الصوديوم في علم الأحياء

أيونات الصوديوم ( Na ⁺ ) ضرورية بكميات صغيرة لبعض أنواع النباتات ، ^[1] ولكن الصوديوم كمغذي مطلوب بشكل عام بكميات أكبر ^[1] من قبل الحيوانات ، بسبب استخدامها له لتوليد النبضات العصبية وللحفاظ على توازن الكهارل وتوازن السوائل . في الحيوانات، أيونات الصوديوم ضرورية للوظائف المذكورة أعلاه ولنشاط القلب وبعض الوظائف الأيضية . ^[2] تعكس التأثيرات الصحية للملح ما يحدث عندما يكون لدى الجسم الكثير أو القليل جدًا من الصوديوم. تركيزات الصوديوم المميزة في الكائنات الحية النموذجية هي: 10  مليمول في الإشريكية القولونية ، 30 مليمول في الخميرة المتبرعمة، 10 مليمول في الخلايا الثديية و100 مليمول في بلازما الدم. ^[3]

بالإضافة إلى ذلك، فإن أيونات الصوديوم ضرورية للعديد من العمليات الخلوية. فهي مسؤولة عن النقل المشترك للجلوكوز في انتقال الجلوكوز الصوديومي، وتستخدم للمساعدة في الحفاظ على قطبية الغشاء بمساعدة مضخة الصوديوم والبوتاسيوم، وتقترن بالماء لتخفيف المخاط في تجويف مجرى الهواء عندما يحرك مستقبل نقل التليف الكيسي النشط أيونات الكلوريد إلى مجرى الهواء. ^[4]

الحد الأدنى من المتطلبات الفسيولوجية للصوديوم هو ما بين 115 و 500 ملغ يوميًا اعتمادًا على التعرق بسبب النشاط البدني، وما إذا كان الشخص متكيفًا مع المناخ. ^[5] كلوريد الصوديوم هو المصدر الرئيسي للصوديوم في النظام الغذائي، ويستخدم كتوابل ومادة حافظة، مثل التخليل واللحوم المجففة ؛ يأتي معظمها من الأطعمة المصنعة. ^[6] يبلغ المدخول الكافي من الصوديوم 1.2 إلى 1.5 جرام يوميًا، ^[7] ولكن في المتوسط ​​يستهلك الأشخاص في الولايات المتحدة 3.4 جرام يوميًا، ^{[8] [9]} الحد الأدنى من الكمية التي تعزز ارتفاع ضغط الدم. ^[10] لاحظ أن الملح يحتوي على حوالي 39.3٪ صوديوم بالكتلة ^[11] - والباقي عبارة عن كلور ومواد كيميائية أخرى أثرية؛ وبالتالي فإن مستوى المدخول العلوي المسموح به وهو 2.3 جرام من الصوديوم سيكون حوالي 5.9 جرام من الملح - حوالي ملعقة صغيرة . ^[12] يتراوح متوسط ​​الإخراج اليومي للصوديوم بين 40 و 220 ملي مكافئ. ^[13]

تتراوح مستويات الصوديوم الطبيعية في المصل بين 135 و145 ملي مكافئ /لتر تقريبًا (135 إلى 145 ملي مول/لتر). يعتبر مستوى الصوديوم في المصل الذي يقل عن 135 ملي مكافئ/لتر بمثابة نقص صوديوم الدم ، والذي يعتبر شديدًا عندما يكون مستوى الصوديوم في المصل أقل من 125 ملي مكافئ/لتر. ^{[14] [15]}

ينظم نظام الرينين -أنجيوتنسين وببتيد الأذين المدر للصوديوم بشكل غير مباشر كمية نقل الإشارة في الجهاز العصبي المركزي البشري ، والذي يعتمد على حركة أيونات الصوديوم عبر غشاء الخلية العصبية، في جميع الأعصاب. وبالتالي فإن الصوديوم مهم في وظيفة الخلايا العصبية وتنظيم الضغط الأسموزي بين الخلايا والسائل خارج الخلايا ؛ يتم توزيع أيونات الصوديوم في جميع الحيوانات بواسطة مضخات الصوديوم والبوتاسيوم ، وهي مضخات مذابة ناقلة نشطة ، تضخ الأيونات ضد التدرج، وقنوات الصوديوم والبوتاسيوم. ^[16] ومن المعروف أن قنوات الصوديوم أقل انتقائية مقارنة بقنوات البوتاسيوم. الصوديوم هو الكاتيون الأكثر بروزًا في السائل خارج الخلايا: في 15 لترًا من السائل خارج الخلايا في إنسان يبلغ وزنه 70 كجم يوجد حوالي 50 جرامًا من الصوديوم، أي 90٪ من إجمالي محتوى الصوديوم في الجسم.

