تنظیم اسمزی چیست؟ — به زبان ساده

فشار اسمزی، فشار حاصل از اختلاف غلظت مواد حل‌شونده موجود در دو طرف یک غشای نیمه‌تراوا است. در بدن موجود زنده تنظیم اسمزی فرایندی برای برقراری تعادل بین آب و الکترولیت‌های سلول با مایعات بدن است. در این مطلب تصمیم داریم به جزئیات تنظیم فشار اسمزی در باکتری‌ها، گیاهان، ماهی‌ها و انسان بپردازیم. تنظیم اسمزی برای خارج کردن آب و الکترولیت‌های اضافی، مواد سمی و زائد ضروری است. عدم وجود یا اختلال عملکرد این سیستم در انسان، فرد را به بیماری مبتلا می‌کند.

معنی تنظیم فشار اسمزی چیست ؟

تنظیم اسمزی در موجودات زنده فرایندی برای ایجاد تعادل بین غلظت الکترولیت‌های موجود سلول و محیط خارج از آن است. محیط خارجی می‌تواند آب،‌ خون و مایع خارج سلولی باشد.

تنظیم اسمزی چیست ؟

انسان و سایر موجودات خون‌گرم، گیرنده‌های حساس به تغییرات کوچک فشار اسمزی دارند. تنظیم اسمزی بر عهده این گیرنده‌های موجود در هیپوتالاموس است که در جهت حفظ تعادل آب و الکترولیت‌های خون، مایع میان‌بافتی، ماتریکس خارج‌سلولی و دو طرف غشای سلول‌ها عمل می‌کنند. استراتژی‌های تنظیم فشار در بدن موجودات به دو گروه زیر تقسیم می‌شود:

• هماهنگ‌سازی با محیط: در برخی موجودات ازجمله بی‌مهرگان دریایی، فشار اسمزی داخل سلول به‌طور کامل برابر با فشار اسمزی محیط بیرونی است. هرچند که ترکیب شیمیایی دو محیط تفاوت دارد. این فرایند به دو شکل فعال یا غیرفعال صورت می‌گیرد.
• تنظیم سیستمی: در این روش بدن موجود زنده مجهز به یک سیستم تنظیمی است که در شرایط متفاوت، محیط داخلی بدن را فارغ از محیط اطراف برای حفظ تعادل تنظیم می‌کند. بسیاری از مهره‌داران ازجمله انسان در این گروه قرار می‌گیرند.

تنظیم اسمزی در موجودات مختلف

تنظیم فشار اسمزی در موجودات مختلف با توجه به تکامل سیستم‌های تنظیم متابولسیمی در هر کدام متفاوت است. تنظیم اسمزی را می‌توان در گروه‌های مختلف زیر بررسی کرد که در فهرست زیر آورده شده‌اند.

• انسان
• باکتری‌ها
• گیاهان
• ماهیان

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی و مولکولی – مبانی و مفاهیم مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

تنظیم اسمزی در انسان

در انسان کلیه‌ها مسئول اصلی تنظیم اسمزی بدن هستند و اسمولالیتیِ مایعات بدن را در دامنه کوچکی از تغییرات، ثابت نگه می‌دارند. این فرایند با فیلتراسیون گلومرولی (Glomerular filtration) انجام می‌گیرد. فیلتراسیون گلومرولی و در ادامه آن، جریان یافتن خون در عروق اطراف نفرون‌ها تعادل الکترولیت‌های بدن و فشار خون را تنظیم می‌کند. این عمل به دو روش زیر صورت می‌گیرد:

• بازجذب آب، اسیدهای آمینه و گلوکز (در زمان هایپرتونیک شدن مایعات بدن)
• دفع بیشتر آب و املاح (در زمان هیپوتونیک شدن مایعات بدن)

هورمون‌های آلدوسترون، آنژیوتانسین ΙΙ و ضدادراری (ADH) در این سازوکار دخیل هستند. بافت هدف ADH، اندوتلیال گلومرول است که باعث باز شدن کانال‌های پورینی و افزایش بازجذب آب در نفرون‌های کلیه می‌شود. همان‌طور که در بالا اشاره شد گیرنده‌های موجود در هیپوتالاموس در تنظیم فشار اسمزی انسان دخیل هستند. نقش این گیرنده‌ها در کنترل تشنگی و کنترل ترشح ADH است. در واقع می‌توان گفت هیپوتالاموس بخشی از مغز است که در تنظیم فشار اسمزی نقش دارد.

