Transcript Membrane Structure and Function

Membrane Structure
and Function
Membranes Structure
Membrane มีองค์ ประกอบที่สำคัญ ได้ แก่
Lipids
Protein
และ Carbohydrates
Membrane models
นักวิทยำศำสตร์ ได้ มีแนวคิดเรื่อง
membrane model ต่ ำงๆ ซึ่ง
เปลี่ยนแปลงไปตำมควำมรู้ท่ เี จริญก้ ำวหน้ ำ
ขึน้
Artificial membranes (cross section)
Hydrophobic tail
Hydrophilic head
Two generations of membrane
models
(a) The Davson-Danielli model (1935 –1970)
(b) Current fluid mosaic model
Freeze fracture
and freeze-etch
The fluidity of membranes
(a) Movement of
phospholipids
(b) Membrane
fluidity
(c ) Cholesterol within the membrane
Cholesterol ลดกำรเคลื่อนที่ของโมเลกุลของ
phospholipids ทำให้ membrane คงรูปอยู่ได้ ในที่
อุณหภูมิสูง แต่ ในที่อุณหภูมิต่ำ cholesterol ลดกำรรวมตัว
กันของ phospholipids ทำให้ membrane ไม่ แข็งตัว
โครงสร้ ำงของเยื่อหุ้มเซลล์ สัตว์
เยื่อหุ้มล้ อมรอบเซลล์ ประกอบด้ วย phospholipid,
membrane protein, carbohydrates และ
cholesterols ปั จจุบันเชื่อว่ ำโครงสร้ ำงทำงโมเลกุลของ
membrane มีลักษณะเป็ น Fluid Mosaic Model เสนอโดย
Singer และ Nicholson ในปี ค.ศ. 1972 มีลักษณะดังนี ้
1. membrane ประกอบด้ วย lipid bilayer ที่ต่อเนื่อง
เป็ นแผ่ น และมีโปรตีนชนิดต่ ำงๆฝั งอยู่ โดยมีกำรเรี ยงตัวแบบ
mosaic (คล้ ำยสิ่งนูนขนำดเล็กหลำยชนิดมำเรี ยงติดต่ อกัน)
2. มี peripheral protein ติดอยู่ท่ ผี ิวด้ ำนในของ
membrane
3. ส่ วนที่ผิวด้ ำนนอกมี oligopolysaccharide chains
ของ glygoproteins และ glycolipids ยื่นยำวออกมำ
The structure of transmembrane protein
Sidedness of
plasma
membrane
ด้ ำนของ membrane มี 2 ด้ ำนคือ cytoplasmic sides (ด้ ำน
ภำยใน cytoplasm) และ extracellular sides (ด้ ำนภำยนอกเซลล์ ) มี
ลักษณะที่แตกต่ ำงกัน ซึ่งควำมแตกต่ ำงนีเ้ กิดขึน้ ตัง้ แต่ membrane ถูก
สร้ ำงมำจำก ER และ Golgi complex
ในรูปนีส้ ีส้มเป็ น membrane ของ organelles ด้ ำนที่อยู่ภำยใน
organellles จะเป็ นด้ ำน extracellular sides ส่ วนอีกด้ ำนหนึ่งจะเป็ น
cytoplasmic sides สีเขียวแทน carbohydrates ที่สร้ ำงมำจำก ER และ
modified ที่ Golgi complex
Vesicles ที่รวมกับ plasma membrane นอกจำก membrane ที่
หุ้ม vesicles จะเป็ นส่ วนของ plasma membrane แล้ ว ยังเป็ นกำรหลั่ง
สำรออกจำกเซลล์ ด้วย (สีม่วง)
Some functions of membrane protein
Transport protein เป็ น
