no slide title - ภาควิชาชีวเคมี ...biochem.md.chula.ac.th/data/s/aj...
Post on 20-May-2018
216 Views
Preview:
TRANSCRIPT
โครงสรางของเยอหมเซลลและ
การขนสงของสารผานเยอหมเซลล (Membrane structure
and transporting system)
ศาสตราจารย.ปยะรตน โตสโขวงศ
เซลลในรางกาย จ านวนเซลลในคนมถง 1014
(multicellular) และมเซลล
แตกตางกนมากกวา 200 ชนด
เซลลและเยอห มเซลล
แนวคด องคประกอบและโครงสรางของเยอหมเซลลและเยอหมออรเกเนลล เปนปจจยทส าคญทก าหนดหนาททางชวภาพของเซลล หากมการเปลยนแปลงขององคประกอบทงในสวนของไขมน โปรตน หรอ คารโบไฮเดรท หรอเมอมการเปลยนแปลงสงแวดลอมภายนอกเซลล หรอเกดภยนอนตรายตอเยอหมเซลล ท าใหเกดความผดปกตของการท างานของเยอหมเซลลและจะสงผลใหเกดโรคตางๆ ปจจบนมการศกษาองคประกอบและโครงสรางระดบอณของเยอหมเซลล เชน โปรตนขนสงชนดตางๆ (transporters) โปรตน receptor ทจ าเพาะทตองสมผสตอสญญาณโมเลกลจากภายนอกตางๆทมอยอยางมากมาย การตรวจสารโปรตนทเยอหมเซลลซงเปนสาเหตของการเกดโรคตางๆมประโยชนตอการวางแผนการรกษา การตดตามความกาวหนาโรค
เนอเรอง
1. โครงสรางและบทบาทของเยอหมเซลล
(Structural and functional organization of plasma membrane)
2. การขนสงสารผานเยอหมเซลลและโปรตนขนสง
(Membrane transport and transporters proteins)
3. การผนแปรของเยอหมเซลล
(Alteration of plasma membrane)
1.บอกบทบาทและองคประกอบระดบ
โมเลกลทส าคญของในโครงสรางของเยอ
หมเซลลได
วตถประสงค 1
บทบาทและโครงสรางของเยอหมเซลล
1. หอหมเซลลใหมรปรางจ าเพาะ เปนตวกน(barrier)ขอบเขตระหวางเซลลและ ECF 2.เปนตว ควบคมการขนสงของสารตางๆและน า เขาออกท า
ใหเกดสมดลของระดบของสารระหวางภายในและภายนอก 3. เปนตวรบสญญาณจากนอกเซลลและการ
ตดตอ ระหวางเซลลรวมทงการตอบสนองตอสงกระตน
7. ควบคมประจไฟฟาและความตางศกยทางไฟฟาทเยอหมเซลล
4. Enzymatic function –Carbonic anhydraseIV, Glutamyltransferase
5. ยดโครงสรางของเซลลกบแมทรกซภายนอกเซลล (ECM) 6.เปนสวนทเกาะเกยวกบโปรตนทเปนโครงเซลล (cytoskeleton) ชวยค าจนออรแกเนลของเซลลและการเปลยนรปรางของเซลล
Fluid mosaic of the lipid bilayer
เยอเซลลแตละชนดมสดสวนของไขมนแตกตางกน และในสภาพปกต PL ทมสวนทชอบน าเปนหมเคมขนาดใหญ ท าใหเกดแถบโมเลกลของ PL หนดานไมชอบน า2 แถบประกบกน จดตวเปนรปทรงกลมเรยก liposome/lipid vesicle ทนยมน ามาศกษากนมาก
จากการศกษาคณสมบตของเยอหมเซลล เชอวา ภายในโครงสราง ของไขมนและโปรตนทแทรกอย จบกนดวย non covalent bond ทออนกวา covalent bond ท าใหสามารถเคลอนทไปมาในแนวระนาบไดภายในชนของ lipid bilayer ดวยอตรา 22 micrometer/second เรยกวามคณสมบตของการไหล (fluidity) ซงโครงสรางและคณสมบตของเยอหมเซลล แบบนเรยกวา fluid mosaic model
Plasma membrane-Cytoskeleton-ECM-Extracellular fluid
ชวโมเลกลในแตละขาง
ของเยอหมเซลล ไมเหมอนกน (asymmetric)c)
ไขมนในเยอหมเซลล : บทบาท *เปนโครงสรางหลกของเยอห มเซลลปองกนเซลลจากสงแวดลอมภายนอก ท าใหเซลลแยกออกจากสงแวดลอมได *เปนสารตนก าเนดของสารทส าคญหลายชนด เชนกรดไขมนทเยอห มเซลล
สรางสารทมคณสมบตตอบสนองตอรางกายหลายดานเชนกระบวนการ
อกเสบ(PG/IL) ระบบภมค มกนของเมดเลอดขาว(LT) ระบบการไหลเวยนของเลอด(PGI2)และระบบการแขงตวของเลอด(TX) * phosphatidylinosital.ในเยอเซลลสลายเปน diacyl glycerol และ I P3ซงม
บทบาทใน cell signaling
หนาทของคอเลสเทอรอล
• ในปรมาณทพอเหมาะจะปองกนไมใหสายไฮโดร
คารบอนของฟอสโฟลปดอดตวกนแนน ชวยรกษาความ
ยดหย นความเหลวและการเคลอนไหวของเซลล
ไขมนในเยอหมเซลล : โครงสราง – พบม 3 ชนด 1. Phospholipids (PL) มสวนของ glycerol (phosphoglycerides) ทมหมฟอสเฟตจบท C 3 และยงมสารหลายชนดมาจบ เชน serine,choline ethanolamine และ inositol ท าใหเกด PL ทชอบน า เรยก polar lipid
2. Cholesterol แทรกอยบรเวณชองวางทไมชอบน าแตไมพบ triglyceride
3. Sphingolipid (sphingosine/ /,long chain aminoalcohol) , มหรอไมม
mono, oligosaccharide: คณสมบตไขมนเหลานเรยก amphipathic คอมทงสวนทชอบน าและไมชอบน าท าใหจดเรยงตวเปน lipid bilayer อยางเหมาะสม -Sphingomyelin(ม phosphocholine) - Glycosphingolipids/ Glycolipids: Gangliosidee, Galactocerebroside
