2017年7月21日 星期五

(5) 細胞膜(Cell Membrane) 07-22-2017


     (5) 細胞膜(Cell Membrane)

 

一、細胞膜的流體鑲嵌模型(Fluid Mosaic Model)



細胞膜的雙層磷脂(Phospholipids)具有流體性,

蛋白質鑲嵌於磷脂層之間。

細胞膜是非常動態的胞器!


 

圖01. 1972年2月Singer & Nicolson於美國頂尖的科學期刊《Science》上,

發表了沿用至今的細胞膜模型─流體鑲嵌模型。

細胞膜是由四種巨分子組成:

(1)磷脂(Phospholipids)圓型極性頭部為親水端,兩條脂肪酸為親脂端。

(2)蛋白質(Proteins)兩種:a.整體蛋白(Integral proteins)=整合蛋白

               b.週邊蛋白(Peripheral proteins)=外周蛋白=表面蛋白

(3)膽固醇(Cholesterol)─鑲嵌於磷脂層內,外層磷脂層的膽固醇含量較多。

細胞膜的膽固醇含量越高,流體性越低。

(4)糖分子(Carbohydrates)─只存在於外層磷脂層之外,與蛋白質或磷脂結合形成糖磷脂或糖蛋白。

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1. 磷脂(Phospholipids)的特性:

(1)磷脂是由磷酸根(phosphate)形成的頭部+甘油(glycerol)+兩條脂肪酸組成。一條為飽和脂肪酸(Saturated fatty acid),一條為不飽和脂肪酸(Unsaturated fatty acid),不飽和是指脂肪酸具有碳碳雙鍵(C=C)。



圖02. 磷脂(Phospholipids)的組成。

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  (2)磷脂具有雙極性(amphipathy)─磷酸根的頭部親水;脂肪酸的尾部親脂。

  (3)磷脂主要有四種:PC、PE、PI、PS

  (4)磷脂具流體性(fluidity)─流體性主要由脂肪酸的不飽和度以

     及膽固醇的含量決定。

  (5)形成障壁(barrier)─脂溶性物質易通透。


 

圖03. 磷脂的脂肪酸不飽和度越高(碳碳雙鍵,C=C的數目越多),細胞膜的流體性(Fluidity)越好(左圖)。

磷脂脂肪酸的飽和度越高,細胞膜的流體性越差,黏性(Viscosity)越高(右圖)。


 

2. 糖分子主要有九種,功能決定細胞的抗原性。

例如血型之所以B型,是因為細胞膜最外層的糖膜(Glycocalyx) ,具有若干半乳糖(galactose)=B抗原。

 

二、支持細胞膜是『流體鑲嵌模型』之實驗

 

1. 冰凍蝕刻法(Free Fracture Experiment)→

   證實細胞膜蛋白質鑲嵌於雙層磷脂。



圖04. 冰凍細胞(Freeze),再以鋒利的刀片蝕刻(Fracture),切開的細胞膜雙層磷脂層,靠近細胞外液層(Extracellular layer),在掃描式電子顯微鏡(SEM)下觀察,顆粒稀少(右上圖)。靠近細胞質層(Cytoplasmic layer),在SEM下觀察,顆粒眾多(右下圖)。那是因為切割方式造成的結果。

重點是,雙層磷脂層之間有顆粒(=蛋白質)存在→表示確實有蛋白質鑲嵌於磷脂層。   

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2. 人-小鼠細胞融合實驗(Human-Mouse Cell Fusion Experiment)→證實細胞膜具流體性(Fluidity)。 




圖05. Frye and Edidin於1970年做的人和小鼠細胞融合實驗

(1)人和小鼠細胞膜上各有特殊的蛋白質。

(2)以仙苔病毒(Sendai virus)將人和小鼠細胞融合成融合細胞(Hybrid cell)。

(3)人和小鼠細胞膜上特殊的蛋白質,分別以紅色以及綠色螢光抗體標定。

(4)於37℃時,五分鐘後細胞膜上的紅綠顏色抗體開始混合。

(5)四十分鐘後細胞膜上的紅綠顏色抗體完全混合。

如果實驗溫度降低,則紅綠顏色抗體完全混合所需的時間會超過40分鐘!

