ชีววิทยา เรื่อง...

Membrane Structure

and Function

Membranes Structure

Membrane มองคประกอบทส าคญ ไดแก

Lipids

Protein

และ Carbohydrates

Membrane models

นกวทยาศาสตรไดมแนวคดเรอง membrane model ตางๆ ซงเปลยนแปลงไปตามความรทเจรญกาวหนาขน

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

Cholesterol ลดการเคลอนทของโมเลกลของ phospholipids ท าให membrane คงรปอยไดในทอณหภมสง แตในทอณหภมต า cholesterol ลดการรวมตวกนของ phospholipids ท าให membrane ไมแขงตว

(c ) Cholesterol within the membrane

โครงสรางของเยอหมเซลลสตว

เยอหมลอมรอบเซลล ประกอบดวย phospholipid,

membrane protein, carbohydrates และ cholesterols ปจจบนเชอวาโครงสรางทางโมเลกลของ membrane มลกษณะเปน Fluid Mosaic Model เสนอโดย

Singer และ Nicholson ในป ค.ศ. 1972 มลกษณะดงน

1. membrane ประกอบดวย lipid bilayer ทตอเนองเปนแผน และมโปรตนชนดตางๆฝงอย โดยมการเรยงตวแบบ

mosaic (คลายสงนนขนาดเลกหลายชนดมาเรยงตดตอกน)

2. ม peripheral protein ตดอยทผวดานในของ membrane

3. สวนทผวดานนอกม oligopolysaccharide chains

ของ glygoproteins และ glycolipids ยนยาวออกมา

The structure of transmembrane protein

Sidedness of

plasma

membrane

ดานของ membrane ม 2 ดานคอ cytoplasmic sides (ดานภายใน cytoplasm) และ extracellular sides (ดานภายนอกเซลล) มลกษณะทแตกตางกน ซงความแตกตางนเกดขนตงแต membrane ถกสรางมาจาก ER และ Golgi complex

ในรปนสสมเปน membrane ของ organelles ดานทอยภายใน organellles จะเปนดาน extracellular sides สวนอกดานหนงจะเปน cytoplasmic sides สเขยวแทน carbohydrates ทสรางมาจาก ER และ modified ท Golgi complex

Vesicles ทรวมกบ plasma membrane นอกจาก membrane ทหม vesicles จะเปนสวนของ plasma membrane แลว ยงเปนการหลงสารออกจากเซลลดวย (สมวง)

Some functions of membrane protein

Transport protein เปนทางให ions และโมเลกลตางๆผานเขาออกเยอหมเซลล

Enzymes

Signal transduction: โปรตนมหนาทเกยวของกบการจดจ าเพอทจะจบกบโมเลกลของสารอนภายนอกเซลลท าใหเกดกระบวนการตางๆได เชน ฮอรโมน

Intercellular junctions เปนองคประกอบของ tight

junction ทอยบรเวณดานขางของเซลลทอยตดกน

Cell-cell recognition

Attachment to the

cytoskeleton and

extracellular

matrix (ECM)

เยอหมเซลลมสมบตทยอมใหสารบางอยางผานเขาไปในเซลลไดงายกวาสารบางอยางชนดอน เรยกวา selective permeability ดงนนเยอหมเซลลจะควบคมชนดและอตราการล าเลยงโมเลกลของสารผานเขาและออกจากเซลล

การล าเลยงสารผานเยอหมเซลล

(Traffic Across Membranes)

Selective permeability ของเยอหมเซลลขนอยกบ

1. Phospholipid bilayer

1.1 โมเลกลไมมขวไฟฟา (nonpolar (hydrophobic)

molecules) เชน hydrocarbons และ O2 ซงสามารถละลายไดในเยอหมเซลลจะผานเยอหมเซลลไดงายกวาสารอน

และเมอเปรยบเทยบระหวางสาร 2 ชนดทละลายในไขมนไดเทากนสารทมขนาดเลกกวาสามารถผานไปไดดกวา