1.Membrane Phospholipids -amphipathic (มทงสวนทชอบน าและไมชอบน า)
(Lecithin) (Cephalin)
2.CHOLESTEROL
Choline
Phosphoric acid
Fatty acid
Sphingosine
Sphingomyelin
3.Sphingolipids (lipid ทม Sphingosine ,FA และสารอน)
FA+Sphigosine=ceramide
Ser Palmitic acid
3. Ganglioside (Glycosphingolipid=oligosaccharide+ceramide)
สวนของ oligosaccharide ทม sialic acid พบมากในสวนของ gray matter ของสมอง
1.Glucocerebroside[(glucose+ceramide(sphingosine+FA)] เปนไกลโคลปดทพบในเยอหมเซลลอนทไมใชเซลลประสาท
GLYCOLIPID : GLYCOSPHINGOLIPID
Galactocerebroside: [(glalactose+ceramide(sphingosine+FA)] เปนไกลโคลปดทเปนสวนประกอบทส าคญของเยอหมเซลล ซงพบในเซลลสมองและเสนประสาท
Lipid in red blood cellmembrane
องคประกอบของไขมน 2 ชนจะตางกน(asymmetry), โดยcholesterol จะแทรกอย ทสวนของ hydrophobic region ส าหรบ Phospholipids ดานในเยอหมเซลลจะเปน Phosphatidylserine (PS) และม Phosphatidylethanolamine(PE) เปนสวนใหญ อาจม Phosphatidylinosital (PI) เลกนอย ขณะทดานนอกพบ phosphatidylcholine (lecithin) และ sphingomyelin,SM เปนสวนใหญ
หากสมดลของไขมนผดปกต เชน พบ PS ทผวชนนอกของเยอหมเซลล บงชวาเซลลใกลตาย หรอจะถกท าลายกอนก าหนดดวยระบบ reticuloendothelial system สงผลใหเกดภาวะโลหตจางจากการทเมดเลอดแดงแตกสลายกอนเวลาอนควร
Lipid in red blood cellmembrane
(PS)
หากสมดลของไขมนผดปกต
เชน พบ PS ทผวชนนอกของเยอหมเซลล บงชวาเซลลใกลตาย หรอจะถกท าลายกอนก าหนด
โปรตนในเยอหมเซลล:บทบาทของโปรตน
ในเยอหมเซลลท าหนาทใหความแขงแรง (structural proteins) เปนแกนโครงสรางของเซลล (cytoskeleton proteins) เปนโปรตนขนสงสารผานเขาออกเซลล (transporter proteins) เปนชองทางใหอออนหรอน าผาน (Channel proteins) เปนตวรบหรอจบกบฮอรโมน/สารสอประสาท (receptor proteins) เปนเอนไซมทเปนโปรตน (enzyme proteins) เกยวของกบการหดและยดตวของเซลล เปลยนรปรางและเคลอนไหว (mobility)
1. Monophasic integral protein เปนโปรตนทวางตวบางสวนไวในชนของลพด โดยทะลออกดานหนงดานใดเทานน ไมทะลออกทงสองดาน อาจอยทดานในหรอดานนอกโครงสรางลพดสองชนกได
2. Biphasic integral protein เปนโปรตนวางตวทะลออกทงสองดานของโครงสรางลพดสองชน
3. polyphasic integral protein เปนโปรตนวางตวทะลออกทงสองดานของโครงสรางลพดสองชนไปมาหลายๆครง
Proteins in membrane
Integral protein / Transmembrane protein ในเยอเซลล
Integral protein(70%) หนาท -ขนสงสาร หรอไอออน
คดเลอกสารทจะผานเขาออกและ
เปนหนวยรบสงเราภายนอก
-มhydrophobic amino acidทผานชนของ lipid bilayer และ hydrophilic amino acidอยดานนอก(จบกบน าตาล)และดานในไซโตซอล
-การแยก integral protein ออกจะตองท าลายเยอหมเซลลใหเสยสภาพ เชน การใช detergent เพอละลายไขมนออกไปกอน จงจะสามารถแยกโปรตนออกมาจากเยอหมเซลลนนได
Peripheral protein • เปนโปรตนทยดตวกบเยอหมดวยแรงทออนกวาพนธะโคเวเลนต และไมมสวนทแทรกเขาไปใน
โครงสรางไขมนสองชน ท าใหแยกออกจากเยอหมเซลลไดงายกวา integral protein โดยใชวธตางๆ ทไมท าใหเยอหมเสยสภาพของโครงสรางไขมนสองชน เชน การใชสารละลายเกลอความเขมขนสง
• อาจพบไดทงผวดานในและผวดานนอกเยอหมเซลล โดยอาจจบกบลพด โปรตน หรอคารโบไฮเดรตทผวของเยอหมกได
• เกาะทผวดานในของเยอเซลล โดยสวนของแกนโครงสรางของเซลล (CYTOSKELETON) ยดเกาะกบเยอไขมนสองชนท าใหเชลลมรปรางแตกตางกน
• ควบคมการเปลยนแปลงรปรางของเซลล และคงสภาพรปรางของเซลลได แตถาขาดโปรตนทเปนโครงเซลลรปรางเซลลจะผดปกตไป
RBC – PERIPHERAL/CYTOSKELETON PROTEIN
ถามความผดปกตของ Spectrin เมดเลอดแดง
จะกลมปอง (spherocytosis)
ท าใหแตกงายเกดภาวะ
เลอดจางและ ดซาน
Cytoskeleton protein เปนโปรตนเสนใย สานตวเปนรางแห ยดเยอหม เซลลเมดเลอดแดงไวใหคงรปรางปกตและมบทบาทเปลยนรปรางของ RBC เมอแทรกผานเสนเลอดฝอย แยกโปรตน –PM-SDS-PAGE
คารโบไฮเดรททเยอเซลล : โครงสรางและหนาท
พบในปรมาณนอยโดยจะเชอมอยกบโปรตนหรอไขมน เปนไกลโคโปรตน
หรอ ไกลโคลปด ดวยพนธะโคเวเลนตและพบดานนอกของเยอหมเซลล
