สรรีวิทยาเยื่อเซลล

Membrane PhysiologyPlasma membrane กัน้ระหวาง สิ่งแวดลอมภายในเซลลและ

ภายนอกเซลล

Plasma membrane

1. 1.1 tail, Lipid bilayer, hydrophilic part 1.2 head-phospholipid, hydrophilic part (ECF และ ICF)

2. Peripheral membrane protein

3. Integral membrane protein

4. glycoprotein, glyco-oligosaccharide; signal sensor

5. cholesterol

Cholesterol, stabilizing component ของ lipid membrane

Phosphatidylcholine เปน phosphoglyceride

1. polar part; phosphate group

2. Nonpolar tails; unsaturated fatty acid

2.1 double bond, bend- rigid

2.2 roational mobility paryCholesterol; partially immibilizing their

fatty acid chains

1. Membrane less fluid

2. Mechanically stronger

Singer-Nicolson fluid mosaic model

1. Proteins with polar and nonpolarsegment

1. พาสซีฟทรานสปอรต (Passive transport)1. การแพรแบบธรรมดา (Simple diffusion)2. การแพรแบบฟาซิลิเทต (Facilitated diffusion)3. ออสโมซิส (Osmosis) –water diffusion

2. แอกทีฟทรานสปอรต (Active transport)1. primary active transport2. secondary active transport

3. การขนสงโดยการสรางถุงจากเยื่อเซลล (Bulk transport)1. แอกโซไซโทซิส (Exocytosis)2. เอนโดไซโทซิส (Endocytosis)

2.1 ฟาโกไซโทซิส (Phagocytosis)2.2 พิโนไซโทซิส (Pinocytosis)2.3 การนําสารเขาสูเซลลโดยอาศัยตัวรับ (Receptor-mediated-

endocytosis)

1.การขนสงผานเยื่อเซลลMembrane transport

1. Passive transport1.1 การแพร (Diffusion)1.1.1 การแพรแบบธรรมดา (Simple diffusion) กฎการแพรของฟกค (Fick’s first law of diffusion)

J = - DA dc/dx

โดย J = อัตราการแพรสุทธิของสาร (net rate of diffusion) หนวย: โมลตอวินาที (mole/second)

- = direction of diffusion

(ทิศทางการแพรของสารเกิดในทิศทางทีค่วามเขมขนลดลง)

Diffusion

A = cross-sectional area through which solute diffuses; Cm2

พื้นทีห่นาตดัที่สารแพรผาน Dc = concentration gradient; mole/cm3

ความแตกตางของความเขมขนของสารdx =distance through which solute diffuses; cmระยะทางที่สารแพรผาน

D = (diffusion coefficient); cm2/sec (สมัประสิทธิ์การแพรของสาร)

- 1. MW;1.1 gas

- D α 1/MW1/3- D α 1/MW1/2 (MW < 300)

1.2 solution- D α 1/MW

- 2. Temp.- D α T

- 3. Viscosity- D α 1/V

เมื่อประยุกตใชกับเยื่อเซลล:- J = - PA dc; mole/secที่มาของสูตรJ = - D'A dc/dx

โดย D' = Dβ (diffusion coefficient in membrane)

เมื่อ D = diffusion coefficient in solution; cm2/sec

β = partition coefficient= อัตราสวนระหวางการละลายไดในไขมัน (solubility in lipid bi-

layer) ตอการละลายไดในน้ํา (solubility in water)dimensionless; ไมมีหนวย

dx = x = membrane thickness (cm)

ดังนั้น J = (Dβ/x) A dc

โดย (Dβ/x) คือคา P (Permeability coefficient); cm/secคา P มักไมเปลี่ยนแปลง บางครั้งจึงเรียกคานี้วา “Permeability constant”บางตําราใชแทนดวย KP

1.1.2 การแพรแบบฟาซิลิเทต (Facilitated diffusion)- คลาย simple diffusion แตตองอาศัย

(a). a channel protein ฟอรม water-filled pore สําหรับ ion diffusion

(b). carrier protein (permease) –conformation change เปด binding site สําหรับ solute

ภาพซายและกลาง; facilitated diffusion (passive transport)