یکی از هورمون‌های منقبض کننده عروق، آنژیوتانسین ΙΙ است که فشار خون را افزایش می‌دهد. این هورمون با اثر بر بافت قشر کلیه ترشح هورمون آلدسترون را تحریک می‌کند. آلدوسترون نیز به نوبه خود بازجذب سدیم از نفرون و کولون را افزایش می‌دهد و همین امر سبب افزایش فشار خون می‌شود. از دست دادن آب و املاح از طریق تعریق نیز به حفظ تعادل فشار اسمزی کمک می‌کند.

تنظیم فشار اسمزی سلول

تنظیم حجم سلول، تبادل یون‌ها، حفظ عملکرد و ساختار پروتئین‌ها و حفظ هندسه سلول از اعمال وابسته به تنظیم فشار اسمزی سلول است. سلول‌هایی که در معرض تنش اسمزی بالایی هستند (مثل سلول‌های کبدی پستانداران و سلول‌های آبشش ماهیان) سازگاری زیادی با تغییرات اسمزی دارند. مسیرهای پیام‌رسانی ویژه در این سلول‌ها مختص تنظیم اسمولیت‌های آلی، جریان الکترولیت‌ها و هیستون H2a هستند.

تنظیم فشار اسمزی خون

خون انسان مایعی حاوی سلول‌ها، آب و برخی مواد آلی و معدنی است. اگر میزان آب موجود در خون، بیش از حد زیاد شود محیط اطراف سلول‌ هیپوتونیک خواهد شد و منجر به جذب آب زیاد از محیط و ترکیدن آن می‌شود.

در زمان کاهش آب خون و هایپرتونیک شدن محیط، سلول آب از دست می‌دهد و چروکیده می‌شود.

بهترین حالت برای سلول‌ها حالت تعادل با فشار اسمزی خون یعنی ایزوتونیک است. در این حالت، سلول تغییر اندازه‌ای نخواهد داشت. حفظ این تعادل به کمک کلیه صورت می‌گیرد.

یون‌های دخیل در تنظیم اسمزی بدن انسان

به طور کلی یون‌های $$K^+$$ و $$Na^+$$ نقش اصلی در تنظیم اسمولالیته مایعات بدن دارند. دیگر یون‌های دخیل در تعیین فشار اسمزی بدن $$Cl^{-},Ca^{2+},Mg^{2+},HCO_3^{-},Cl^{-}$$ هستند. این الکترولیت‌ها به وسیله ادرار و تعریق از بدن خارج می‌شوند.

فشار اسمزی کلوئیدی در خون

وجود پروتئین‌های بزرگ پلاسما که امکان عبور راحت از عرض غشای مویرگی را ندارند، سبب ایجاد فشار اسمزی کلوئیدی یا اونکوتیک می‌شوند. وقتی میزان پروتئین موجود در پلاسما (به طور مثال در هایپوآلبومینمیا) کاهش می‌یابد آب بیشتری از مویرگ خارج و ادم بافتی ایجاد می‌کند. در این حالت کلیه تلاش می‌کند با دفع بیشتر آب  تعادل اسمزی بدن را حفظ کند.

تنظیم اسمزی در ماهیان

ماهی‌ها گروهی از مهره‌داران نسبتا ساده هستند که متناسب با محل زندگی خود تنظیم اسمزی متفاوتی دارند. از نظر تنظیم اسمزی این موجودات به دو گروه ماهی آب شیرین و ماهی آب شور تقسیم می‌شوند.

تنظیم اسمزی در ماهی آب شیرین

محیط داخلی بدن این ماهی‌ها نسبت به آب شیرین، هایپرتونیک (نمک بیشتر) است. به همین دلیل ماهی نیاز به جذب آب بیشتر خواهد داشت. جذب آب بیشتر توسط دهان و سلول‌های آبشش (به صورت غیرفعال و به دلیل اختلاف فشار اسمزی) منجر به دفع ادرار بیشتر و خروج نمک از بدن می‌شود. در این حالت، سلول‌های آبشش به صورت فعال (با صرف انرژی) از محیط، نمک جذب می‌کنند.

تنظیم اسمزی در ماهی آب شور

محیط داخلی بدن ماهی آب شور برخلاف ماهی آب شیرین، نسبت به محیط اطراف هیپوتونیک (نمک کمتر) است. تمایل به از دست دادن آب به دلیل اختلاف فشار اسمزی با محیط بیرون، موجب ادرار بیشتر جاندار می‌شود.

با از دست دادن آب، نیاز به دریافت آب از محیط (آب با املاح بالا) افزایش می‌یابد. از آنجا که ماهی کلیه‌های کوچکی دارد میزان ادرار برای خروج آب جذبی کافی نیست و مقداری آب و املاح نیز توسط سلول‌های آبشش خارج می‌شود.