-หมน าตาลทพบ อาจเปน mono/oligo/polysaccharides เซลลบางชนดมคารโบไฮเดรทดานนอกของเยอหมเซลลปรมาณมากเรยก CELL COAT ถาดดวย EM เรยก glycocalyx - ท าหนาทเปนตวรบ เชน Glycosphingolipid ทมอนพนธน าตาลชนดกรดเซยรก(NANA) เรยกวา ganglioside) ทพบทเยอหมเซลลบผวของล าไส ท าหนาทเปนตวรบสารพษทสรางจากเชออหวาตในคนททองเสย -ท าหนาทจดจ าและการสอสารระหวางเซลล
คารโบไฮเดรทมการจบกบโปรตนดวยพนธะ ไลโคซดก 2 แบบ เปนแบบ N-
link (asparagine) และพบ O-link ( serine/threonine) โดย N-link
พบมากทสด
N-Linked hybrid
Oligosaccharide
O-linked
oligosaccharide
(N-Glycosidic bond)
(O-Glycosidic bond)
การจบของคารโบไฮเดรตกบโปรตน
Protein chain
NANA
Gal
GalNAc NANA
O
CH2
CH C-NH
O
-C-NH-
O
Serine
NANA
Protein chain
Gal
GlcNAc
Man
Man
Man
Man Man
GlcNAc
GlcNAc
C-NH-
O
CH C
NH
C=O
CH2 O
NH Asparagine
O-link : เตมทหม OH
ของ ser และ thr
N-link : เตมทหม -NH2
ของหม –CO-NH2 ของ asn
Blood Lumen
K
Na
K+
Cl
Na-channel
G-protein
Adenyl
cyclase
A
A A
Na
CT -subunit
ATP
CAMP Protein
kinase A
ATP
ADP Cl-
subunit
B
Cl-channel
The effect of cholera toxin (CT) on the intestinal mucosa -NANA ทพบทเยอหมเซลลบผวของล าไส เปนตวรบCTทสรางจากเชออหวาตในคนททองเสย
1. Subunit B of CT binds cell membrane then block Na movement by Na Channel 2. Subunit
A entry to the cell bind G-protein and activates AC ,causing production of cAMP results in
the active secretion of Cl by Cl Channel and a passive efflux of water,causing diatthoea
(AC)
Cl
ชวโมเลกลในโครงสรางของ Influenza Virus -เชอไวรสไขหวดใหญ
1.Hemagglutinin (H/HA) ของเชอไวรสซงเปนไกลโคโปรตนทเปนสวนทเปนสาเหตของโรค
2. Neuraminidase (N/NA) ของเชอไวรสปน glycoprotein enzyme ทมหนาทสลาย Sia/NANA
ออกจาก glycoprotein ท าใหไวรสผานเขาสเซลลหรอผานออกเพอแพรเขาสเซลลใหม
ความส าคญของอนพนธของน าตาลในไกลโคโปรตนทม NANA เปน สวนปลายสดท าหนาทในเรองต าแหนงตวรบทใหไวรสเขามาจบ
1. Light Microscope ดสวนประกอบทงหมดของเซลลแตเยอหมเซลลดไดคราวๆ
วธการศกษาเยอหมเซลล
2. Transmission electron microscope:TEM พบภาพของเยอหมเซลลชดเจน –พบลกษณะทบ-โปรง-ทบ เรยก Trilamina structure
3.Fractional centrifugation and biochemical methods
การแยกเยอหมเซลล
บอกหลกการขนสงสารทส าคญ
แบบผานชนไขมนโดยตรง
(through lipid bilayer)ของเยอหม
เซลลได
วตถประสงค
Typical Ion Concentrations in vertebrates
Ion MammalianCell
(mM)
Blood-ECF
(mM)
K+ 100-140 3.5-5
Na+ 5-10 145-150
Cl- 5-15 110
HCO3- 12 30
PO4 75 4 Mg2+ 0.5 1- 2
Ca2+ <0.0002 2.0
-no ions are in equilibrium!
protein- 140 10
Na
หลกการขนสงสารตาง ๆ ทเยอหมเซลล ภายนอกและภายในเซลลจะมของเหลวทมสารตาง ๆ ละลายอย การขนสงสารอาหารตางๆ Glc, AA,Na+, Ca2+จากเลอดเขาสเซลลตางๆ จะตองผานผนงเสนโลหตฝอย และแพรไปในตวกลางทเปนของเหลวรอบ ๆ เซลล กอนผานเยอหมเซลลสภายในเซลล ปจจยทมผลตอการขนสงสารผานเยอหมเซลล ไดแก ก) พนทผวทสารเคลอนผาน (surface area) ของเยอหมเซลล ถา surface area มากจะเพมอตราการแพร ข) ความหนาของเยอหมเซลล (thickness) ถาเซลลมความหนาเพมขน เชน การเกด lung fibrosis อตราการแพรของสารจะลดลง ค) ชนดของสารและความแตกตางของความเขมขนของสารทอยภายนอกและภายในเซลล (concentration gradient across membrane) ถาเพม concentration gradient จะเพมอตราการแพร สารทละลายไขมนจะแพรผานไดโดยตรง เชน กาซ O2 CO2, N2 ,urea และ steroid เปนตน แตสารทมขวตองอาศยโปรตนขนสงชนด
การขนสงสารผานเยอหมเซลลโดยตรง หลกการและอตราเรวของการขนสงสาร 2 แบบ
1. ไมผานโปรตน (simple diffusion/passive transport) สารจะขนสงจากดานทมความเขมขนสงไปยงดานทมความเขมขนต า - อตราการขนสงขนกบความแตกตางของความเขมขนของสาร(Straight line, not exhibit saturation ) 2. ผานโปรตน (carrier mediated diffusion) โปรตนขนสงตองจ าเพาะกบสารทจะ
ขนสง -อตราการขนสง เปนแบบ Michaelis-Menten (Saturation/ rate limited, hyperbolic, Vmax,Km ขนกบ pH,Temp,Inhibitor)
- Facilitated transport (primary, secondary, active transport)
diffuse through down concentration gradient.