- chemical gradients movement

ภาพขวา; primary active transport

- against chemical gradient

carrier protein มีการขนสงสารหลายรูปแบบ :-

1. unipolar

2. symporter

3. antiporter

1, 2 และ 3 เปน facilitated transport

2 และ 3 เปน coupled transport

1. Specificity

- Glucose transporter ของ RBC ขนสงจาํเพาะ D-glucose; 2-deoxy-D-glucose; D-manose

2. Saturation

- carrier มีจํานวนจํากัด

X =width of cell membrane (cm)

C= concentration of diffusing molecule (mol/cm3)

K = constant determining speed of saturation (mol/cm4)

V max =saturation constant (mol/cm3/sec)

1.1.3 ออสโมซสิ (Osmosis)

สมการของ Van't Hoff (Van't Hoff’s Equation)

¶ = RTic

¶ = osmotic pressure (atmosphere); 0oC = 273.15 KR= molar gas constant (0.082 L.atm.oK-1.mole-1)T = absolute temperature (oK)i = total dissociable particlesc = molal concentration (moles/L H2O)

¶ = RTøicØ = osmotic coefficientøic = osmolar concentration = osmolarity = osmotically effective concentration

1342.01.01Lactose1342.01.01Maltose1342.01.02Sucrose1180.01.01Glucose2120.00.58MgSO4

3174.00.74K2SO4

3142.00.74Na2SO4

395.20.89MgCl2

3111.00.86CaCl2

2136.00.87KH2PO4

297.20.91KSCN285.00.90NaNO3

284.00.96NaHCO3

253.50.92NH4Cl236.60.95HCl274.60.92KCl258.50.93NaCliMWøSubstances

การคํานวณ osmotic pressure และ osmolarity

1. คํานวณคา osmotic pressure ที ่0OC ของ NaCl solution 154 mM

(คําตอบ 6.42 atm)

2. คํานวณคา osmolarity ของสารละลายนี้(คําตอบ 0.286 osmole/L = 286 mosmolar)

Osmolarity และ Tonicity แตกตางกันอยางไร

มีความสาํคัญตอการดํารงชีวิตของเซลลสัตวอยางไร

Osmolarity เกี่ยวของกับการเคลื่อนที่ผานเยือ่เซลลของน้าํเทานั้น

ซึ่งเปนหนวยที่คาํนงึถงึคณุสมบัติของสารละลายในแงการใหแรงดันออสโมติก

-สารละลาย ก และ ข มคีา osmotic pressure เหมอืนกัน กลาวา สารละลาย ก isosmotic ตอสารละลาย ข

-สารละลาย ก มีคา osmotic pressure นอยกวาสารละลาย ข กลาววา สารละลาย ก hypoosmotic ตอสารละลาย ข

-สารละลาย ก มีคา osmotic pressure สูงกวาสารละลาย ข กลาววา สารละลาย ก hyperosmotic ตอสารละลาย ข

Molarity และ Equivalence แตกตางกนัอยางไร

[ตย. NaCl 9 กรัม (MW=58.4) มีความเขมขนคิดเปน molarity เทากับเทาใด]

mole ของ NaCl = (9/58.4) = 0.154 mole

Molality ของ NaCl = 154 mmole/0.9 Kg-H2O)= 171 mmole/1Kg-H2O

Molarity ของ NaCl = (9/58.4) = 0.154 mole = 154 mmole/1 L-H2O

โดยทัว่ไปถาสารนั้นละลายในน้าํคาทัง้สองหนวยจะไมตางกนัมาก แตถาอยูในสารละลายอืน่ เชน พลาสมาซึง่มีน้ําเปนสวนประกอบ 90 % พบวาการรายงานเปน molality จะไดคาสงูกวา molarity เล็กนอย

Equivalent ของ Na+1Cl-1 = 2 x 154 = 308 mEq/1L-H2O

Osmolarity ของ NaCl = 0.93 x 2 x 154 = 286.44 mOsmole/L

+

ตารางที่ 1 ปริมาณของ Cations และ Anions ในสารน้าํของรางกาย (Rose BD. Clinical physiology of acid-base and electrolyte disorder, 1994.)

