1、CH3 細胞膜的構造與功能(Membrane Structure and Function)植物系 陳益明老師2002.09.22CH3 細胞膜的構造與功能 一、一、細胞膜的構造細胞膜的構造1.細胞膜是由脂類、蛋白質及醣類三者組成分所組成(Fig.8.2)。2.細胞膜是由雙層原生質膜(two-layer plasma membrane)構成，它的細微構造可利用冰凍裂解與冰凍蝕刻(Freeze-fracture andFreeze-etch method)處理再以EM觀察(Fig.8.3)。CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 一、一、細胞膜的構造細胞膜的構造 3.細胞膜是流體
2、(fluid)：原生質膜在逆境下轉變成硬化(solidifies)膜系的通透性(permeability)會改變，它的酵素蛋白質會變成沒活性。4.細胞膜的醣類(carbohydrates)在細胞與細胞之間的辨認(cell-cell recognition)是很重要的。5.脂類：細胞膜之脂類是雙層(bilayer)；由磷脂類、膽固醇等所組成(Fig.8-2，8-3及8-4)。CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 一、一、細胞膜的構造細胞膜的構造6.膜蛋白(membrane proteins)：可分為嵌入蛋白(integral proteins)及周邊
3、蛋白(peripheral proteins)二類(Fig.8-6)。當兩種不同的動物細胞混合時，兩種膜系蛋白質會互相混合(intermingle)，形成雜合細胞(hybrid cell)(Fig.8-5)。CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 二、二、細胞膜的功能細胞膜的功能 (membrane functions)1.細胞膜的構造組成形成選擇性通透膜(selective permeability)。2.原生質膜是具有內外之方位(sideness)(Fig.8.3及8.8)。CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 二、二、細胞膜的
4、功能細胞膜的功能(membrane functions)3.細胞膜蛋白的功能：(1)物質進出細胞之調控。(2)細胞膜上有接受蛋白(recerptor proteins)能接收各項環境或荷爾蒙等訊息，引發細胞的反應(Fig.11-5)。(3)物質的運輸：運輸蛋白(transport proteins)(Fig.8-7)。通道蛋白(channel proteins)。4.細胞間的黏著及辨識等：尤其膜系上的醣類(oligosaccharides)(原生質膜外側上的寡醣)當作細胞的標誌(marker)及互相辨識。CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 三、被動運輸三、被動運輸(pass
5、ive transport)：A.以擴散(diffusion)原理通過細胞膜(Fig.8.10)。B.水的被動運輸：滲透(osmosis)(Fig.8.11)CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 三、被動運輸三、被動運輸(passive transport)：C.活細胞內水的平衡(Fig.8-12)高張溶液(hypertonic solution)低張溶液(hypotonic solution)等張溶液(isotonic solution)CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 三、被動運輸三、被動運輸(passive transp
6、ort)：D.促進擴散作用(faciliated diffusion)：膜系上的特殊蛋白質可加速特定溶質之被動運輸之速率(Fig.8.1，Fig.8-14)。CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 四、自動運輸四、自動運輸(active transport)A.藉運輸蛋白及消耗能量ATP下，逆濃度及電位等差異(electrochemical gradient)而運輸(Fig.8.16)。例如紅血球K+及Na+之交換為例(Fig.8.15)。在Na+-K+pump過程中，每2個K+離子幫浦進入細胞膜時會帶送出3個Na+離子。CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能
7、CH3 細胞膜的構造與功能 四、自動運輸四、自動運輸(active transport)B.產生電的幫浦(electrogenic pump)：H+通過細胞膜需藉由“proton pump”來“幫浦”而產生電化學梯度(eletrochemical gradient)，在此過程中需消耗ATP，最後膜的兩側產生電荷及H+的等差(Fig.8.17)。CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 四、自動運輸四、自動運輸(active transport)C.主動運輸之型式：1.單向運輸(unitransport)(Fig.8.16)。2.協同運輸(cotransport或symtransp