Steroids
(SIMPLE DIFFUSION )
CARRIER MEDIATED TRANSPORT
Charged polar molecules (ATP,AA ,G6P)
อตราการขนสงสารตางๆผานชนไขมนของเยอหมเซลล ขนกบขนาด โครงสรางและคณสมบตของการละลายของโมเลกล
Table 12-2 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
Some example of transporters
MEMBRANE TRANSPORT - To compare diffusion, and transport mediated by proteins transporters
อตราของการขนสงสารผานเยอหมเซลล การเปรยบเทยบอตราของการขนสงสารผานเยอหมเซลล แบบตางๆ Simple diffusion( passive transport )และ Transporter-mediated diffusion (Facilitated diffusion)ทมอตราท าใหเกดกราฟดงรป
Figure 11-8 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Numbers of solute and direction across membranes.
Active transport 1. PRIMARY ACTIVE TRANSPORT
Requires expenditure of cellular energy obtained
from breakdown of ATP, P type ATPase
2. SECONDARY ACTIVE TRANSPORT
• Cellular energy is not provided directly, but
indirectly from the Na gradient. Na pump use energy
of ATP to establish a Na gradient (Nai-low)
- Symporter/ CO-TRANSPORT –SGLT-1(intestine,kidney), SGLT-2 (kidney)
-Antiporter/ COUNTER-TRANSPORT-Na/Ca ,Na/H
Na/K- ATPase/Ca2+ - ATPase/ H/K ATPase
Figure 11-12 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Active transport
Example Form Stoichiometry I n Out Characteristics
Na+ ,K+ - ATPase 3Na+ :2K+ :ATP
electrogenic
Ca2+ - ATPase ER 2Ca2+ :2H+ :ATP
electrogenic
PM Ca2+ :2H+ :ATP
electroneutral
H+ , K+ - ATPase H+ :K+ :ATP
electroneutral
Ouabain
ATP
3Na+
2K+
ATP
Ca2+
2H+
2H+
Ca2+
ATP
OmeprazoleATP
H+
K+
- Molecular masses:
110 kd
35 kd
- Specifically inhibited by
vanadate, also Na+ ,
K+ - ATPase inhibited by
ouabain
- H+ ,K+ - ATPase inhibited
by omeprazole and SCH
28080
- ATP binds to - -subunit
- Phosphorylated inter-
mediates of- - subunit
P type ATPase
Primary active transport
• Class P (P type ATPase)
• E1,E2-ATPase, ATP (Asp-PO4)
• E1-phosphorylation
• E2-dephosphorylation
• E1- E2conformation change
• Vanadate (V) inhibit E1 E2
1. Na+/ K-- exchanging ATPase 3.6.1.37
Na+
1 b
p A p p
p p A p
K+
- Ouabain
Cardiac glycoside
120kDa 55kDa
เปนโปรตนทประกอบดวยหนวยยอยอลฟาและบตา(E1) ทดานไซโทพลาสซมหนวยยอยอลฟาจะเปนทจบของ Na และ PO4 (Asp) จาก ATP ท าใหโครงรปเปลยนแปลง(E2) Na 3 ion ถกปมออกดานนอกเซลล จากนน K ดานนอกเซลลจะเขามาจบพรอมกบPO4 หลดออก และK 2 ion ถกปมเขาเซลล
กลไกการขนสงผาน Na/K pump
การยบยง Na/K pump โดย ouabainซงจบ
ดานนอกของเยอหมเซลลเหมอนกบ K
poisoned by ouabain (active ingredient of poison arrow frogs) & other cardiac glycosides
Ouabain
-
Ouabain is a specific inhibitor of the Na/K-ATPase
Na,K-ATPase = Nai 1.
Nai = Na/Ca exchanger = Cai 2. 3. Cai = augment cardiac muscle contraction
2 K +
3 Na +
Ca
Na +
Ca
Cl -
Ca+2
-60 mV 0 mV S
1 PD
t – 3mV
BLM BBM
Blood Lumen
ER
Ca pump
Na/Ca exchanger
Cell
Na+
Glucose Na+
H+
Tight junction
Na pump
Ca
Na- pump in normal renal tubular cell
2 K +
3 Na +
Ca
Na +
Ca
-
-60 mV 0 mV
BLM BBM
Blood Lumen
Ca pump
Na/Ca exchanger
Cell
Na+
Glucose
Na+ H+
Tight junction
Na pump
Na+
Na+
K+
Loss of Na to urine ( U-Na)
Disrupted tight junction
Disrupted tight junction and polarity of renal tubular cell
P-Na
Calcium-ATPase
- Single polypeptide with transmembrane segment
- One molecule of ATP hydrolyzed, two molecule of
Ca are transported into the sarcoplasmic reticulum
or out of plasma membrane
- The mechanism for transport is similar to that
proposed for the sodium/potassium-ATPase
-In muscle cell, Cai initiates contraction.