1.2 โมเลกลมขวไฟฟา (polar (hydrophilic)

molecules)

โมเลกลขนาดเลกทมขวไฟฟาแตไมมอออน (small, polar

uncharged molecules)เชน H2O, CO2 สามารถผานเยอหมสงเคราะห (synthetic membranes) ไดงาย

โมเลกลขนาดใหญทมขวไฟฟาแตไมมอออน (large, polar

uncharged molecules) เชน น าตาลกลโคส ผานเยอหมสงเคราะหไดไมงาย

สารทมอออน (ions) ทกชนดถงแมวาจะมขนาดเลก เชน Na+, H+ ผานชน Hydrophobic bilayer ไดยาก

- 2. Specific integral transport proteins

โมเลกลของน า CO2 และ สารทไมมขวไฟฟา (nonpolar

molecules) สามารถผานเยอหมเซลลไดงายเชนเดยวกบเยอหมสงเคราะห

เยอหมเซลลตางจากเยอหมสงเคราะหคอมสมบตยอมใหสารบางอยางทมอออนและสารทมขวไฟฟาขนาดกลางผานได โดยสารเหลานผานเขาไปท transport proteins

Diffusion and Passive transport

การแพร (diffusion) หมายถง การเคลอนทของโมเลกลของสารจากบรเวณทมความเขมขนของสารมากกวาไปยงบรเวณทมความเขมขนของสารนอยกวา จนกวาจะอยในสภาพสมดล (dynamic

equilibrium) เมออยในสภาพสมดลแลว โมเลกลของสารยงคงเคลอนอยแตเคลอนทดวยอตราเรวเทากนทงสองบรเวณ

การแพรของโมเลกลของสารผานเยอหมเซลล เรยกวา passive transport เซลลไมตองใชพลงงานทจะท าใหเกดการแพรขน และเยอหมเซลลมสมบต selective permeable ดงนนอตราการแพรของสารชนดตางๆจะไมเทากน

น าจะสามารถแพรผานเยอหมเซลลไดอยางอสระซงมความส าคญมากส าหรบการด ารงอยของเซลล

การแพรของโมเลกลของสารผานเยอหมเซลล

(a) โมเลกลของสารเคลอนทจากบรเวณทมความเขมขนมากกวาไปยงบรเวณทมความเขมขนนอยกวา จนกระทงอยในสภาพสมดล (dynamic

equilibrium) เมออยในสภาพสมดลแลวโมเลกลของสารยงคงเคลอนทอยแตอตราการเคลอนทของสารจากทงสองดานของเยอหมเซลลเทากน

(b) ในกรณน แสดงสารละลายของส 2 ชนด ทอยคนละดานของเยอหมเซลล โมเลกลของสารสเขยวจะเคลอนทไปยงดานซาย ทงๆทตอนเรมตนความเขมขนของสารในดานซายสงกวา

ตวอยางการแพรในสงมชวต

ไดแก การหายใจของสตว ขณะหายใจเขากาซออกซเจนจากอากาศทผานเขาไปในถงลมในปอดมความเขมขนสงกวาในเสนเลอดฝอย ออกซเจนจงแพรจากถงลมเขาไปในเสนเลอดฝอย และในขณะเดยวกนคารบอนไดออกไซดจะแพรจากเสนเลอดเขาสถงลม

Osmosis

Osmosis หมายถงการแพรของโมเลกลของน าจากบรเวณทมโมเลกลของน าหนาแนนมากกวาหรอสารละลายทเจอจางกวา (hypoosmotic solution)ไปยงบรเวณทมโมเลกลของน านอยกวาหรอสารละลายทเขมขนกวา (hyperosmotic solution) โดยผานเยอหมเซลล

