HOW DO CELLS TRANSPORT MATERIAL?
Membrane Structure and Function
Membranes Structure Lipids Protein Carbohydrates
Membrane models 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
(c ) Cholesterol within the membrane Cholesterol ลดการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของ phospholipids ทาให้ membrane คงรูปอยู่ไดใ้ นทีอ่ ุณหภมู ิสงู แตใ่ นทีอ่ ุณหภมู ิต่า cholesterol ลดการรวมตัวกนั ของ phospholipids ทาให้ membrane ไมแ่ ข็งตัว
โครงสร้างของเยื่อห้มุ เซลลส์ ตั ว์
เยือ่ ห้มุ ล้อมรอบเซลล์ ประกอบด้วย phospholipid membrane ประกอบด้วย lipid bilayer ที่ตอ่ เนอ่ื งเปน็ แผ่น และมีโปรตีนชนดิ membrane ต่างๆฝงั อยู่ โดยมกี ารเรียงตัวแบบ protein mosaic (คล้ายสง่ิ นนู ขนาดเล็กหลาย carbohydrates ชนิดมาเรยี งติดตอ่ กัน) cholesterols peripheral protein ติดอยู่ที่ผิว ดา้ นในของ membrane สว่ นที่ผิวด้านนอกมี oligopolysaccharide chains ของ glygoproteins และ glycolipids ยืน่ ยาวออกมา
The structure of transmembrane protein
Sidedness of plasma membrane
ด้านของ membrane มี 2 ด้านคอื cytoplasmic sides (ดา้ น ภายใน cytoplasm) และ extracellular sides (ดา้ นภายนอกเซลล์) มี ลักษณะท่ีแตกต่างกนั ซง่ึ ความแตกต่างน้ีเกดิ ข้นึ ต้ังแต่ membrane ถกู สรา้ งมาจาก ER และ Golgi complex ในรูปน้ีสีสม้ เป็น membrane ของ organelles ด้านท่อี ยภู่ ายใน organellles จะเปน็ ด้าน extracellular sides ส่วนอกี ดา้ นหนง่ึ จะเปน็ cytoplasmic sides สเี ขยี วแทน carbohydrates ทีส่ ร้างมาจาก ER และ modified ท่ี Golgi complex Vesicles ทีร่ วมกบั plasma membrane นอกจาก membrane ที่ หุ้ม vesicles จะเป็นสว่ นของ plasma membrane แล้ว ยงั เปน็ การหลงั่ สารออกจากเซลลด์ ว้ ย (สีมว่ ง)
Some functions of membrane protein Transport protein เป็นทางให้ ions และโมเลกุลต่างๆผา่ นเข้า ออกเยือ่ หมุ้ เซลล์
Enzymes
Signal transduction: โปรตีนมหี นา้ ทีเ่ กี่ยวข้องกับ การจดจาเพ่ือท่ีจะจบั กบั โมเลกลุ ของสารอื่นภายนอก เซลลท์ าให้เกดิ กระบวนการ ตา่ งๆได้ เชน่ ฮอรโ์ มน
Intercellular junctions เป็น องคป์ ระกอบของ tight junction ท่ีอย่บู ริเวณ ด้านขา้ งของเซลลท์ อ่ี ยู่ ตดิ กัน
Cell-cell recognition
Attachment to the cytoskeleton and extracellular matrix (ECM)