باکتری ها

افزایش فشار اسمزی در محیط زندگی این موجود زنده سبب افزایش جذب الکترولیت‌ها و مولکول‌های آلی کوچک می‌شود. این جذب توسط سلول و برای رسیدن به تعادل انجام می‌گیرد. در برخی باکتری‌ها در شرایط بهم ریختگی اسمزی، ژن‌های سازنده مولکول‌های «محافظ اسمزی» - مولکول‌های آلی کوچک با وزن مولکولی پایین و حلالیت بالا - بیان می‌شوند.

گیاهان

حفظ تعادل اسمزی در گیاهان به کمک استوماتا (Stomata) صورت می‌گیرد. استوماتا سوراخ کوچکی است که در بخش پایینی برگ قرار دارد و دارای قابلیت تغییر اندازه در شرایط مختلف است. در زمان کاهش آب، استوماتا برای حفظ آب موجود و جلوگیری از تبخیر بیشتر، بسته می‌شود.

به علاوه، گیاهان مناطق گرم و خشک که در معرض تنش اسمزی بیشتری هستند با برگ‌های تغییر شکل‌یافته به سوزنی، لایه کوتیکول ضخیم و واکوئل‌های ذخیره‌کننده آب این تنش‌ها را خنثی می‌کنند.

تفاوت سیستم تنظیم اسمزی در پستانداران و حشرات

همان‌طور که انتظار می‌رود سیستم برقراری فشار اسمزی در پستانداران تکامل‌یافته‌تر از حشرات است. با وجود تفاوت‌های زیاد سیستم تنظیم غلظت آب و الکترولیت‌ها بین این دو گونه، شباهت‌های اندکی نیز می‌توان در آن‌ها یافت.

• شباهت: هر دو آب و املاح را از موادغذایی دریافت می‌کنند.
•  تفاوت: خروج آب و املاح در حشرات از روده عقبی و در پستانداران از طریق روده و مثانه اتفاق می‌افتد. پستانداران مجهز به کلیه، واحدهای نفرون و شبکه گلومرولی هستند که وظیفه دفع و بازجذب آب از طریق مثانه را برعهده دارند.
  در حشرات ادرار اولیه در لوله‌های مالفژی ساخته می‌شود. سپس در روده عقبی ذخیره می‌شود و بسیاری از آب و املاح آن در کانال رکتال بازجذب خواهد شد.

  

مولکول محافظ اسمزی چیست؟

این مولکول‌ها املاح سازگاری مثل ال-کارنیتین (L-Carnitine) و بتائین (Betaine) هستند که در تنش‌های اسمزی حاد، بدون ایجاد اختلال در متابولیسم، از سلول‌ محافظت می‌کنند. سنتز این مولکول‌ها در شرایط استرس تنها محدود به پروکاریوتی‌ها نمی‌شود و در قارچ‌ها، گیاهان و حتی برخی جانوران ازجمله انسان‌ها نیز صورت می‌گیرد.

اختلالات تنظیم اسمزی

اختلالات تنظیم اسمزی در دو دسته زیر آورده شده که ممکن است به دلایل متفاوتی ایجاد شوند.

• هیپواسمولاریته: در این وضعیت تجمع آب در بدن بیش از حد نیاز است که عوامل جلوگیری کننده از دفع آب موجب آن می‌شود. این شرایط ممکن است به دلیل نقص در تنظیم اسمزی ADH یا محرک‌های غیراسمزی مانند استفراغ یا شوک هیپوولمیا باشد.
• هایپراسمولاریته: این حالت به دلیل کمبود آب در بدن در نتیجه‌ی تکرر ادرار یا دریافت آب کم ایجاد می‌شود. دلیل آن نقص در تنظیم اسمزی تشنگی یا آسیب گیرنده اولیه اسمز (مثل سندروم آدیسپیک هایپرناتمریما) است.

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی و مولکولی – مبانی و مفاهیم مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

تفاوت تنظیم فشار اسمزی و هومئوستازی چیست؟

هومئوستازی فرایند شناسایی و واکنش به کلیه عواملی است که تعادل بدن را برهم می‌زند. این فرایند از طریق بازخورد منفی عمل کرده و به بقا و سلامت انسان کمک می‌کند. درحالی‌که تنظیم اسمزی تنها متعادل‌سازی آب در بدن جهت جلوگیری از رقیق یا غلیظ شدن بیش از حد مایعات است. به نوعی می‌توان گفت تنظیم فشار اسمزی زیر‌مجموعه‌ای از فرايند‌های هومئوستازی است.