Cell & Cell membrane
เยื่อหุ้มเซลล์ (Cell membrane)
โครงสร้างของ
cell ที่เป็น membrane ประกอบด้วย lipids และ proteins ได้แก่
cell membrane, nuclear membrane, membrane ของ endoplasmic
reticulum, mitochondria, lysosomes และ Golgi apparatus ส่วน
lipids ของ membrane จะทำหน้าที่เป็นกำแพง (barrier) ที่ป้องกัน
free movement ของ H2O และสารที่ละลายน้ำผ่านจากด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง
ส่วน protein ของ membrane จะแพร่กระจายตลอดทั่วทั้ง membrane
เป็นการขัดขวางความต่อเนื่องของ lipid ใน membrane เป็นระยะๆ
ซึ่งลักษณะเช่นนี้จะช่วยให้สารบางอย่าง (specific substance)
ผ่านทะลุ membrane ได้ นอกจากนี้ protein บางอย่างที่ membrane
จะทำหน้าที่เป็น enzyme ช่วยเร่งปฏิกิริยา
ส่วนใหญ่ของ
cell membrane จะเป็น lipid bilayer มี molecule ของ protein
ลอยแทรกกระจายอยู่ทั่วไป lipid bilayer นี้จะไม่ปะปนกับ extra
และ intracellular fluid ทำหน้าที่เป็น barrier ไม่ให้สารบางอย่างผ่านเข้าออกได้
แต่สารบางอย่างก็สามารถผ่านได้โดยตรงในส่วนที่เป็น lipid ของ
cell membrane สำหรับ protein molecule ที่แทรกอยู่ตาม lipid
bilayer จะทำหน้าที่เป็น transport protein ช่วยให้สารบางอย่างผ่านได้
ซึ่งกระบวนการผ่านทาง portein แต่ละชนิดก็จะแตกต่างกันไปด้วย
บ้างเป็น channel protein บ้างเป็น carrier protein ทั้งนี้
protein แต่ละชนิดจะ specific กับ molecule ที่ protein พาผ่าน
cell membrane (selective transport)
ส่วนประกอบของ extra และ
intracellular fluid
โดยปกติสารใน
extra และ intracellular fluid จะเหมือนกันเพราะมีการแพร่ผ่านเข้าออกกันได้
แต่ความเข้มข้นจะแตกต่างกัน ที่สำคัญคือภายนอก cell จะมี Na+
สูง แต่มี K+ ต่ำ ในขณะที่ภายใน cell จะมี K+ สูง แต่มี Na+
ต่ำ สำหรับ Cl- จะเหมือนกับ Na+ คือภายนอก cell มีค่าสูง และภายใน
cell ค่าต่ำ ทั้ง organic phosphate และ protein ภายใน cell
จะมีค่ามากกว่าภายนอก cell ความเข้มข้นที่ต่างกันระหว่างภายนอกและภายใน
cell นี้จะเป็นปัจจัยที่สำคัญที่ทำให้เกิดกระบวนการสำคัญๆ ของ
cell
Membrane Transport
การ
transport ผ่าน cell membrane ไม่ว่าจะเป็นการผ่าน lipid bilayer
หรือผ่าน protein สามารถแบ่งเป็น 2 ประเภท (
รูปที่ 1 )คือ
-
passive transport (diffusion)
-
active transport (against energy gradient)
รูปที่
1 แสดงวิธีการลำเลียงสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ และกลไกเบื้องต้นในการลำเลียง
ที่มา : Guyton , 1991.
Diffusion
ขบวนการ diffusion ผ่าน cell membrane แบ่งออกเป็น
1. simple diffusion แบบนี้ molecule เคลื่อนผ่าน membrane
opening หรือ intermolecular space โดยไม่ต้องเกาะกับ carrier
protein ใน membrane อัตราการ diffusion ขึ้นกับจำนวนของ substance,
velocity ของ kinetic motion และจำนวนของ openings ใน cell membrane
ที่ ion ผ่านได้ simple diffusion สามารถเคลื่อนผ่าน cell membrane
ได้ 2 ทาง คือ
1.1
simple diffusion ผ่าน lipid bilayer
อัตราเร็วของ diffusion แบบนี้ขึ้นกับ lipid solubility ของสารพบว่า
O2 ผ่านจากนอก cell เข้าสู่ใน cell โดยวิธีนี้เป็นจำนวนมากและรวดเร็วมาก
สำหรับ H2O แม้ว่าจะ insoluble ใน lipid แต่ก็ผ่าน cell membrane
ได้รวดเร็ว ซึ่งเชื่อว่าเนื่องจากโมเลกุลมีขนาดเล็กและมี kinetic
energy มากพอที่จะผ่านเข้าไปโดยเร็วก่อนที่ hydrophobic part
ของ lipid bilayer จะยับยั้งได้ นอกจาก H2O แล้วมี lipid insoluble
molecule ที่สามารถผ่าน lipid bilayer ได้คือ Urea, glucose
ทั้งนี้เนื่องจาก molecule มีขนาดเล็ก
อย่างไรก็ตามมีสารบางอย่างที่มีโมเลกุลเล็กแต่ไม่สามารถแพร่ผ่าน