   此實驗證實細胞膜之磷脂層具有流體性(Fluidity)。

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3. 光漂白後螢光回復技術(Fluorescence recovery after photobleaching,  FRAP Technique)



圖06. 光漂白後螢光回復技術(FRAP Technique)

細胞膜表面分子標定上綠色螢光染料→雷射光(Laser)照射一小塊細胞膜將綠色螢光染料漂白→一段時間後漂白處又充滿綠色螢光染料。

此實驗也證實細胞膜具有流體性。

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三、細胞膜流體鑲嵌模型之一些補充

1. 脂筏(Lipid Raft)的發現

(1)    為細胞膜上部分『排列整齊而突出』的小區塊。

(2)    含有高比例的神經鞘脂質(sphingolipids)及膽固醇(cholesterol)。

(3)    含有特定的蛋白質(例如GPI-linked protein),功能與訊號傳遞(Signal transduction)有關。



圖07. 脂筏(Lipid Raft)=膜筏(Membrane Raft)

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2. 整體蛋白種類和形狀的演進



圖08. 1972年Singer & Nicolson提出細胞膜流體鑲嵌模型時,所想像整體蛋白(Integral proteins)的形狀。

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圖09. 現今認為細胞膜上具有的蛋白質種類和形狀。

(a)單側整體蛋白(Integral monotopic protein)

(b)單次穿透蛋白(Singlepass protein)

(c)多次穿透蛋白(Multipass protein),一般為穿透細胞膜七次。

(d)多次單位蛋白(Multisubunit protein)

(e)周邊蛋白(Peripheral protein)

(f)Fatty acid or isoprenyl anchor protein

(g)GPI anchor protein

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四、細胞膜之功能

(1)    障壁功能(Barrier Function):脂溶性物質較易通透

(2)     選擇性通透(Selective Permeability):

  (3)  運輸功能(Transport Function):運輸蛋白、離子通道…

  (4)  酵素功能(Enzymatic activity):GTPase 超級家族

  (5)  訊號傳遞功能(Signal transduction):接受器、carriers、

G蛋白…

      (6)  細胞間認知功能(Cell-cell recognition):

主要組織配對複合體(MHC)。

(7)  維持細胞形狀

     哺乳類紅血球之所以是雙凹形(biconcave),是紅血球主要的周邊

      蛋白血影蛋白(Spectrin)耗能維持。如果血影蛋白基因突變,導

      致血影蛋白表現的量下降 →紅血球形狀變球形(spherocyte)。



圖10. 紅血球(RBC)細胞膜內面,維持紅血球為雙凹形之周邊蛋白。

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(8)  附著功能(Attachment)─與細胞骨架(cytoskeleton)以及細

     胞外基質(Extracellular Matrix, ECM)附著



圖11. 細胞膜往內與細胞骨架(cytoskeleton)附著;往外與細胞外基質(Extracellular Matrix, ECM)附著。

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細胞外基質(Extracellular Matrix, ECM)

    細胞外基質(ECM)是由細胞分泌到細胞外空間的多種糖蛋白構成,主要有膠原蛋白(collagen)、纖維連接蛋白(fibronectin)、層粘連蛋白(laminin)等。構成結構相當緻密有序的網路。

    細胞外基質(ECM)不僅對組織細胞有支持、保護、營養等功能,還參與細胞的識別、遷移等活動。

 



圖12. 細胞膜上整體蛋白之兩個實例:

(a)血型糖蛋白(Glycophorin),131胺基酸組成,穿透細胞膜一次。

(b)細菌視紫紅質(Bacteriorhodopsin),248胺基酸組成,穿透細胞膜七次。

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2017年7月19日 星期三

(4) 粒線體(Mitochondria) 07-20-2017


(4)  粒線體(Mitochondria)


一、粒線體的結構:



圖01. 粒線體(Mitochondria)的基本結構。

(1)     雙層膜,四層磷脂包圍的胞器。

(2)     外膜(Outer Membrane)對物質無選擇性通透性,導致內外膜間隙(Intermembrane Space)的pH值與細胞質液的pH值相似均為~7.0。

(3)     內膜(Inner Membrane)對物質選擇性通透,往內形成嵴(Cristae),嵴的膜上具有電子傳遞系統(Electron Transport System, ETS)以及ATP合成酶(ATP Synthase)=F0-F1複合體(F0-F1 complex)。

(4)     內膜之內稱為基質(Matrix),基質中具有DNA、與細菌相似的核醣體(Ribosome)、克式循環(Krebs cycle)的酵素。

(5)     人類粒線體的DNA(mtDNA)是由16,569 bp組成,含37對基因。

   (bp=base pairs,鹼基對)。

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二、粒線體的功能:




圖02. 粒線體(Mitochondria)的主要功能—細胞的能量工廠(細胞合成ATP之胞器)。




圖03. 腺嘌呤核苷三磷酸 (Adenosine Triphosphate, ATP),ATP是生物共用的能源,具有高能磷酸鍵,水解1 mole ATP 產生7.3Kcal的能量。



三、細胞呼吸(Cellular Respiration)的步驟:

生物獲取ATP的方式稱為細胞呼吸。


圖3.5. 生物細胞呼吸作用(Cellular Respiration),反應過程及其能量產生的綜合示意圖。







圖04. 細胞呼吸(Cellular Respiration)步驟之簡圖,糖解反應在細胞質液(Cytosol)中發生,其餘三步驟在粒線體內進行。

細胞呼吸在(1)糖解反應(2)檸檬酸循環=克式循環(3)氧化磷酸化作用 這三個步驟產生ATP。

糖解反應、檸檬酸循環產生ATP的方式,為受質磷酸化作用,與氧化磷酸化不同。

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1. 糖解反應(Glycolysis)—在細胞質液(Cytosol)中進行。

葡萄糖(Glucose)→→→→→→→→→→2 NADHH++2 丙酮酸(Pyruvate)+

2 ATP

糖解反應以受質磷酸化作用(Substrate Phosphorylation)產生2ATP。



圖05. 糖解反應將一分子6C葡萄糖分解為兩分子3C的丙酮酸,淨得2ATP。

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2. 乙醯輔酶A形成(Acetyl CoA Formation) —在粒線體基質(Matrix)中進行。

     2丙酮酸(Pyruvate) + 2輔酶A(HS-CoA) + 2NAD+ → 2乙醯輔酶A (acetyl   

     CoA) + 2 CO2 + 2 NADHH




圖06. 乙醯輔酶A (acetyl CoA)形成,在粒線體基質(Matrix)中進行。

丙酮酸直接通過粒腺體外膜,再經內膜之運輸蛋白(Transport protein)運入基質中,形成乙醯輔酶A。

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3. 克式循環=檸檬酸循環(Krebs cycle=Citric Acid cycle) —在

  粒線體基質(Matrix)中進行。

   2 Acetyl CoA 經克式循環獲得6NADHH+、2FADH2、2 ATP、4CO2、2草醋酸

   ( oxaloacetic acid)

4. 氧化磷酸化作用(Oxidative Phosphorylation)—在粒線體嵴(Cristae)上進行。

   NADHH+、FADH2攜帶之e–(H+)經粒線體嵴(Cristae)上電子傳遞系統

   (ETS)傳遞,建立H+電化梯度,H+流經F0-F1 complex產生ATP。



NAD—Nicotinamide Adenine Dinucleotide  菸草醯胺腺嘌呤雙核苷酸

FAD—Flavin Adenine Dinucleotide  核黃素腺嘌呤雙核苷酸

NAD以及FAD是傳遞電子的輔酶,細胞呼吸過程主要的電子(H+)攜帶者。


四、 化學滲透假說(Chemiosmosis Hypothesis)

1. 化學滲透假說是1978年諾貝爾化學獎得主,彼得丹尼斯米切爾(Peter Dennis Mitchell),於1961年提出,用來解釋ATP是如何在粒線體或葉綠體中合成。

2. 主要的觀念是粒線體內膜嵴(Cristae)上之電子傳遞系統(Electron Transport System, ETS),傳遞電子後,膜內外產生氫離子之電化梯度(electrochemical potential gradient of proton)。

3. 此梯度包括膜內外H+濃度差與電荷差。

內外膜間隙pH值約7.0

基質(Matrix) pH值約8.0

4. 當H+順著電化梯度流經F0-F1複合體(F0-F1 complex),H+由內外膜間隙(Intermembrane Space)流向基質(Matrix),催化ATP合成。

F0—H+通道(H+ channel)

F1—ATP合成酶(ATP synthase)

5. Mitchell提出的化學滲透學說,認為僅H+的電化梯度是合成ATP之必要條件,而電子傳遞系統(ETS)存在與否,則非必要條件。此概念由1974年Racker & Stoeckenius的實驗證實。




圖07. Peter Mitchell及化學滲透假說(Chemiosmotic Hypothesis)。



五、化學滲透假說之證據

1. Racker & Stoeckenius的細菌嗜紫紅質(Bacteriorhodopsin)鑲 

   嵌於脂肪小體實驗

    細菌視紫紅質(Bacteriorhodopsin)為嗜鹽古菌細胞膜上,光子驅動的氫離

    子幫浦(Photon-activated proton pump),當光線照射時,將氫離子由細菌細

    胞內打到細胞外,然後氫離子由細菌細胞外經類似F0-F1複合體流回細菌細

    胞內,即可產生ATP。

    整個過程無電子傳遞系統(ETS)參予,只要能建立氫離子之電化梯度,就可

    合成ATP。  



圖08. 細菌嗜紫紅質(Bacteriorhodopsin),鑲嵌在古老細菌─嗜鹽細菌(Halobacterium salinarium)的紫色細胞膜(purple membrane)上,細菌嗜紫紅質由248胺基酸組成。

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圖09. 細菌嗜紫紅質及粒腺體之F0-F1複合體(F0-F1 complex),反向鑲嵌於脂肪小球(Liposome),當陽光照射時,H+打入脂肪小球內,再流經F0-F1複合體,產生ATP。此實驗證實電子傳遞系統(ATS)非產生ATP所必須。

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