ทำงให้ ions และโมเลกุลต่ ำงๆ
ผ่ ำนเข้ ำออกเยื่อหุ้มเซลล์
Enzymes
Signal transduction:
โปรตีนมีหน้ ำที่เกี่ยวข้ องกับกำร
จดจำเพื่อที่จะจับกับโมเลกุล
ของสำรอื่นภำยนอกเซลล์ ทำให้
เกิดกระบวนกำรต่ ำงๆได้ เช่ น
ฮอร์ โมน
Intercellular junctions
เป็ นองค์ ประกอบของ tight
junction ที่อยู่บริเวณด้ ำนข้ ำง
ของเซลล์ ท่ อี ยู่ตดิ กัน
Cell-cell recognition
Attachment to the
cytoskeleton and
extracellular
matrix (ECM)
กำรลำเลียงสำรผ่ ำนเยื่อหุ้มเซลล์
(Traffic Across Membranes)
เยื่อหุ้มเซลล์ มีสมบัตทิ ่ ยี อมให้ สำรบำงอย่ ำงผ่ ำนเข้ ำไปใน
เซลล์ ได้ ง่ำยกว่ ำสำรบำงอย่ ำงชนิดอื่น เรียกว่ ำ
selective permeability ดังนัน้ เยื่อหุ้มเซลล์ จะ
ควบคุมชนิดและอัตรำกำรลำเลียงโมเลกุลของสำรผ่ ำนเข้ ำ
และออกจำกเซลล์
Selective permeability ของเยื่อหุ้มเซลล์ ขนึ ้ อยู่กับ
1. Phospholipid bilayer
1.1 โมเลกุลไม่ มีขัว้ ไฟฟ้ ำ (nonpolar (hydrophobic)
molecules) เช่ น hydrocarbons และ O2 ซึ่งสำมำรถ
ละลำยได้ ในเยื่อหุ้มเซลล์ จะผ่ ำนเยื่อหุ้มเซลล์ ได้ ง่ำยกว่ ำสำรอื่น
และเมื่อเปรียบเทียบระหว่ ำงสำร 2 ชนิดที่ละลำยในไขมันได้
เท่ ำกันสำรที่มีขนำดเล็กกว่ ำสำมำรถผ่ ำนไปได้ ดีกว่ ำ
1.2 โมเลกุลมีขัว้ ไฟฟ้ ำ (polar (hydrophilic)
molecules)
 โมเลกุลขนำดเล็กที่มีขัว้ ไฟฟ้ ำแต่ ไม่ มีอิออน (small, polar
uncharged molecules)เช่ น H2O, CO2 สำมำรถผ่ ำน
เยื่อหุ้มสังเครำะห์ (synthetic membranes) ได้ ง่ำย
 โมเลกุลขนำดใหญ่ ท่ มี ีขัว้ ไฟฟ้ ำแต่ ไม่ มีอิออน (large, polar
uncharged molecules) เช่ น นำ้ ตำลกลูโคส ผ่ ำนเยื่อหุ้ม
สังเครำะห์ ได้ ไม่ ง่ำย
 สำรที่มีอิออน (ions) ทุกชนิดถึงแม้ ว่ำจะมีขนำดเล็ก เช่ น
Na+, H+ ผ่ ำนชัน้ Hydrophobic bilayer ได้ ยำก
-
2. Specific integral transport proteins
โมเลกุลของนำ้ CO2 และ สำรที่ไม่ มีขัว้ ไฟฟ้ ำ (nonpolar
molecules) สำมำรถผ่ ำนเยื่อหุ้มเซลล์ ได้ ง่ำยเช่ นเดียวกับเยื่อ
หุ้มสังเครำะห์
เยื่อหุ้มเซลล์ ต่ำงจำกเยื่อหุ้มสังเครำะห์ คือมีสมบัตยิ อมให้ สำร
บำงอย่ ำงที่มีอิออนและสำรที่มีขัว้ ไฟฟ้ ำขนำดกลำงผ่ ำนได้
โดยสำรเหล่ ำนีผ้ ่ ำนเข้ ำไปที่ transport proteins
Diffusion and Passive transport
กำรแพร่ (diffusion) หมำยถึง กำรเคลื่อนที่
ของโมเลกุลของสำรจำกบริเวณที่มีควำมเข้ มข้ นของสำร
มำกกว่ ำไปยังบริเวณที่มีควำมเข้ มข้ นของสำรน้ อยกว่ ำ
จนกว่ ำจะอยู่ในสภำพสมดุล (dynamic
equilibrium) เมื่ออยู่ในสภำพสมดุลแล้ ว โมเลกุล