-Conduction of an electrical impulse
down the axon of a nerve cell
ใยกลามเนอจะ ม muscle fiber cells ซงจะถกหอหมดวยเยอเซลลทเรยกวา sarcolemma ภายในเซลลจะมของเหลวภายในเซลลเทยบไดกบ cytoplasm เรยกวา sarcoplasm และมออรแกเนลลเปน sarcoplasmic reticulum (SR) ทเทยบไดกบ endoplasmic reticulum (ER) ทเยอหมของ SR มโปรตนขนสง Ca ท าหนาทควบคมแคลเซยมในเซลล 2 ชนด เปน Ca-ATPase ทขนสง Ca จาก sarcoplasm มาเกบท SR (uphill) และเปนชองทางโปรตน (calcium channel) ปลอยไอออนของแคลเซยมส sarcoplasm(downhill)
ใยกลามเนอ (myofibril )เปน contractile protein สามารถหดตวได
อาศย แคลเซยมภายใตการควบคมของโปรตนขนสง แคลเซยม
Ca จ าเปนตอการท างานของกลามเนอและถกควบคมโดย โปรตนขนสงหลายชนด Contraction and Relaxation in Smooth Muscle Cell
ในขณะ ท กล า ม เ น อคลายตวจะมระดบ Cai ใน sarcoplasm ต า เมอเกดการกระตนทกลามเนอจะท าให calcium channel ท SR เปดและปลอย Caทเกบมาส sarcoplasm เ ม อ ร ะ ด บ Caiส ง ข นmyosin (Thick filament) เกดปฏกรยากบ actin (Thin filament) เ กดเปน actomyosin ดงให actin เคลอนท เกดการหดตวของกลามเนอ
การคลายตวของกลามเนอเรมจาก การทมโมเลกลของ ATP มาจบกบหวของ myosin ท าใหหลดออกจากการยดเกาะกบสาย actin เคลอนกลบสสภาพเรมตน พรอมๆกบมการปมCaกลบเขาส SR ท าใหระดบ Caiใน sarcoplasm ลดต าลง ท าให myosin ไมสามารถจบกบ actin (Relaxation)
Figure 12-15 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
Ca2+ pump returns Ca2+ to the sarcoplasmic reticulum in a skeletal muscle cell
Ca2+
Ca2+ Ca Channel
Ca-PUMP Na
ATP K
ATP
ADP
Na+ Na+/Ca2+
EXCHANGER
Na
H CaA
Anions (A-)
Modulator protein
Target activity
ATP
ADP
MITOCHONDRION
Na+
Control of intracellular Ca
ER
Na- K,Pump
Na+/H+ Exchanger
H,K-ATPase (proton pump) / acid secretion -มโครงสรางและการท างานคลายกบ sodium pump ใช ATP(P-ATPase) -พบมากท apical membrane ของ parietal cell ของstomachและ intercalated cell ของDT/CDของไตท าหนาท Acid secretion/K reabsorption
Secretion of acidic gastric juice ความเปนกรดของ stomach lumen ตองสงตลอดเวลา หรอ ม H+ มากกวาในเซลลลานเทา
•required 4 transporters for maintain 0.1M HCl
in stomach lumen(pH 1) by parirtal cell(pH 7)
คอ 1. Cl--HCO3
- exchanger
2. Cl channel
3. K channel
4. H+/K pump
(omeprazole-inhibitor forgastric
andduodenal ulcers)
H/K ATPase,H/K PUMP
LUMEN pH=1
omeprazole
CYTOPLASM pH=7
Secondary active transport • The transport of two or more solutes is coupled. The same direction(cotransport/symport) Na+ - GLUCOSE CO-TRANSPORTER Na+ - AMINO ACID CO-TRANSPORTER
Opposite direction(exchanger/antiport) Na+-Ca2+ EXCHANGER Na+-H+ EXCHANGER Cl –HCO3 EXCHANGER • ATP provides the energy for transport indirectly
• Use energy of ion gradient to energize transport
• Na pump use energy of ATP to establish a Na gradient (Nai-low)
Na+-glucose symporter(cotransporter).
เปนการขนสง 2 Na จากความเขมขนสงไปดานในเซลลทมความเขมขนต า และ glucoseจากความเขมขนต าไปดานในเซลลทมความเขมขนสง โดยมต าแหนงจ าเพาะให Na/Glucose จบทดานนอกเยอหมเซลล และ จะเกดขนเมอ Na/K ATPase ปม Na ออกนอกเซลล เกด Na gradient (Nai ต า) การขนสงนทเยอบล าใส ยงท าใหน าถกพาเขาเซลลและเขาสเลอดตามซง เปนหลกการรกษาผทมภาวะทองเสยได(glucose rehydration therapy)
ตวอยางการขนสงของสารอาหาร(glucose)เขาสเซลลบผวของล าใส(polarlized cell) ทางดาน Apical/BBM ใช Sodium glucose cotransporter (SGLT-1 ) เปนแบบ secondary active transport จากนนจะมการขนสงglucose เขาสเลอดดาน BLM โดย glucose transporter (GLUT2) เปนแบบ uniporter และไมใชพลงงาน
0.5 mM
5 mM
Glucose transport from intestinal
lumen into the blood
Treating hyperglycemia with drugs that block renal glucose reabsorption via the SGLT2 transporter -Dapagliflozin increase
urinary glucose excretion in patients with type 2 diabetes
90%Glc reabsorption
Na+ K+ Na+
H+
K+
HCO-3 + H+
H2CO3
H2O + CO2
CA-IV
Na+ 3HCO3-
3
Cl- HCO-
3
CO2 + H2O
CA-II
Transporters-Bicarbonate reabsorption ในเซลลบทอไตสวนตนเขาสเลอด
เยอหมเซลล (plasma membrane) จะมชองทางโปรตน ส าหรบขนสงไอออนทจ าเพาะ เชน Na channel , Ca channel และ K channel และ เปนตน ซงเปนการขนสงโดยไมใชพลงงานจากระดบทมความเขมขนสงไปยงความเขมขนต า และยงม Na,K pump และ Ca pump ท าให มปรมาณไอออนภายในเซลลและภายนอกเซลลทเหมาะสม อยตลอดเวลา ท าใหเซลลท างานได
