Cell and Molecular Biology 13 : Membrane Structure & Function

เยื่อหุ้มเซลล์แบ่งขอบเขตของเซลล์ที่มีชีวิตกับสิ่งแวดล้อมที่ไม่มีชีวิต

เยื่อหุ้มเซลล์  ทำหน้าที่แบ่งขอบเขตของเซลล์ที่มีชีวิตกับสิ่งแวดล้อมที่ไม่มีชีวิต ทำหน้าที่เป็น Selective permeability หรือ เยื่อเลือกผ่าน นั่นก็คือ ยอมให้สารชนิดหนึ่งผ่านเข้า-ออก ได้เร็วกว่าสารอีกชนิดหนึ่ง ทำให้มีผู้คนสงสัยว่า เจ้าเยื่อหุ้มเซลล์นี้ทำด้วยอะไรนะ

 

  โครงสร้างของเมมเบรน 

(เยื่อหุ้มเซลล์และเยื่อหุ้มออร์แกเนลล์) 

    ลองทบทวนภาพเหล่านี้ก่อนนะครับ

Micelle	Phospholipid bilayer

 

Phospholipids	Cholesterol, steroid

      จากการศึกษาพบว่า ส่วนประกอบที่สำคัญของเยื่อหุ้มเซลล์ประกอบด้วย คาร์โบไฮเดรต, Lipids และโปรตีน

      Lipids ที่เป็นส่วนประกอบของเยื่อหุ้มเซลล์มักเป็น Phospholipid ซึ่งมีคุณสมบัติเป็น "Amphipathic molecule" หมายความว่าในโมเลกุล มีทั้งส่วนที่เป็น "hydrophillic" หรือส่วนที่ชอบน้ำ และ ส่วนที่เป็น "hydrophobic" หรือส่วนที่ไม่ชอบน้ำ (ดูภาพประกอบ)

       อาจจะมีใครตั้งคำถามว่า "เจ้า Phospholipid กับ โปรตีนนี้ มันจัดเรียงตัวอย่างไรในเมมเบรน" คำตอบที่เป็นไปได้เป็นดังภาพด้านล่างนี้ครับ

 

Depict : เยื่อหุ้มเซลล์และเมมเบรนของออร์แกเนลล์
ทำด้วยphospholipis หนา 2 ช้น (bilayer) โดยที่
มีโปรตีนฝังอยู่ด้านในและอยู่รอบๆ,
ส่วนคาร์โบไฮเดรตจะพบนอกสุด

   กล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอนถ่ายภาพให้เห็นเยื่อหุ้มเซลล์ ในทศวรรษที่ 1950, โดยที่ก่อนหน้านั้นปี 1895 Charles Overton ตั้งสมมุติฐานว่าเยื่อหุ้มเซลล์ทำด้วย Lipids เนื่องจากมีหลักฐานว่า สารประกอบที่ละลายได้ในไขมัน ผ่านเข้า-ออกเยื่อหุ้มเซลล์ได้ดีกว่าสารประกอบที่ไม่ละลายในไขมัน 

   20 ปีต่อมามีการสกัดเอาเยื่อหุ้มเซลล์ออกมาได้จากเซลล์เม็ดเลือดแดง และพบว่าประกอบด้วย Lipids กับโปรตีน

    ในปี 1917 Irving Langmuir ได้ทดลองทำ เมมเบรนเทียม (artificial membrane) ได้ดังภาพ

 

 

Depict : (a) hydrophilic heads ของ Phospholipids
หันเข้าหาน้ำ ส่วน hydrophobic tails หันหนีออกจากน้ำ
(b) bilayer ของ Phospholipids สามารถอยู่ในน้ำได้
โดยหันด้านที่ชอบน้ำเข้าหาน้ำ และหันด้านที่ไม่ชอบน้ำ
เข้าหากัน (เป็นโครงสร้างที่เสถียรในน้ำ)

   

    ในปี  1935 Hugh Davson และ Jame Danielli ได้เสนอแบบ โมเดลของเยื่อหุ้มเซลล์ คือ Davson-Danielli model ซึ่งเป็นที่ยอมรับกันในสมัยนั้น (ดูภาพด้านล่างประกอบ) แต่ก็ยังไม่สามารถอธิบายคุณสมบัติของเยื่อหุ้มเซลล์ได้ทั้งหมด