8、ort)(Fig.8.18)。3.反向運輸(antitransport)。CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 五、開啟細胞電生理的新紀元五、開啟細胞電生理的新紀元A.奈爾(Erwin Neher)及沙克曼(Berf Sakmann)首創膜片箝制術(patch-clamping)，開啟細胞電生理的新紀元，於1991年獲Nobel生理醫學 獎(參考科學月刊1991年11月份)(P.761)(Fig.36.14)。CH3 細胞膜的構造與功能 五、開啟細胞電生理的新紀元五、開啟細胞電生理的新紀元 B.藉此技術：1.可瞭解離子如何進入細胞。2.利用單一細胞從事電生理研究。3.幫助瞭解
9、疾病的成因。CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 六、大分子的運輸六、大分子的運輸(transport large molecules)：大分子的運輸藉由細胞外泌(exocytosis)及內吞作用(endocytosis)（Fig.8.10）。A.細胞外分泌或反胞飲作用：藉細胞液胞和細 胞膜融合而將大分子排到細胞外之過程。CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 B.內吞作用可分為三大類：1.吞噬作用(phagocytosis)。2.胞飲作用(pinocytosis)。3.接受物質媒介之內吞作用(receptor-mediated endocytosis)六、大
10、分子的運輸六、大分子的運輸(transport large molecules)：CH3 細胞膜的構造與功能 3.接受物質媒介之內吞作用(receptor-mediated endocytosis)：在細胞膜上有特定的蛋白質，能對細胞內某些物質做專一性的接合，以膽固醇為例，在細胞膜上的接受分子(receptor)是clathrin，而膽固醇在血液中的運輸是以“low-density lipoproteins，簡稱為LDLs”的小顆粒形式，此小顆粒能與clathrin接合後，而進入細胞(Fig.8-19)。六、大分子的運輸六、大分子的運輸(transport large molecules)：C
11、H3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 六、大分子的運輸六、大分子的運輸(transport large molecules)：家族性的膽固醇血症(Hypercholesterolemia)，是一種人類的遺傳性疾病，患者的血液中含有高量的膽固醇，此乃因他的血液中缺乏clathrin，因此LDLs粒子不能進入細胞，造成膽固醇大量累積在血液中。CH3 細胞膜的構造與功能 七、膜系上的特殊蛋白扮演接受細胞七、膜系上的特殊蛋白扮演接受細胞外的信息並傳送到細胞內外的信息並傳送到細胞內 A.膜系蛋白扮演信息傳遞之功能。1.一級信息(first messenger)，如荷爾蒙、光及各種生物性或
12、非生物性所引起的刺激等 (Fig.11.15及11.18)。2.二級信息(second messenger)，如G-protein(Fig.11.7)，cyclic AMP(Fig.11.12)。CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 Fig11.12CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 CH3 細胞膜的構造與功能 七、膜系上的特殊蛋白扮演接受細胞七、膜系上的特殊蛋白扮演接受細胞外的信息並傳送到細胞內外的信息並傳送到細胞內B.以肝醣分解作用(glycogenolysis)為例：1.1930年代柯里(Cori)：肝醣分解機理，1947
13、 年榮獲Nobel 生理醫學獎。2.1971年邵斯蘭(Southland)：發現腎上腺素必須先在膜上作用，活化AMP環(adenylate cyclase)，再將ATP轉換成cyclic AMP，簡稱cAMP（1971年榮獲Nobel 生理醫學獎）。CH3 細胞膜的構造與功能 七、膜系上的特殊蛋白扮演接受細胞七、膜系上的特殊蛋白扮演接受細胞外的信息並傳送到細胞內外的信息並傳送到細胞內B.以肝醣分解作用(glycogenolysis)為例：3.1992年克列氏(Krebs)及費希爾(Fisher)證明cAMP需經過一連串蛋白質磷酸化(phosphorylation)，才能使一個訊號(signal)一級級放大。蛋白質磷酸化為細胞內一個重要的調控機制，成為當代生物醫學研究的重點(1992年Nobel 生理醫學獎)。CH3 細胞膜的構造與功能 八、參考資料八、參考資料1.Compbell,NA and Reece,JB(2002)Biology(6th.ed.)Chap.8.Membrane structure and function p.138-154.2.科學月刊(1991).22卷11期 揭開細胞離子管道的祕密-1991年諾貝爾生理醫學獎簡p.809-812.