ชองทางโปรตนทเยอหมเซลล Channel proteins
คณสมบตของชองทางโปรตนทเยอหมเซลล
Features all channels have in common: 1.They are non-saturable 2.They are passive: ions move down their electrochemical gradient 3.They are regulated by opening and closing. 4.ligand-gated channels open/close when bind specific chemicals 5.stress-activated channels open/close in response to mechanical stimuli 6.voltage-gated channels open/close in response to changes in electrical potential
บทบาทของ Ion-channel-linked receptor ทเซลลของระบบประสาทม transmitter-gate ion channel เปนโปรตน receptor ท าหนาทสงผานสญญาณเคม ผานสารสอประสาท (neurotransmitter) ใหเคลอนไปตามเอกซอน (exon) กอนทสญญาณนนจะถกเปลยนใหมาอยในรปสญญาณทางไฟฟา ซงกจะอยในรปของการเปลยนแปลงความตางศกยผานเยอหมเซลลในเซลลเปาหมาย เมอสอสญญาณประสาทจบกบโปรตน receptor กจะเกดการกระตนใหมการ ปด-เปด ของชองส าหรบไอออนอสระแตละชนดเชน Na+, K+, Ca2+ หรอ Cl- ใหสามารถผานเยอหมเซลล ไอออนอสระเหลานจะท าใหเกด electrochemical gradient และการเปลยนแปลงความตางศกยของเยอหมเซลล เชน การเปดของ Ca2+ channel ท าใหมการไหลของ Ca2+ เขาสไซโตพลาสซมมากขน ซงการเพมขนของ Ca2+ อสระกจะมบทบาทหลายอยางตอเซลล เชนมผลตอการเปลยนแปลงของ enzyme activity ,contaction
การสอสารผานเซลลประสาท
• ในการสอสารผานเซลลประสาทนนขอมลจะถกสงผานจากเซลลหนงไปสอกเซลลหนงในลกษณะ
ทรวดเรวมาก ทนททมการกระตนจากสญญาณภายนอกหรอจากเซลลประสาทอนๆ เซลล
ประสาททรบสญญาณนนกจะสงสญญาณกระแสไฟฟาไปตาม axon เมอสญญาณถง axon terminal กระแสไฟฟาทมาในเซลลจะถกเปลยนไปในรปแบบของสญญาณทางเคม
(chemical signaling molecules) เรยกวา neurotransmitter เชน gluatamate หรอ acetylcholine ซง neurotransmitter เหลาน สามารถทจะแพรผานsynapse ระหวาง axon terminal เขาสเซลลเปาหมายดวยความเรวทสงมากซงนอยกวาเศษเสยวของวนาท
Figure 11-28 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Nerve cell or neuron
เซลลประสาทไวตอการเรา ส ำหรบเยอหมตวเซลลประสำท
และเสนใยประสำทรวมทงแอกซอน จะมโปรตนขนสงไอออน
โดยเฉพำะSodium - potassium pump จะเปนตวรกษำใหเซลลประสำทและแอกซอนมควำมตำงศกยไฟฟำเกดขนระหวำงภำยในและ
ภำยนอกเซลล ท ำใหเยอหมแอกซอนและเซลลจะอยในภำวะมประจ
(polarization) เสมอ โดยดำนภำยในเซลลหรอแอกซอนจะเปนลบและม K ionมำกกวำดำนนอก20-30เทำ และดำนภำยนอกเซลลจะเปน
บวกม Na ionมำกกวำในเซลล 10 เทำ และเยอหมเซลลยงมชองไอออนชนดเปด (open channel) ทยอมใหไอออนตำงๆผำนเขำออกไดตลอดเวลำ และชองไอออนทจะเปดกตอเมอมสงกระตน (gated channel) เชน ควำมตำงศกยทเปลยนไป หรอสำรเคมและ สำรสอประสำท
Excitable cell
กระแสประสาทจะเกดขนเมอศกยไฟฟาของเยอหมเซลลหรอแอกซอนเปลยนไป ซงจะควบคมโดยชองไอออนตางๆนนเอง คอ ในภาวะปกตเซลลประสาทจะรกษาศกยไฟฟาใหดานในของเยอหมเซลลใหเปนลบเสมอ ประมาณ -70 mV โดยอาศย Sodium - potassium pump และ Na channel
เมอมการกระตนเกดขน gated channel จะเปดและยอมให Na ionsไหลเขาภายในอยางมากมาย ท าใหความตางศกยไฟฟาของเยอเซลลเปนลบนอยลง เรยกdepolarizationซงจะไปกระตนให gated channel ของชวงถดไปบนแขนแอกซอนเปด Na ionsจงเขาสแอกซอน ตามมาดวยการเปดของ K channel ท าให K ions ภายในเซลลออกสภายนอก ท าใหภายในเซลลกลบเปนลบเหมอนเดม เพอรกษาสภาวะศกยไฟฟา (repolarization) บรเวณจดแรกจงกลบคนสสภาวะปกต ในขณะทจดถดไปจะเกดภาวะ depolarization และจะเปนลกคลนเชนนตอเนองกนแบบลกโซไปเรอยๆ จนถงปลายแอกซอนเพอสงสญญาณประสาทใหเซลลประสาทตวถดไปหรอกลามเนอเปาหมาย
กลไกการสรางกระแสประสาท
Resting potential Sodium gates closed
Voltage = -70 mV
Depolarization phase
Sodium gates open Voltage = +40 mV
Repolarization phase Potassium gates open
Voltage = -80 mV
+ + + + + + + - - - - - - - - -
- - - - - - - - - + + + + + + +
+ + + + + + + - - - - - - - - -
Time 1
Time 2
Time 3
Formation of an action potential
•TTx is neurotoxins(skin,liver and intestine) and Na
channels antagonist. The flow of Na ions into nerve cell is a
necessary step in the conduction of nerve impulses in
excitable nerve fiber and axons.Normal axon cells have high
K and low Na. Stimulation of exon results in an action
potential which arises from a flow of Na into the cell and
generation of a positive membrane potential(depolarization).
Inhibitor of protein transporters
- Tetradotoxin:TTx (puffer fish)
TTx binds voltage sensitive Na channels and blocks
these tiny pores. Then it prevents any signalling in the
neuron system (no depolarization and repolarization).