การลาเลยี งสารผ่านเย่ือหุม้ เซลล์ (Traffic Across Membranes) เยือ่ หุม้ เซลลม์ ีสมบัติทีย่ อมให้สารบางอย่างผา่ น เขา้ ไปในเซลลไ์ ด้ง่ายกว่าสารบางอย่างชนิดอื่น เรียกว่า selective permeability ดงั นัน้ เยื่อห้มุ เซลล์จะควบคมุ ชนิดและอตั ราการลาเลียง โมเลกลุ ของสารผ่านเข้าและออกจากเซลล์
Selective permeability ของเยื่อหมุ้ เซลลข์ ึ้นอยู่กบั 1. Phospholipid bilayer 1.1 โมเลกุลไมม่ ีขัว้ ไฟฟา้ (nonpolar (hydrophobic) molecules) เชน่ hydrocarbons และ O2 ซึง่ สามารถ ละลายไดใ้ นเยื่อหุ้มเซลลจ์ ะผา่ นเยือ่ หุ้มเซลล์ได้ง่ายกว่า สารอื่นและเมื่อเปรียบเทียบระหว่างสาร 2 ชนิดทีล่ ะลายใน ไขมนั ได้เทา่ กนั สารที่มีขนาดเล็กกว่าสามารถผ่านไปได้ ดีกวา่
1.2 โมเลกุลมีข้วั ไฟฟ้า (polar (hydrophilic) molecules) ➢ โมเลกลุ ขนาดเล็กทีม่ ีขว้ั ไฟฟา้ แตไ่ มม่ ีอิออน (small, polar uncharged molecules)เช่น H2O, CO2 สามารถผา่ น เยื่อหุ้มสงั เคราะห์ (synthetic membranes) ได้ง่าย ➢ โมเลกุลขนาดใหญ่ที่มีขั้วไฟฟา้ แตไ่ ม่มีออิ อน (large, polar uncharged molecules) เชน่ นา้ ตาลกลโู คส ผ่าน เยือ่ หุ้มสงั เคราะหไ์ ด้ไมง่ า่ ย ➢ สารทีม่ ีอิออน (ions) ทุกชนิดถึงแม้ว่าจะมีขนาดเลก็ เช่น Na+, H+ ผา่ นชนั้ Hydrophobic bilayer ได้ยาก
2. Specific integral transport proteins ➢โมเลกุลของน้า CO2 และ สารที่ไมม่ ีขวั้ ไฟฟ้า (nonpolar molecules) สามารถผา่ นเยื่อหมุ้ เซลล์ได้ งา่ ยเชน่ เดียวกบั เยือ่ ห้มุ สงั เคราะห์ ➢เยือ่ หมุ้ เซลล์ตา่ งจากเยือ่ หมุ้ สังเคราะหค์ ือมี สมบตั ิยอมให้สารบางอยา่ งที่มีอิออนและสารที่มี ขว้ั ไฟฟา้ ขนาดกลางผา่ นได้ โดยสารเหลา่ นีผ้ ่านเข้า ไปที่ transport proteins
Types of Cellular Transport •Animations of Active Transport & Passive • Passive Transport high cell doesn’t use energy high Transport Weeee!!! 1. Diffusion 2. Facilitated Diffusion low 3. Osmosis This is • Active Transport gonna be cell does use energy hard 1. Protein Pumps work!! 2. Endocytosis 3. Exocytosis low
Passive Transport • cell uses no energy • molecules move randomly • Molecules spread out from an area of high concentration to an area of low concentration. • (High→Low) • Three types:
PASSIVE TRANSPORT: DIFFUSION Simple Diffusion Animation -random movement of particles from an area of high concentration to an area of low concentration. (High to Low) • Diffusion continues until all molecules are evenly spaced (equilibrium is reached)-Note: molecules will still move around but stay spread out.
