زمانی اتفاق می‌افتد که کانال‌های سدیم باز شوند. از آنجایی که همانطور که در بالا ذکر شد، سدیم بیشتری در خارج سلول وجود دارد، هنگامی که این کانال‌ها باز می‌شوند، آن سدیم مثبت شروع به ورود به سلول می‌کند.
• این باعث می‌شود که داخل سلول مثبت‌تر شود. بنابراین، دپولاریزاسیون می‌شود زیرا تفاوت کمتری بین داخل و خارج سلول وجود دارد.

پتانسیل عمل

• یک تکانه عصبی توسط رویدادی به نام دپولاریزه شدن آغاز می‌شود که ناشی از رخداد همزمان چندین ورودی قطبش‌زا است.
• تکانه عصبی زمانی شروع می‌شود که دپولاریزه شدن از مقدار آستانه که معمولاً حدود -55 میلی‌ولت است، فراتر رود.
• با رسیدن به آستانه، کانال‌های سدیم (Na+) وابسته به ولتاژ که در غشاء تعبیه شده‌اند به سرعت باز می‌شوند و اجازه ورود یون‌های سدیم زیادی به سلول را می‌دهند که باعث افزایش سریع پتانسیل غشاء می‌شود که به عنوان فاز صعودی شناخته می‌شود.
• پس از غیرفعال شدن کانال‌های سدیم، کانال‌های پتاسیم (K+) وابسته به ولتاژ باز می‌شوند و امکان خروج یون‌های پتاسیم از سلول را فراهم می‌کنند و پتانسیل غشاء را به سمت حالت استراحت خود هدایت می‌کنند، مرحله‌ای که به آن بازقطبی شدن می‌گویند.
• باز شدن طولانی مدت کانال‌های پتاسیم ممکن است منجر به زیرشوت شود، جایی که پتانسیل غشاء قبل از تثبیت، به طور خلاصه پایین‌تر از پتانسیل استراحت خود می‌رود.
• پس از آن، کانال‌های پتاسیم وابسته به ولتاژ توانایی خود را از دست می‌دهند و پتانسیل غشاء به حالت استراحت خود باز می‌گردد، در حالی که کانال‌های سدیم به حالت بسته اما پاسخگو بازنشست می‌شوند و برای تکانه‌های عصبی بعدی آماده می‌شوند.

خلاصه (عمدتا در سلول های عصبی)

دپولاریزاسیون در فیزیولوژی سلول‌های عصبی برای انتقال تکانه عصبی حیاتی است. گرادیان الکتروشیمیایی در سراسر غشای سلولی که تحت تأثیر یون‌های سدیم و پتاسیم است، پتانسیل استراحت غشاء را ایجاد می‌کند که به طور معمول حدود ۷۰- میلی‌ولت است. هنگامی که سلول تحریک می‌شود و به ولتاژ آستانه (حدود ۵۵- میلی‌ولت) می‌رسد، کانال‌های یون سدیم وابسته به ولتاژ باز می‌شوند و اجازه ورود یون‌های مثبت سدیم به داخل سلول را می‌دهند. این ورود بار مثبت باعث ایجاد قطبش‌زدایی می‌شود و در نتیجه بار منفی کمتری در داخل سلول ایجاد می‌کند.

پس از آن، سلول با بازقطبی‌سازی تلاش می‌کند تا به حالت استراحت خود بازگردد. یون‌های پتاسیم از سلول خارج می‌شوند و بار منفی داخل را بازیابی می‌کنند، در حالی که پمپ‌های سدیم-پتاسیم به طور فعال علیه گرادیان‌های غلظتی خود عمل می‌کنند و پتانسیل استراحت غشاء را دوباره برقرار می‌کنند. این فرآیند چرخه‌ای قطبش‌زدایی و بازقطبی‌سازی، امکان انتقال تکانه‌های عصبی و تسهیل عملکردهای حیاتی درون ارگانیسم‌ها را فراهم می‌کند.

تفاوت بین قطبش‌زدایی (دپولاریزاسیون) و بازقطبی‌سازی (پولاریزاسیون)

همچنین بخوانید:

• دوره مهارت آموزی نوروساینس: جراحی مغز
• مسیرهای سیگنالینگ آپوپتوز: تنظیم کننده و مکانیسم آن

مترجم: محمد صادق محمودی لرد

منبع