The result is rapid muscle paralysis, respiratory arrest Possibly death
4.บอกหลกการขนสงสารทส าคญ
แบบไมทะลผานชนไขมนโดยตรง
(Bulk transport)ของเยอหม
เซลลโดยตรงได
วตถประสงค
การขนสงสารทมขนาดใหญผานเยอหมเซลล
กระบวนการน าสารทมโมเลกลขนาดใหญเขาสเซลล เชน กรดนวคลอก โปรตน ไลโพโปรตน พอลแซกคารไรด หรอการน าเขาสเซลลหรอออกจากเซลลประเภทอนภาคใหญอนๆ เชน เชอแบคทเรย ไวรส ซงมขนาดใหญเกนกวาทจะผานชองทางตางๆบนเยอหมเซลลตองอาศยกระบวนการพเศษเรยกวา
endocytosis (การน าสารเขาเซลลทบรเวณเยอหมเซลลสวนมากจะมการหดตวหรอพบเปนถง เรยกvesicle เขาสภายในเซลล)
และ exocytosis (เปนการขนสงสารออกจากเซลล สวนมากสารทจะหลงออกจะถกเกบไวในถงเรยก vesicle เมอเกดการกระตน vesicles นจะรวมตวโดย fusion กบเยอหมเซลล และหลงสารใน นน ๆ ออกมาภายนอกเซลล)
Na
การขนสงสารทไมผานเยอหมเซลลโดยตรง (vesicular traffic) 1.Endocytosis การน าสารเขาเซลลทบรเวณเยอหมเซลลสวนมากจะมการหดตวหรอพบเปนถง (vesicle) เขาสภายในเซลล ก.Phagocytosis (cell eating) การน าสารขนาดใหญ หรอแบคทเรยเขาเซลล ข. Pinoctosis (cell drinking) การน าสารขนาดเลกในสารละลายเขาเซลล หรอการขนสงสารจากเลอดเขาสเซลลปอด ค.Receptor-mediated endocytosis การน าสาร เขามาในเซลลโดยทสารนนตองจบกบ Receptor ทจ าเพาะ เชน บรเวณ coated pit ทม โปรตน calthrin รองรบของ LDL receptorทหว าในเยอหมเซลล เมอจบกบ LDL จะเกดcoated vesicle น าLDL เขาสเซลล 2. Exocytosis เปนการขนสงสารออกจากเซลล ม ความส าคญตอการหลงสารสอประสาทและสารจ าพวกโปรตน สวนมากสารทจะถกหลงจะถกเกบไวในถงเรยก vesicle เมอเกดการกระตน vesicles นจะรวมตว (fusion) กบเยอหมเซลล และหลงสารใน นน ๆ ออกมาภายนอกเซลล
1.การขนสงสารทไมผานเยอหมเซลลโดยตรง(vesicular traffic)
1.Endocytosis คอการน าสารเขาเซลลทบรเวณเยอหม
เซลลจะมการหดตว หอหรอพบ
เปนถง(vesicle)รวบสารเขาส
ภายในเซลล ม3วธ
A. Phagocytosis (cell eating)
เปนการน าสารขนาดใหญ หรอการโอบรวบแบคทเรยเขาเซลลเกดเปน vacuole หรอ phagosome จากนนจะรวมตวกบ lysosome ซงจะถกยอยสลายดวยเอนไซมตอไป
B. Receptor-mediated endocytosis เปนการน าสาร(ligand)เขามาในเซลลโดยทสารนนตองจบกบโปรตนทจ าเพาะ (Receptor )บรเวณชนของเมมเบรนทมการจดตวพเศษเรยก coated pit ตวอยาง เชนโปรตน calthrin รองรบ LDL receptor ทหว าเขาในเยอหมเซลล เมอจบกบ LDL จะเปลยนเปน coated vesicle น าLDL เขาสเซลล
2. Exocytosis and Exosome เปนการขนสงสารออกจากเซลลเขาสกระแสเลอดหรอเขาส tubular lumen ปจจบนใชเปน biomarker ของโรคมะเรงและโรคอนๆ เชน การหลงสารสอประสาท miRNAและ secretary proteins สวนมากสารทจะถกหลงจะถกเกบไวในถงเรยก vesicle เมอเกดการกระตน microvesicles นจะรวมตว (fusion) กบเยอหมเซลล และหลงสารทบรรจในถง นน ๆ ออกมาภายนอกเซลล
PUMP 1. 3Na-2K-ATPase 2. Ca2-ATPase 3. 3H+-ATPase 4. H+-K+-ATPase
ANTIPORT 1. Na-H+
2. Na+-NH4+
3. Na+-Ca2+ 4. Cl--HCO3
- SYMPORT 1. Na+-Glc 2. Na+-AA 3. 2Na-HPO4
2- 4. Na+-3HCO3
- 5. Na+-2Cl--K+
CHANNEL 1. Na+ 2. K+ 3. Cl- 4. Ca2+
UNIPORTER 1. GLUCOSE 2. AMINO ACID 3. PYRUVATE 4. CARNITINE
CONCLUSION
วตถประสงค
1. ความผดปกตทเยอหมเซลลเนองมาจากพนธกรรม (genetic) Hereditary spherocytosis (HS) เกดเนองจากม
ปรมาณของspectrin นอยกวาปกต และอาจเหลอเพยงรอยละ 50 หรอมความผดปกตของโมเลกลalpha spectrin ท าใหโปรตน 4.1 ไมสามารถเกาะกบ spectrin ได ท าใหโครงเซลลของเมดเลอดแดงผดปกต เกาะเกยวกบยอหมเซลลไมเหมอนเดม สงผลใหเปลยนจากรปรางเวาคลายจานมาเปนเมดเลอดแดงทปองกลม (spherocyte)
ขนาดเลก สงผลความสามารถในการเปลยนรปราง (deformability) เมอเคลอนไปตามเสนเลอดฝอยลดลง และแตกไดงายกวาเมดเลอดแดง ปกต ถกท าลายโดยมาม เมอเกดเปนระยะเวลานาน ๆ จะท าใหเกด ภาวะเลอดจางและดซาน (Jaundice)
ความผดปกตทเยอหมเซลลทเกดขนภายหลง (acquired) พยาธสภาพของโรคอนๆ หลายชนดท าใหเกดมความผดปกตของเยอหมเซลล และเกดโรคเลอดจางจากการแตกท าลายของเมดเลอดแดงตามมา ก. Spur cell anemia ในผปวยโรคตบเรอรง จะท าใหสดสวนของ โคเลสเตอรอลตอฟอสโฟลพด ในผนlipid bilayer ของเยอหมเซลลของเมด เลอดแดงเพมสงขน ลดความเหลวและลดการเคลอนทของสวนประกอบ ของเยอหมเซลล การเคลอนไหวของเซลลจะชาลง ข. Sickle cell anemia และ Thalassemia พบในผปวยทม ฮโมโกลบนผดปกตโดยเฉพาะ HbS และ thalassemia โดยปกตฮโมโกลบน จะจบกบโปรตนแกนทแทรกอยใน lipid bilayer ของเยอหมเซลล เมอโครงสรางของฮโมโกลบนผดปกต สงผลใหเกดความผดปกตทเยอหมเซลล และรปรางของเยอหมเซลลของเมดเลอดแดงเปลยนแปลงไปเกดเมดเลอดแดง ทมลกษณะผดปกต เชน พบเมดเลอดแดงรปเคยว (sickle cell)
ความผดปกตขององคประกอบของเยอหมเซลลของ