بعض السموم العصبية القوية ، مثل الباتراكوتوكسين ، تزيد من نفاذية أيونات الصوديوم للأغشية الخلوية في الأعصاب والعضلات، مما يتسبب في استقطاب هائل وغير قابل للعكس للأغشية مع عواقب مميتة محتملة. ومع ذلك، فإن الأدوية ذات التأثيرات الأصغر على حركة أيونات الصوديوم في الأعصاب قد يكون لها تأثيرات دوائية متنوعة تتراوح من تأثيرات مضادة للاكتئاب إلى تأثيرات مضادة للنوبات.

نظرًا لأن بعض النباتات فقط تحتاج إلى الصوديوم وتلك التي تحتاج إلى كميات صغيرة، فإن النظام الغذائي القائم على النباتات بالكامل سيكون عمومًا منخفضًا جدًا في الصوديوم. ^{[ بحاجة لمصدر ]} وهذا يتطلب من بعض الحيوانات العاشبة الحصول على الصوديوم من الملح ومصادر معدنية أخرى. ربما تكون الحاجة الحيوانية للصوديوم هي السبب وراء القدرة المحفوظة للغاية على تذوق أيون الصوديوم على أنه "مالح". تستجيب مستقبلات الطعم المالح الخالص بشكل أفضل للصوديوم؛ وإلا، تستجيب المستقبلات فقط لعدد قليل من الكاتيونات الأحادية التكافؤ الصغيرة الأخرى ( Li ⁺ ، NH+4وبعض الشيء بالنسبة لـ K ⁺ ). كما أن أيون الكالسيوم (Ca ²⁺ ) له طعم مالح وأحيانًا مرير بالنسبة لبعض الأشخاص، ولكن مثل البوتاسيوم، يمكن أن يثير مذاقًا آخر.

تلعب أيونات الصوديوم دورًا متنوعًا ومهمًا في العديد من العمليات الفسيولوجية، حيث تعمل على تنظيم حجم الدم وضغط الدم والتوازن الأسموزي ودرجة الحموضة . ^[8]

في نباتات C4 ، يعد الصوديوم من العناصر الغذائية الدقيقة التي تساعد في عملية التمثيل الغذائي، وتحديدًا في تجديد فوسفوإينول بيروفات (يشارك في التخليق الحيوي للعديد من المركبات العطرية، وفي تثبيت الكربون ) وتخليق الكلوروفيل. ^[17] وفي حالات أخرى، يحل محل البوتاسيوم في العديد من الأدوار، مثل الحفاظ على ضغط التورجو والمساعدة في فتح وإغلاق الثغور. ^[18] يحد الصوديوم الزائد في التربة من امتصاص الماء بسبب انخفاض إمكانات الماء ، مما قد يؤدي إلى الذبول؛ يمكن أن تؤدي التركيزات المماثلة في السيتوبلازم إلى تثبيط الإنزيم، مما يؤدي بدوره إلى نخر واصفرار الأوراق. ^[19] لتجنب هذه المشاكل، طورت النباتات آليات تحد من امتصاص الصوديوم بواسطة الجذور، وتخزنها في فجوات الخلايا ، وتتحكم فيها لمسافات طويلة؛ ^[20] يمكن أيضًا تخزين الصوديوم الزائد في أنسجة النبات القديمة، مما يحد من الضرر الذي يلحق بالنمو الجديد. على الرغم من أن مقدار التحميل الزائد للصوديوم في الخشب لم يتم تحديده بعد. ومع ذلك، يمكن أن يعزى مضاد البورتر CHX21 إلى التحميل النشط للصوديوم في الخشب. ^[21]

الصوديوم هو الكاتيون الأساسي (أيون موجب الشحنة) في السوائل خارج الخلايا لدى الحيوانات والبشر. هذه السوائل، مثل بلازما الدم والسوائل خارج الخلايا في الأنسجة الأخرى، تغمر الخلايا وتقوم بوظائف نقل المواد الغذائية والنفايات. الصوديوم هو أيضًا الكاتيون الأساسي في مياه البحر، على الرغم من أن تركيزه هناك يبلغ حوالي 3.8 أضعاف تركيزه الطبيعي في سوائل الجسم خارج الخلايا.