190153161.2149.9Total84***6.26.35.9Other

5001514Proteins

402.32.22HPO4=

,H2PO4

1227.125.824HCO3-

4117.4111.9104Cl-

Anions190153161.2149.9Total341.11.21.0Mg2+

4.02.42.72.5Ca2+

1444.44.64.3K+

12.0145.1152.7142Na+

Cations

Skeletal muscle(mEq/L)

**ISF(mEq/L)

*Plasma water(mEq/L)

Plasma(mEq/L)Ion

คาปกติของ plasma osmolality = 280 - 295 mosmol/kg

สวนคา urine osmolality = 50 - 1200 mosmol/kg

effective plasma osmolality = 2 x [Na+] + glucose + urea

= (2 x 142 mEq) + 5 + 5= 294 mOsm/Kg H2O

กําหนดให plasma glucose 90 mg/dl, MW 180และ BUN 14 mg/dl, MW 28

Tonicity เกี่ยวของกับการตอบสนองของเซลลเมื่อเซลลอาศัยอยูในสารละลาย

การตอบสนองของเซลล

- ปกติ (normal)

- บวม (swell)

- เหีย่ว (shrink)

2. การลําเลียงสารแบบแอกทฟีทรานสปอรต (Active transport)- ตองการพลังงาน ปม สารจากบริเวณความเขมขนต่ําผานเยื่อเซลล

ไปยังบริเวณทีม่คีวามเขมขนสูง ผาน carrier protein (s) ที่เยือ่เซลล

Active; ATP – พลังงาน

x, สารบริเวณที่มีความเขมขนต่ํา; X สารบริเวณที่มีความเขมขนสูง

ทิศทางการเคลื่อนทีข่องสาร x

primary – 1 สาร ; secondary – 2 สาร

“ transport ATPases”

3 types of transport ATPases:

1. P-type ATPases: : สารยับยั้ง (antagonist): vanadate, a phosphate analog1.1 3Na+-2K+ ATPase- พบในเซลลสัตว- antiporter- รักษา electrochemical gradient ของ Na+ และ K+ ของเยื่อเซลล

1.2 Ca2+ ATPase- uniporter- พบในเซลลสัตว-รักษาelectrochemical gradient ของ Ca2+

1.3 H+-K+ ATPase- symporter- พบใน parietal cell เซลลหนึ่งของกระเพาะอาหาร สรางกรด ทาํให

กระเพาะอาหารมีความเปนกรด-ดาง 2.0

2.1 Primary active transport

2. V-type ATPases: - proton pumps- ทําใหภายในเซลลเปนกรด- พบใน plant vacuoles และ animal cell lysosomes

3. F-type ATPases:- ATP hydrolysis

1.1 3Na+-2K+ ATPase

Chemiosmotic coupling hypothesis

1. respiratory chains ใชพลังงาน (จากการขนสง electron) ปม H+

against chemical (concentration) gradient ออกจาก matrix

2. H+ เขา matrix down chemical gradient อีกครั้งทาง กระตุน ATP synthase สังเคราะห ATP

เปนการลําเลียงสาร 2 สารผานเยื่อเซลล

สารตัวหนึ่งถูกลําเลียงตาม electrochemical gradient กําเนิดพลังงานขึ้น เพื่อใชลําเลยีงสารอีกตัวหนึ่งที่ถูกลําเลยีงตาน electrochemical gradient

ดังนั้นพลังงานที่ใชลําเลยีงสารไมไดมาจาก ATP

และเปนการลําเลยีงสาร 2 สารที่ตองพึ่งพาอาศัยกนั จึงมักเรียกการขนสงแบบนี้วา “COTRANSPORT”

2.2 Secondary active transport

Cotransport เปนการขนสงสาร 2 สารในเวลาเดียวกัน มี 2 แบบ:

1. Symporter ขนสงสารในทิศทางเดียวกัน

2. Antiporter ขนสงสารในทิศทางตรงกันขาม

Source: (Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 3rd

ed . , 2000)

Sodium-glucose co-transporter ชวยขนสง glucose ขามดาน apical ของเซลลเยือ่บุลําไสเล็ก โดยอาศยัพลังงานที่ไดมาจากการขนสง Na+ จาก lumen ของลําไสเล็กผานดาน apical เชนกัน

2. Sodium-calcium exchanger•พบทีเ่ยื่อเซลลสัตว antiporter 3-Na+-1-Ca2+ (Na ออกนอกเซลล แต Ca เขาเซลล)

การยบัยั้งการทํางานของ Na+-K+-ATPase ชวยใหหัวใจบีบตัวแรงขึ้น

- Digitalis สกัดจากpurple foxglove (Digitalis purpurea)- สารออกฤทธิ์เปนกลุมcardiac glycoside ตวัออกฤทธิ์เปนdigitoxin