lipid bilayer ได้ เช่น H+, Na+, K+ ทั้งนี้เนื่องจาก electrical
charge ของ ion เหล่านี้ทำให้เกิดการเกาะกับ H2O กลายเป็น hydrated
ion ทำให้ขนาดของโมเลกุลใหญ่แพร่ได้ยาก นอกจากนี้ประจุดังกล่าวจะ
interact กับประจุของ lipid bilayer จึงถูกต่อต้าน ไม่สามารถแพร่ผ่านได้
1.2
simple diffusion ผ่าน protein channel
Protein channels มีลักษณะที่สำคัญคือ
1. ยอมให้สารบางอย่างผ่านได้
(selective permeable)
2. สามารถเปิด, ปิดได้ (gate)
การเลือกให้สารใดผ่านของ protein channel นั้นขึ้นกับคุณลักษณะของ
channel เอง เช่น ขนาด diameter, รูปร่างของ channel และธรรมชาติของ
electrical charge ของ channel ตัวอย่างเช่น sodium channel
sodium channel มีขนาด 0.3-0.5 nm. ภายใน channel จะเป็นประจุลบอย่างแรงทำให้ดึงดูดประจุบวกของ
Na+ gate ของ protein channel จะเป็นตัวควบ คุม permeability
ของ channel การเปิด, ปิดของ gate จะควบคุมโดยหลัก 2 ประการคือ
1.Voltage-gated sodium and potassium
channels
ทฤษฎี Voltage-gated ใช้อธิบายกลไกการที่ Na+ เข้าสู่ cell และ
K+ ค่อยๆ ออกจาก cell ในขบวนการ depolarization ซึ่งการศึกษาผลของ
voltage ต่อการเปลี่ยนแปลง Na+ และ K+ conductance ที่ผ่าน channels
นั้นอาศัยเทคนิค voltage clamp
1.1
Voltage-gated ของ Na+ channel
โดยปกติแล้ว Na+ channel จะประกอบด้วย gate 2 ชนิด ด้านนอก cell
จะเป็น Activation gate และด้านใน cell จะเป็น Inactivation
gate ในช่วง resting membrane potential พบว่า Activation gate
จะปิดตลอด และ Inactivation gate จะเปิดตลอด เมื่อมีการเปลี่ยนแปลง
membrane potential จาก -90 mV. เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนถึงประมาณ
-70 ถึง -50 mV. จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของ conformation
ของ Na+ channel ที่ activation gate จะเปิดออก ทำให้ Na+ ผ่านเข้าสู่
cell อย่างรวดเร็ว ( รูปที่ 2 ) ส่วนบริเวณ inactivation gate
จะค่อยๆ ปิดโดยเปลี่ยนแปลง conformation อย่างช้าๆ กว่าจะปิด
ก็ทำให้ Na+ ผ่านเข้าไปได้เป็นจำนวนมากแล้ว แต่เมื่อ inactivation
gate ปิดแล้ว Na+ ก็ไม่สามารถผ่านเข้าสู่ cell ได้ ระยะนี้ membrane
potential ก็จะกลับเข้าสู่ระยะพัก การเปลี่ยนแปลงนี้ก็จะตรงกับ
repolarization
1.2
Voltage-gated ของ K+ channel
โดยปกติ K+ channel จะมี gate อยู่ที่ด้านในของ cell เท่านั้น
ในช่วง resting membrane potential พบว่า voltage-gated ของ
K+ channel จะปิด เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของ membrane potential
เพิ่มขึ้นจาก -90 mV. ไปจนถึง +35 mV. จะเกิดการเปลี่ยนแปลง
conformation ของ gate อย่างช้าๆ ทำให้มีการผ่านของ K+ ออกสู่ภายนอก
cell อย่างช้าๆ เช่นกัน ( รูปที่ 2 ) ด้วยเหตุนี้เองขณะที่ Na+
channel ปิดแล้ว และ Na+ หยุดผ่านเข้า cell แต่ K+ channel จะยังคงเปิดอยู่ทำให้มีการผ่านของ
K+ อยู่ ดังนั้นการที่ Na+ หยุดเข้า cell และ K+ ยังคงออกไปนอก
cell ในช่วงนี้เองเป็นการเร่งให้ขบวนการ repotarization เกิดขึ้น
และ membrane potential กลับเข้าสู่ resting membrane potential
อย่างรวดเร็ว
รูปที่
2 แสดงลักษณะของ Votage-gated ของ Na+ channel และ K+ channel
ในระยะ activation ของ Na+ channel และช่วง resting ถึง activation
และ Na+ channel ที่มา : Guyton , 1191.
2.Ligand gating
หลักการนี้เชื่อว่าเมื่อมีสารประเภท ligand มาเกาะกับ protein
ที่บริเวณ gate จะทำให้ conformation ของ protein molecule เปลี่ยนไป
ทำให้เกิดการเปิดหรือปิดของ gate ligand gating นี้เป็นพื้นฐานสำคัญของการแพร่ของ
signal ระหว่าง nerve cell และระหว่าง nerve cell กับ muscular
molecule