على الرغم من أن نظام الحفاظ على التوازن الأمثل للملح والماء في الجسم معقد، ^[22] فإن إحدى الطرق الأساسية التي يتتبع بها جسم الإنسان فقدان ماء الجسم هي أن المستقبلات الاسموزية في منطقة ما تحت المهاد تستشعر توازن تركيز الصوديوم والماء في السوائل خارج الخلايا. سيؤدي الفقد النسبي لمياه الجسم إلى ارتفاع تركيز الصوديوم أعلى من المعدل الطبيعي، وهي الحالة المعروفة باسم فرط صوديوم الدم . يؤدي هذا عادةً إلى العطش. وعلى العكس من ذلك، فإن زيادة مياه الجسم الناتجة عن الشرب ستؤدي إلى قلة الصوديوم في الدم ( نقص صوديوم الدم )، وهي الحالة التي يستشعرها ما تحت المهاد مرة أخرى ، مما يتسبب في انخفاض إفراز هرمون الفازوبريسين من الغدة النخامية الخلفية ، وبالتالي فقدان الماء في البول، والذي يعمل على استعادة تركيزات الصوديوم في الدم إلى وضعها الطبيعي.

عادةً ما يكون لدى الأشخاص الذين يعانون من الجفاف الشديد، مثل الأشخاص الذين تم إنقاذهم من مواقف البقاء على قيد الحياة في المحيط أو الصحراء، تركيزات عالية جدًا من الصوديوم في الدم. يجب إعادة هذه التركيزات إلى وضعها الطبيعي بعناية شديدة وببطء، لأن التصحيح السريع جدًا لفرط صوديوم الدم قد يؤدي إلى تلف الدماغ بسبب تورم الخلايا، حيث ينتقل الماء فجأة إلى الخلايا ذات المحتوى الأسمولي العالي .

في البشر، ثبت أن تناول كميات كبيرة من الملح يعمل على تقليل إنتاج أكسيد النيتريك . يساهم أكسيد النيتريك في توازن الأوعية الدموية عن طريق تثبيط تقلص العضلات الملساء للأوعية الدموية ونموها، وتجمع الصفائح الدموية، والتصاق الكريات البيضاء بالبطانة. ^[23]

نظرًا لأن نظام الوطاء / المستقبلات التناضحية يعمل بشكل جيد عادةً للتسبب في شرب أو التبول لاستعادة تركيزات الصوديوم في الجسم إلى وضعها الطبيعي، يمكن استخدام هذا النظام في العلاج الطبي لتنظيم محتوى السوائل الكلي في الجسم، من خلال التحكم أولاً في محتوى الصوديوم في الجسم. وبالتالي، عندما يتم إعطاء دواء مدر للبول قوي يتسبب في إفراز الكلى للصوديوم، يكون التأثير مصحوبًا بإخراج ماء الجسم (يصاحب فقدان الماء فقدان الصوديوم). يحدث هذا لأن الكلى غير قادرة على الاحتفاظ بالماء بكفاءة أثناء إخراج كميات كبيرة من الصوديوم. بالإضافة إلى ذلك، بعد إخراج الصوديوم، قد يستشعر نظام المستقبلات التناضحية انخفاض تركيز الصوديوم في الدم ثم يوجه فقدان الماء التعويضي في البول من أجل تصحيح حالة نقص صوديوم الدم (انخفاض صوديوم الدم).

تعمل مضخة الصوديوم والبوتاسيوم مع قنوات تسرب الصوديوم والبوتاسيوم للحفاظ على جهد الغشاء بين الخلية والمساحة خارج الخلية. يتحرك الصوديوم إلى أسفل تدرج التركيز من السيتوزول إلى المصفوفة خارج الخلية. يتحرك البوتاسيوم إلى أسفل تدرج تركيزه من المصفوفة خارج الخلية إلى السيتوزول. من أجل الحفاظ على جهد الغشاء، تعمل مضخة الصوديوم والبوتاسيوم كشكل من أشكال النقل النشط المباشر حيث يعمل تحلل ATP إلى ADP والفوسفات غير العضوي في ATPase من النوع P على تحريك 3 أيونات بوتاسيوم خارج الخلية و 2 أيونات صوديوم إلى الخلية. ^[4]

تلعب مضخة الصوديوم والبوتاسيوم دورًا كبيرًا في الإشارات العصبية بسبب الحفاظ على جهد غشاء الخلية. وهذا يخلق جهد فعل يتسبب في استقطاب الخلايا العصبية وإزالة استقطاب أغشيتها عن طريق فتح وإغلاق القنوات ذات البوابات الجهدية: وهذا يغير جهد الجهد ويؤدي إلى إفراز الناقل العصبي ونقل الإشارة في النهاية. ^[24]