ของสำรยังคงเคลื่อนอยู่แต่ เคลื่อนที่ด้วยอัตรำเร็วเท่ ำกัน
ทัง้ สองบริเวณ
กำรแพร่ ของโมเลกุลของสำรผ่ ำนเยื่อหุ้มเซลล์
เรียกว่ ำ passive transport เซลล์ ไม่ ต้องใช้ พลังงำนที่
จะทำให้ เกิดกำรแพร่ ขนึ ้ และเยื่อหุ้มเซลล์ มีสมบัติ
selective permeable ดังนัน้ อัตรำกำรแพร่ ของสำร
ชนิดต่ ำงๆจะไม่ เท่ ำกัน
นำ้ จะสำมำรถแพร่ ผ่ำนเยื่อหุ้มเซลล์ ได้ อย่ ำงอิสระซึ่ง
มีควำมสำคัญมำกสำหรับกำรดำรงอยู่ของเซลล์
กำรแพร่ ของโมเลกุลของสำรผ่ ำนเยื่อหุ้มเซลล์
(a) โมเลกุลของสำรเคลื่อนที่จำกบริเวณที่มีควำมเข้ มข้ นมำกกว่ ำไปยัง
บริเวณที่มีควำมเข้ มข้ นน้ อยกว่ ำ จนกระทั่งอยู่ในสภำพสมดุล (dynamic
equilibrium) เมื่ออยู่ในสภำพสมดุลแล้ วโมเลกุลของสำรยังคง
เคลื่อนที่อยู่แต่ อัตรำกำรเคลื่อนที่ของสำรจำกทัง้ สองด้ ำนของเยื่อหุ้มเซลล์
เท่ ำกัน
(b) ในกรณีนี ้ แสดงสำรละลำยของสี 2 ชนิด ที่อยู่คนละด้ ำน
ของเยื่อหุ้มเซลล์ โมเลกุลของสำรสีเขียวจะเคลื่อนที่ไปยัง
ด้ ำนซ้ ำย ทัง้ ๆที่ตอนเริ่มต้ นควำมเข้ มข้ นของสำรในด้ ำนซ้ ำยสูง
กว่ ำ
ตัวอย่ ำงกำรแพร่ ในสิ่งมีชีวติ
ได้ แก่ กำรหำยใจของสัตว์ ขณะหำยใจเข้ ำก๊ ำซ
ออกซิเจนจำกอำกำศที่ผ่ำนเข้ ำไปในถุงลมในปอดมีควำม
เข้ มข้ นสูงกว่ ำในเส้ นเลือดฝอย ออกซิเจนจึงแพร่ จำกถุง
ลมเข้ ำไปในเส้ นเลือดฝอย และในขณะเดียวกัน
คำร์ บอนไดออกไซด์ จะแพร่ จำกเส้ นเลือดเข้ ำสู่ถุงลม
Osmosis
Osmosis หมำยถึงกำรแพร่ ของโมเลกุลของนำ้ จำกบริเวณที่มี
โมเลกุลของนำ้ หนำแน่ นมำกกว่ ำหรื อสำรละลำยที่เจือจำงกว่ ำ (hypoosmotic
solution)ไปยังบริเวณที่มีโมเลกุลของนำ้ น้ อยกว่ ำหรื อสำรละลำยที่เข้ มข้ นกว่ ำ
(hyperosmotic solution) โดยผ่ ำนเยื่อหุ้มเซลล์
The water balance of living cells
ลูกศรแสดงทิศทำงกำรเคลื่อนที่ของโมเลกุลของนำ้ ผ่ ำนเซลล์ สัตว์ ซ่ งึ ไม่ มีผนัง
เซลล์ และเซลล์ พืชซึ่งมีผนังเซลล์
The contractile vacuole of Paramesium : an
evolutionary adaptation for osmoregulation
Filling vacuole
Contracting vacuole
Facilitated diffusion
Transport proteins ช่ วยในกำรนำโมเลกุลของสำรผ่ ำนเยื่อหุ้ม
เซลล์ จำกบริเวณที่มีควำมเข้ มข้ นของสำรสูงไปยังบริเวณที่มีควำม
เข้ มข้ นต่ำกว่ ำ เรี ยกกระบวนกำรนีว้ ่ ำ facilitated diffusion โดย
เซลล์ ไม่ ต้องใช้ พลังงำน
Active transport
บำงครัง้ เซลล์ ต้องกำรลำเลียงสำรจำกที่มีควำม
เข้ มข้ นต่ำไปยังที่มีควำมเข้ มข้ นสูงกว่ ำ กระบวนกำรนี ้
เรียกว่ ำ active transport ซึ่งต้ องกำรพลังงำนคือ
ATP
ตัวอย่ ำงเช่ น เซลล์ ขับ NA+ ออกนอกเซลล์ และนำ
