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!


 

01. 19722Singer & 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)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。

圖片來源:


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)


 

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:PCPEPIPS

  (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。


 

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。



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



 

05. Frye and Edidin1970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)37℃時,五分鐘後細胞膜上的顏色抗體開始混合。

(5)四十分鐘後細胞膜上的顏色抗體完全混合。

如果實驗溫度降低,則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)



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。


 

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


 

08. 1972Singer & 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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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)


 

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



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。

 



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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我曾任教於陽明大學,是一名教生命科學教了快三十年的老師,許多內容,班班相同,年年流轉,教了快三十年早已深植腦海中。約8年前因病退出教壇後,發現有些生命科學的事已開始逐漸慢慢淡忘了,不由得想起麥克阿瑟將軍(General MacArthur)的名言“Old soldier never die, they just fade away.”目前唯一沒變的是對生命科學的喜好與熱誠,有靈感時塗塗鴉一些心得和網友們分享 這是Blogger的緣起。

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