The water balance of living cells

ลกศรแสดงทศทางการเคลอนทของโมเลกลของน าผานเซลลสตวซงไมมผนงเซลล และเซลลพชซงมผนงเซลล

The contractile vacuole of Paramesium : an

evolutionary adaptation for osmoregulation

Filling vacuole

Contracting vacuole

Facilitated diffusion

Transport proteins ชวยในการน าโมเลกลของสารผานเยอหมเซลลจากบรเวณทมความเขมขนของสารสงไปยงบรเวณทมความเขมขนต ากวา เรยกกระบวนการนวา facilitated diffusion โดยเซลลไมตองใชพลงงาน

Active transport

บางครงเซลลตองการล าเลยงสารจากทมความเขมขนต าไปยงทมความเขมขนสงกวา กระบวนการน เรยกวา active transport ซงตองการพลงงานคอ ATP

ตวอยางเชน เซลลขบ NA+ ออกนอกเซลลและน า K+ เขาไปในเซลล ซงเรยกวา Sodium-potassium

pump

The sodium-potassium pump

Sodium-potassium pump

กระบวนการเรมตนจาก Na+ จบกบโปรตนซงเปน transport protein แลว ATP ใหพลงงานแกโปรตนท าใหโปรตนเปลยนรปรางและปลอย Na+ ผานเยอหมเซลลออกไป ขณะเดยวกน K+ เขาจบกบโปรตน ท าใหโปรตนเปลยนแปลงรปรางอกครงหนง ท าให K+ ถกปลอยเขาไปในเซลล แลวโปรตนกลบมรปรางเหมอนเดมอกพรอมทจะเรมตนกระบวนการใหมตอไป

Diffusion

Facilitated

transport

Active

transport

Passive

transport

An electrogenic pump

Electrogenic pump เปน transport protein ทท าใหเกดความตางศกดทเยอหมเซลล

An electrogenic pump

ตวอยางเชน

Na+/K+ pump เปน electrogenic pump ทส าคญของเซลลสตว

Proton pump เปน electrogenic pump ทส าคญของเซลลพช แบคทเรย และพวกเหดรา รวมทง mitochondria และ chloroplasts ใช proton

pump ในการสงเคราะห ATP

Cotransport

ตวอยางเชน ในเซลลพชใช

proton pump รวมกบ

transport protein ทน า sucrose–H+ เขาไปในเซลล

เปนกระบวนการรวมทเกดจาก ATP pump ตวเดยวท างานแลวมผลไปท าให transport protein ตวตอไปท างานเพอน าสารเขาสเซลล

Exocytosis and endocytosis

transport large molecules

สารทมโมเลกลขนาดใหญ เชน โปรตน และ คารโบไฮเครต ผานออกนอกเซลลดวยกระบวนการ exocytosis และเขาไปในเซลลดวยกระบวนการ endocytosis

Endocytosis ม 3 แบบ ไดแก

1. Phagocytosis

2. Pinocytosis

3. Receptor-mediated endocytosis

Phagocytosis เปนการน าสารทเปนของแขงเขาเซลล โดยเซลลยนสวน cytoplasm ไปโอบลอมสารของแขงนน แลวเขาไปในเซลล เปน food vacuole แลว food vacuole นนจะไปรวมกบ lysosome ซงภายในม hydrolytic enzymes ทจะยอยสลายสารนนตอไป อมบากนแบคทเรยดวยวธน

Phagocytosis

Pinocytosis

Pinocytosis เปนการน าสารทเปนของเหลวเขาเซลล โดยเยอหมเซลลเวาเขาไปเพอน าสารเขาไป กลายเปนถงเลกๆอยใน cytoplasm

Receptor-mediated endocytosis

Receptor-mediated endocytosis เปนการน าสารเฉพาะบางชนดเขาไปในเซลล โดยทผวเซลลม receptor เฉพาะส าหรบสารบางอยางเขามาจบ แลวถกน าเขาไปในเซลลเปนถงเลกๆ เมอผานการยอยแลว receptor สามารถถกน ามาใชใหมไดอก