การแพรข่ องโมเลกลุ ของสารผ่านเยือ่ หมุ้ เซลล์ (a) โมเลกลุ ของสารเคลอ่ื นทีจ่ ากบริเวณทมี่ คี วามเขม้ ขน้ มากกวา่ ไป ยังบริเวณทมี่ ีความเขม้ ขน้ น้อยกว่า จนกระทง่ั อย่ใู นสภาพสมดุล (dynamic equilibrium) เมือ่ อยใู่ นสภาพสมดุลแล้ว โมเลกุลของสารยงั คงเคลอ่ื นที่อยแู่ ตอ่ ตั ราการเคล่อื นทข่ี องสาร จากท้งั สองดา้ นของเยอ่ื หุ้มเซลลเ์ ท่ากัน
ในกรณีนี้ แสดงสารละลายของสี 2 ชนิด ที่อยู่คน ละดา้ นของเยื่อหุ้มเซลล์ โมเลกลุ ของสารสีเขียว จะเคลื่อนทีไ่ ปยงั ดา้ นซา้ ย ทงั้ ๆที่ตอนเริ่มต้นความ เข้มข้นของสารในด้านซา้ ยสูงกว่า
ตวั อยา่ งการแพร่ในสิง่ มีชีวิต ได้แก่ การหายใจของสัตว์ ขณะหายใจ เขา้ ก๊าซออกซิเจนจากอากาศที่ผ่านเข้าไปใน ถงุ ลมในปอดมคี วามเขม้ ขน้ สูงกวา่ ในเส้น เลือดฝอย ออกซิเจนจึงแพร่จากถงุ ลมเข้าไป ในเส้นเลือดฝอย และในขณะเดียวกัน คาร์บอนไดออกไซด์จะแพรจ่ ากเส้นเลือดเข้า ส่ถู งุ ลม
Passive Transport: 2. Facilitated Diffusion A B 2. Facilitated diffusion: diffusion Diffusion of specific particles through (Lipid transport proteins found in Bilayer) the membrane a. Transport Proteins are Facilitated specific – they “select” only certain molecules to cross diffusion the membrane (Channel Protein) b.Transports larger or charged molecules Carrier Protein
Facilitated diffusion Transport proteins ช่วยในการนาโมเลกลุ ของสารผ่านเยื่อหมุ้ เซลล์จากบริเวณที่มีความเขม้ ข้นของสารสงู ไปยงั บริเวณทีม่ ี ความเขม้ ข้นตา่ กว่า เรียกกระบวนการนีว้ ่า facilitated diffusion โดยเซลล์ไมต่ อ้ งใช้พลังงาน
Osmosis Osmosis หมายถงึ การแพร่ของโมเลกลุ ของนา้ จากบริเวณที่มี โมเลกลุ ของน้าหนาแนน่ มากกวา่ หรือสารละลายที่เจอื จางกว่า (hypoosmotic solution)ไปยงั บรเิ วณทีม่ โี มเลกลุ ของนา้ น้อยกวา่ หรือ สารละลายทีเ่ ข้มขน้ กว่า (hyperosmotic solution) โดยผา่ นเยอ่ื หุ้มเซลล์
Passive Transport: Osmosis animation 3. Osmosis •Water moves freely • 3.Osmosis: diffusion of through pores. water through a •Solute (green) to large selectively permeable to move across. membrane • Water moves from high to low concentrations
PASSIVE TRANSPORT: OSMOSIS -Diffusion of water across the plasma membrane. -Environment surrounding cells may contain amounts of dissolved substances (solutes) that are… equal to less than greater than …those found within the cell. HOW DO WE DESCRIBE THESE ENVIRONMENTS? (also called tonicity) Isotonic: no net movement of water between cell and environment Hypertonic: a higher concentration of solute. Hypotonic: a lower concentration of solute. Water will always move toward a hypertonic environment!!
Hypotonic Solution • Osmosis Animations for isotonic, hypertonic, and hypotonic solutions Hypotonic: The solution has a lower concentration of solutes and a higher concentration of water than inside the cell. (Low solute; High water) Result: Water moves from the solution to inside the cell): Cell Swells and bursts open (cytolysis)!
Hypertonic Solution • Osmosis Animations for isotonic, hypertonic, and hypotonic solutions Hypertonic: The solution has a higher concentration of solutes and a lower concentration of water than inside the cell. (High solute; Low water) shrinks Result: Water moves from inside the cell into the solution: Cell shrinks (Plasmolysis)!