เมดเลอดแดงและ Hemolysis of RBC
• ความผดปกตทเยอหมเซลลเนองมาจากพนธกรรม •Genetic disorder (spherocytosis)
• ความผดปกตทเยอหมเซลลทเกดขนภายหลง (Acquired
disorder )
(โรคตดเชอ, โรคตบ และการไดรบสารพษ)
Channel gene defects (channelopathies)
K - Episodic ataxia
- Bartter syndrome
Na - Long QT syndrome 1,2
- Long QY syndrome 3
- Brugada syndrome
Ca - Hypokalemic periodic paralysis
Cl - Cystic fibrosis
- Dent’s disease
Transporter gene defects
- Cystinuria
- Glycosuria
• Ouabain like substrance inhibit
Na pump in
- Hypertension, DM
- Renal failure
• neurotoxins act on Na channels
- Tetradotoxin (puffer fish)
Inhibitor of protein transporters
and diseases
RTA = hyperchloremic metabolic acidosis
• Aldosterone deficiency
• Abnormal anion exchange
• Defective of H/K-ATPase (hypokalemic dRTA)
• Defective of H-ATPase tubular reabsorption of HCO3
-
• NH4+ excretion ลดลง เพราะขาด H
ทจะจบ NH3 ใน CT
CA II
H+
H2O
HCO3-
CO2
Cl-
K
+
+ HCO3-
KCl
K
H
H+
BLMBBM
Furosemide = loop diuretic
NaCA
H+
H2O
HCO3-
HCO3-
Na
CO2 Na
KNaKCl
Ca
BloodLumen
TALH
H+
• ยบยง Na-K-Cl cotransport ท าใหลด potential different
• ยบยงการดดกลบของ Ca ผาน Ca channel
• เพม U-Ca, Mg, Na, K, Cl
• ลด osmolarity ของ Interstitial fluid
Hypercalciuria
Thiazide (hydrochlorothaizide))
CaNa
Na
KNa
Cl
Ca
BloodLumen
DCT
Ca
Ca
PTH
• ยบยง Na/Cl cotransporter ท าให Cl-
ลดลง DCT มประจ+
• เพมการดดกลบของ Ca ท DCT ผาน Ca channel
• ใชรกษาภาวะ hypercalciuria และเบาจด
• Toxicity -hypokalemia, hyperuricemia
Hypercalciuria
ATPase หรอปมชนดใดทพบดาน BLM ของเซลลหลอดฝอยไตในสภาวะปกต
1. H+, ATPase 2. H+,K ATPase 3. Ca2+ ATPase 4. Na+, K+ ATPase 5. ขอ 3 และ 4
Figure 11-26 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Figure 12-3 Essential Cell Biology (© Garland Science 2010)
Figure 11-23a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
การแพรของน าผานชนไขมนของเยอหมเซลลและผาน Aquaporins protein (Peter Agre ,2003)
AQP-โครงสรางเปน transmembrane proteins (28 KD) ทมารวมตวกนแลวประกอบเปนรหรอชองทางทแคบ ลกษณะของโปรตนม 6 domains แบงครงได 2 สวน แตละสวนม 3 domains ม sequences คลายกน แตล าดบกลบกน และมประจ บวก ตรงกลางชองทาง ใหน าผานแตไมใหอออนอนผาน
AQP-เปน facilitate transcellular water movement ทมความส าคญตอสวนตางๆของหนวยไต (nephron) ยกเวน asending thin limbs and thick limbs เทานน
ท collecting duct ของ nephrone พบทง AQP-2 ดาน BBM และ AQP-3,4 ดาน BLM การทเซลลม AQP ท าใหน าเขาออกจากเซลลไดเรว ปองกนไมใหเกด dehydration ขนโดยการดดกลบของน าเขาสเซลลและออกจากเซลล ซงควบคมโดย vasopressin ถาขาดหรอมโปรตนตวรบบกพรอง AQP-2 ท างานไมได สญเสยน าออกทางปสสาวะมาก เกด Diabetes insipidus
Na
Water channel พบวา โมเลกลของน ายงสามารถผานเขาออกเซลล โดยอาศยโปรตนขนสงทมน าหนกโมเลกล 28000 ดาลตน ชอ Aquaporins Aquaporins จดเปน water channels ทอยบนเยอหมเซลล (cell membrane) ทควบคมการผานของน าเขาและออกจากเซลลของสงมชวตทกชนด ทงแบคทเรย พช และสตว โปรตนนคนพบโดยศาสตราจารยนายแพทย Peter Agre จาก Johns Hopkins University School of Medicine ในป ค. ศ. 1991 การคนพบนท าใหเขาไดรบรางวลโนเบล ลกษณะโครงสรางแบบปฐมภมของ Aquaporins เปน transmembrane proteins ซงมจ านวน 6 domains ทมารวมตวแลวประกอบกนเปนร (pore) ใหน าผาน ลกษณะของ Transmembrane proteins สามารถถกแบงครงไดเปน 2 สวน โดยแตละสวน (ม 3 domains) จะม Sequences ทคลายกนแตล าดบจะกลบกน (Inverted relative sequences) ท าใหเกดชองทางทแคบและมประจบวกตรงกลางชองทาง
CELL
Monocarboxylates
LUMEN INTERSTITIUM
K +
ATP K +
Na +
Cl -
HCO 3 -
3HCO 3 -
Na +
Hexose Amino acids] n [ Sulfate -
Oxalate -
Na +
Dicarboxylates Hydrophobic- monocarboxylates (PAH) X
Ca 2 + ATP
K +
H +
K +
ATP
Na +
H +
Na +
Hexose Na +
Amino acids n Na +
Sulfate Na +
Dicarboxylates PAH
X Na +
Na +
Phosphate Ca +
[ ]
Ca 2 +
Na
Na +
Cl - Cl -
T E C /TRANSPORTERS
•neurotoxins act on Na channels
Inhibitor of protein transporters - Tetradotoxin (puffer fish)
Tetradotoxin binds voltage sensitive Na channels and blocks tiny pores.Then it prevents any signalling in the neuron system. The result is rapid muscle paralysis, respiratory arrest Possibly death
top related