عندما تفشل المضخة في العمل، يكون المرضى عرضة لأمراض مثل قصور القلب ومرض الانسداد الرئوي المزمن (COLD). أولئك الذين عانوا من حالة قصور في القلب كان لديهم في المتوسط ​​تركيز أقل بنسبة 40٪ من ATPase الصوديوم والبوتاسيوم. يؤدي هذا الافتقار إلى استقطاب الغشاء إلى عدم قدرة إمكانات العمل على الانتشار بمعدلها المعتاد، مما يؤدي إلى انخفاض معدل ضربات القلب وفشل القلب المحتمل. ^[25] في تشخيصات COLD، وجد أن غالبية المرضى الذين لديهم كمية أقل من المغنيسيوم والبوتاسيوم لديهم أيضًا تركيز منخفض لمضخة الصوديوم والبوتاسيوم في العضلات الهيكلية والعضلات الملساء أثناء فشل الجهاز التنفسي. يمكن علاج COLD في المدى القصير بالجلوكوكورتيكويد الذي ينظم مضخة الصوديوم والبوتاسيوم، مما يساعد في دعم قدرة العضلات على التحمل وزيادة نشاط العضلات أثناء نوبات فشل الجهاز التنفسي هذه. ^[26]

في ناقل الصوديوم-الجلوكوز ، يتحرك الصوديوم إلى أسفل تدرج تركيزه لتحريك الجلوكوز إلى أعلى تدرج تركيزه. يكون تركيز الصوديوم أكبر خارج الخلية، ويرتبط بالناقل، الذي يكون في شكله المواجه للخارج. بمجرد ارتباط الصوديوم، يمكن للجلوكوز أن يرتبط من الفراغ خارج الخلية، مما يتسبب في تحول الناقل إلى التكوين المغلق قبل الانفتاح إلى داخل الخلية وإطلاق أيوني الصوديوم وجزيء الجلوكوز. بمجرد إطلاق كليهما، يعيد الناقل توجيه نفسه إلى التكوين المواجه للخارج وتبدأ العملية من جديد. ^[4] يُرى مثال رئيسي على التنظيم الصاعد لناقل الصوديوم-الجلوكوز في مرضى السكري من النوع 2 ، حيث يكون هناك تنظيم صاعد لناقل الصوديوم-الجلوكوز (SGLT1) بنحو 3-4 أضعاف. يؤدي هذا إلى تدفق الجلوكوز إلى الخلية وينتج عنه ارتفاع سكر الدم. ^[27]

يعمل منظم نقل التليف الكيسي (CFTR) عن طريق ربط اثنين من ATP بمجال ربط ATP A1 و A2. يؤدي هذا إلى فتح قناة CFTR ويسمح لأيونات الكلوريد بالتدفق إلى الرئتين وتجويف مجرى الهواء. يتسبب تدفق أيونات الكلوريد المشحونة سلبًا إلى تجويف مجرى الهواء في انتقال الصوديوم إلى تجويف مجرى الهواء لموازنة الشحنة السالبة. ثم يتحرك الماء مع الصوديوم لموازنة الضغط الاسموزي ويؤدي في النهاية إلى ترقق المخاط. في حالات التليف الكيسي، يكون CFTR معيبًا ويربط فقط ATP واحدًا، مما يؤدي إلى فشل القناة في الفتح ومنع أيونات الكلوريد من الانتشار إلى تجويف مجرى الهواء. نظرًا لأن أيونات الكلوريد لا يمكنها الانتشار، فلا توجد حركة للصوديوم إلى تجويف مجرى الهواء، ولا توجد حاجة لتحرك الماء إلى التجويف، مما يؤدي إلى مخاط سميك يسد تجويف مجرى الهواء ويصيبه. ^[4]

• علم الأحياء وعلم الأدوية للعناصر الكيميائية
• جهد الفعل  – التواصل بين الخلايا العصبية عن طريق النبضات الكهربائية
• الكالسيوم في علم الأحياء  – استخدام الكالسيوم من قبل الكائنات الحية
• اليود في علم الأحياء  – استخدام اليود من قبل الكائنات الحية
• المغنيسيوم في علم الأحياء  – استخدام المغنيسيوم من قبل الكائنات الحية
• جهد الغشاء  – فرق الجهد الكهربائي بين الجزء الداخلي والخارجي للخلية البيولوجية
• البوتاسيوم في علم الأحياء  – استخدام البوتاسيوم من قبل الكائنات الحية
• السيلينيوم في علم الأحياء  – استخدام السيلينيوم من قبل الكائنات الحية

• دار نشر بروكس/كول – مضخة الصوديوم والبوتاسيوم ^{[ رابط معطل دائمًا ]}
• جامعة ولاية أوريغون – مركز معلومات المغذيات الدقيقة