Isotonic Solution • Osmosis Animations for isotonic, hypertonic, and hypotonic solutions Isotonic: The concentration of solutes in the solution is equal to the concentration of solutes inside the cell. Result: Water moves equally in both directions and the cell remains same size! (Dynamic Equilibrium)
The water balance of living cells ลกู ศรแสดงทิศทางการเคลื่อนทีข่ องโมเลกุลของน้าผา่ นเซลล์สัตวซ์ งึ่ ไม่มีผนงั เซลล์ และเซลล์พืชซงึ่ มีผนงั เซลล์
Managing water balance • Cell survival depends on balancing water uptake & loss freshwater balanced saltwater
Active Transport •cell uses energy •actively moves molecules to where they are needed •Movement from an area of low concentration to an area of high concentration •(Low → High) •Three Types:
Active transport บางครัง้ เซลล์ต้องการลาเลียงสารจากทีม่ ีความ เขม้ ขน้ ตา่ ไปยงั ทีม่ ีความเข้มขน้ สงู กวา่ กระบวนการนี้ เรียกวา่ active transport ซึ่งตอ้ งการพลังงานคือ ATP ตวั อยา่ งเช่น เซลลข์ ับ NA+ ออกนอกเซลล์และ นา K+ เข้าไปในเซลล์ ซึง่ เรียกวา่ Sodium-potassium pump
The sodium-potassium pump
Types of Active Transport Sodium Potassium Pumps (Active Transport using proteins) 1. Protein Pumps - Protein changes transport proteins that shape to move require energy to do molecules: this work requires energy! •Example: Sodium / Potassium Pumps are important in nerve responses.
Sodium-potassium pump กระบวนการเริม่ ต้นจาก Na+ จับกบั โปรตีนซึง่ เป็น transport protein แล้ว ATP ให้พลงั งานแก่ โปรตีนทาใหโ้ ปรตีนเปลีย่ นรปู ร่างและปลอ่ ย Na+ ผา่ นเยื่อหุม้ เซลลอ์ อกไป ขณะเดียวกนั K+ เข้าจบั กับโปรตีน ทาให้โปรตีนเปลี่ยนแปลงรูปรา่ งอีกครัง้ หนึง่ ทาให้ K+ ถูกปลอ่ ยเข้าไปในเซลล์ แล้วโปรตีน กลบั มีรูปร่างเหมือนเดิมอีกพร้อมทีจ่ ะเริม่ ตน้ กระบวนการใหมต่ ่อไป
Diffusion Passive transport Facilitated transport Active transport
Types of Active Transport • 2. Endocytosis: taking bulky material into a cell • Uses energy • Cell membrane in-folds around food particle • “cell eating” • forms food vacuole & digests food • This is how white blood cells eat bacteria!
Endocytosis มี 3 แบบ ได้แก่ 1. Phagocytosis 2. Pinocytosis 3. Receptor- mediated endocytosis
Phagocytosis Phagocytosis เปน็ การนาสารทีเ่ ป็นของแข็งเข้าเซลล์ โดยเซลลย์ ืน่ สว่ น cytoplasm ไปโอบล้อมสารของแขง็ นน้ั แล้วเข้าไปในเซลล์ เป็น food vacuole แล้ว food vacuole น้นั จะไปรวมกับ lysosome ซึง่ ภายในมี hydrolytic enzymes ที่จะย่อยสลายสารนั้นตอ่ ไป อมี บากินแบคทีเรียด้วยวิธีนี้
Pinocytosis Pinocytosis เปน็ การนาสารทีเ่ ป็นของเหลวเข้าเซลล์ โดยเยือ่ หุ้มเซลล์เวา้ เขา้ ไปเพื่อนาสารเขา้ ไป กลายเปน็ ถุงเลก็ ๆอยูใ่ น cytoplasm
Types of Active Transport 3. Exocytosis: Forces material Endocytosis & out of cell in bulk Exocytosis animations • membrane surrounding the material fuses with cell membrane • Cell changes shape – requires energy • EX: Hormones or wastes released from cell
Search