K+ เข้ ำไปในเซลล์ ซึ่งเรียกว่ ำ Sodium-potassium
pump
The sodium-potassium pump
Sodium-potassium pump
กระบวนกำรเริ่มต้ นจำก Na+ จับกับโปรตีนซึ่งเป็ น
transport protein แล้ ว ATP ให้ พลังงำนแก่
โปรตีนทำให้ โปรตีนเปลี่ยนรูปร่ ำงและปล่ อย Na+ ผ่ ำน
เยื่อหุ้มเซลล์ ออกไป ขณะเดียวกัน K+ เข้ ำจับกับโปรตีน
ทำให้ โปรตีนเปลี่ยนแปลงรูปร่ ำงอีกครั ง้ หนึ่ง ทำให้ K+ ถูก
ปล่ อยเข้ ำไปในเซลล์ แล้ วโปรตีนกลับมีรูปร่ ำงเหมือนเดิม
อีกพร้ อมที่จะเริ่มต้ นกระบวนกำรใหม่ ต่อไป
Diffusion
Passive
transport
Facilitated
transport
Active
transport
An electrogenic pump
Electrogenic pump เป็ น transport protein ที่ทำ
ให้ เกิดควำมต่ ำงศักดิ์ท่ เี ยื่อหุ้มเซลล์
An electrogenic pump
ตัวอย่ ำงเช่ น
Na+/K+ pump เป็ น electrogenic pump
ที่สำคัญของเซลล์ สัตว์
Proton pump เป็ น electrogenic pump
ที่สำคัญของเซลล์ พชื แบคทีเรีย และพวกเห็ดรำ รวมทัง้
mitochondria และ chloroplasts ใช้ proton
pump ในกำรสังเครำะห์ ATP
Cotransport
เป็ นกระบวนกำรร่ วมที่เกิดจำก ATP pump ตัวเดียว
ทำงำนแล้ วมีผลไปทำให้ transport protein ตัวต่ อไปทำงำน
เพื่อนำสำรเข้ ำสู่เซลล์
ตัวอย่ ำงเช่ น ในเซลล์ พืชใช้
proton pump ร่ วมกับ
transport protein ที่
นำ sucrose–H+ เข้ ำไป
ในเซลล์
Exocytosis and endocytosis
transport large molecules
สำรที่มีโมเลกุลขนำดใหญ่ เช่ น โปรตีน และ
คำร์ โบไฮเครต ผ่ ำนออกนอกเซลล์ ด้วยกระบวนกำร
exocytosis และเข้ ำไปในเซลล์ ด้วยกระบวนกำร
endocytosis
Endocytosis มี 3 แบบ ได้ แก่
1. Phagocytosis
2. Pinocytosis
3. Receptor-mediated endocytosis
Phagocytosis
Phagocytosis เป็ นกำรนำสำรที่เป็ นของแข็งเข้ ำเซลล์ โดยเซลล์ ย่ นื
ส่ วน cytoplasm ไปโอบล้ อมสำรของแข็งนัน้ แล้ วเข้ ำไปในเซลล์ เป็ น
food vacuole แล้ ว food vacuole นัน้ จะไปรวมกับ
lysosome ซึ่งภำยในมี hydrolytic enzymes ที่จะย่ อยสลำย
สำรนัน้ ต่ อไป อมีบำกินแบคทีเรี ยด้ วยวิธีนี ้
Pinocytosis
Pinocytosis เป็ นกำรนำสำรที่เป็ นของเหลวเข้ ำเซลล์ โดยเยื่อ
หุ้มเซลล์ เว้ ำเข้ ำไปเพื่อนำสำรเข้ ำไป กลำยเป็ นถุงเล็กๆอยู่ใน
cytoplasm
Receptor-mediated endocytosis
Receptor-mediated endocytosis เป็ นกำรนำสำรเฉพำะ
บำงชนิดเข้ ำไปในเซลล์ โดยที่ผิวเซลล์ มี receptor เฉพำะสำหรั บสำร
บำงอย่ ำงเข้ ำมำจับ แล้ วถูกนำเข้ ำไปในเซลล์ เป็ นถุงเล็กๆ เมื่อผ่ ำนกำร
ย่ อยแล้ ว receptor สำมำรถถูกนำมำใช้ ใหม่ ได้ อีก