   จนกระทั่งถึงปี 1972 S.J. Singer และ G. Nichlson ได้ประกาศโมเดลใหม่ที่เรียกว่า "Fluid mosaic model" ซึ่งสามารถอธิบายคุณสมบัติของเยื่อหุ้มเซลล์ได้ดีกว่า (ดูภาพด้านล่างประกอบ)

Depict : (a) Davvson-Danielli model. โมเดลนี้เสนอเมื่อ
ปี 1935 มีลักษณะคล้ายแซนวิช คือตัวไส้เป็น Phospholipids
ส่วนตัวขนมปังด้านนอก 2 แผ่นนั้น แทนที่ด้วยโปรตีน โมเดลนี้
ได้รับการยอมรับจนถึงปี 1970 (b) Fluid mosaic model.
โปรตีนฝังตัวอยู่ในชั้นของ Phospholipids ซึ่งอยูในสถานะ
"Fluid state" โมเดลนี้ได้รับการยอมรับตั้งแต่ปี 1972
จนถึงปัจจุบัน

 

 

อธิบายภาพ : Freeze-frature และ freeze-etch.
เป็นวิธีการศึกษาเยื่อหุ้มเซลล์ โดยการทำให้เยื่อหุ้ม
เซลล์ 2 ชั้น แยกออกจากกัน และนำไปศึกษาด้วย
EM พบว่าลักษณะเยื่อหุ้มเซลล์ทั้งสองด้าน
ไม่เหมือนกัน เรียกว่ามีคุณสมบัติเป็น
"Asymmetry"

 

Fluidity of membrane

    Phospholipids bilayer เป็นโมเลกุลที่มีคุณสมบัติที่เปลี่ยนไปตามสภาวะแวดล้อม จากการศึกษา Physical charateristics ของ bilayer มีคุณสมบัติดังภาพด้านล่าง

 

Depict : ในที่อุณหภูมิต่ำ โมเลกุลของ Bilayer จะมีสถานะเป็น
"Gel-Phase" แต่ในทางตรงกันข้ามเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น Bilayer
จะมีสถานะเป็น "Fluid Phase"ทั้งนี้เป็นคุณสมบัติที่คาดเดาได้
เหมือนไขมันทั่วไปที่จะแข็งตัวที่อุณหภูมิต่ำและเป็นของเหลว
ที่อุณหภูมิสูง

    แต่ถ้าเราเติม Cholesterol เข้าไปในโมเลกุลของ Phospholipid bilayer คุณสมบัติของ membrane จะเปลี่ยนไป คือ จะช่วยลด fluidity เมื่ออุณหภูมิสูง (อุณภูมิปานกลางที่สิ่งมีชีวิตทนได้) แต่เมื่ออุณหภูมิต่ำก็ช่วยเพิ่ม Solidification ได้ 

   ทั้งนี้เพราะเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นจะไปเพิ่มแรงยึดเหนี่ยว ระหว่างโมเลกุลของ Cholesterol กับ hydrophobic tails ของ Phospholipid นั่นเอง (ดูภาพด้านล่างประกอบ)

ภาพแสดง Cholesterol แทรกอยู่ระหว่างโมเลกุลของ
Phospholipid bilayer

จาก : http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/l
ectf03am/cholesterol.jpg

 

หมายเหตุ : ความจริงจะต้องพูด (เขียน) รายละเอียด

• membrane lipids (ได้เรื่องเดียว)
• membrane protein
• และ membrane carbohydates ด้วย
• แต่เขียนเท่านี้ก่อน (ออกสอบเท่านี้)

 

 

อ่านเพิ่มเติม

1. http://www.cytochemistry.net/Cell-biology/membrane_intro.htm
2. http://www.uic.edu/classes/bios
   /bios100/lecturesf04am/lect02.htm

อ้างอิง : Biology ของ N.A Campbell และ J.B. Reece ฉบับพิมพ์ครั้งที่ 6 สำนักพิมพ์ Pearson Education International

 

น้ำยาล้างจาน

[reindeer]

คืออยากทราบว่า Glycerophospholipid กับ Sphingolipid เป็นส่วนหนึ่งของ Phospholipid รึปล่าวค่ะ ถ้าใช่ไม่ใช่ยังไงช่วยตอบด้วยนะคะ ขอบพระคุณค่ะ

[สมลักษณ์]

• ทั้ง 2 ชื่อ เป็นส่วนหนึ่งของ Lipid ครับ เช่นเดียวกับ Phospholipid