Digitalis = foxglove = พืชยากระตุนหัวใจ

หนวยน้าํตาล 3 หนวย (แสดงดวยสีมวง) ทีม่าของคําวา glycoside ชวยใหสารละลายในน้ําดีขึน้

aglycon (แสดงดวยสีน้ําเงิน) เปนสาร sterol ละลายเยื่อเซลล

กลไกการทํางานของ digitoxin

1 ยับยั้ง Na+-K+ ATPase ทาํใหภายในเซลลหวัใจ K+ นอย แต Na+ มากกวาปกต ิ

2 Na+ กระตุน Na+-Ca2+ pump ที่เยื่อเซลล ปม Na+ ออก ปม Ca2+ เขาเซลล

3 Ca2+ เพิ่มขึ้น กระตุนกลไกการบีบตวัของเซลลหัวใจ โดยไมตองใช oxygen มากขึ้น

Digitoxin ยังชวยลด heart rate ทาํใหหวัใจรับเลือดมากขึ้น หวัใจบีบตวัสงเลือดออกจากหวัใจมากขึ้น ชวยรักษาโรค congestive heart failure.

ouabain

เปน cardiac glycoside อีกตวัทีย่ับยั้ง Na+-K+ ATPase สกัดจาก East African Ouabio tree

ยาพิษอาบลูกศร

3.1 แอกโซไซโทซิส (Exocytosis) เปนการขนสงสารโมเลกลุใหญๆ เชน โปรตีน โพลีแซคาไรด จุลชีพ อาศยัการเชื่อม (fusion) ระหวางเยื่อเซลลกับเยื่อหุม vesicle ซึ่งจะกลายเปนสวนหนึ่งของเยื่อเซลล สารที่อยูใน vesicle จึงถกูปลดปลอยออกนอกเซลลได

3.1.1 constitutive secretionสารตางๆ ที่เซลลสังเคราะหใหมเคลื่อนผาน golgi apparatus โดนสวนหนึ่งของ golgi จะหลุดเปน vesicle ซึ่งเคลือ่นที่ไปเชื่อมกับเยื่อเซลล ปลอยโปรตนีออกนอกเซลล สวนไขมันและโปรตีนที่เปนองคประกอบของเซลลจะเชื่อมกบัเยื่อเซลลสวนมากเปนโปรตีนที่ถูกสรางตลอดเวลา และปลอยออกนอกเซลลทันที

3.1.2 regulated secretion หรือเรียก non-constitutive secretionกลไกเหมือนกนั แตเปนโปรตีนที่เมื่อสรางแลวถกูเกบ็ไวใน secretoryvesicle จนกวามกีารกระตุนโดยฮอรโมน สารสงผานประสาท ศักยะงาน (Action potential) จึงจะหลั่งออกนอกเซลล

3. Bulk Transport

3.2 เอนโดไซโทซสิ (Endocytosis)-การขนสงแบบนี้เปนการเชื่อมกันของเยื่อเซลลกันเอง และหลุดเขาไซโทพลาสซึม เกิดคลายถงุหุมสาร (vesicle)

a. phagocytosis พบเฉพาะเซลลพวก phagocyte เชน macrophage neutrophils

b. pinocytosisc. receptor-mediated endocytosis

Types of transportersPassive diffusion = simple diffusion

B. ศักยเยือ่หุมเซลล (Trans-membrane potential)

B.1. Diffusion potential

การเคลื่อนที่ของอนภุาคที่มีประจุ (ions หรือ charged particles) ขึ้นอยูกับ1. Electrical gradient2. Concentration gradient3. Electrochemical gradients ซึ่งมีความสาํคญัมากในกาํเนดิกระแสประสาทในเซลลประสาทและกลามเนื้อ (ถาไมเกดิกระแสประสาท กลามเนื้อไมหดตวั)

1. Nernst’s equation กับการหาคา equilibrium potential

E ion = (RT/FZ) ln [C in/C out]

E ion = equilibrium potential (ศักยดุลของอิออน)

R= gas constant = 8.314 J . K-1 . mole-1

= 1.98 cal . K-1 . mole-1

= 0.082 L.atm . K-1 . Mole-1

T=absolute temperature (0oC = 273.15 oK)

F= 96,487 C. mol-1

ln x (natural log) = 2.303 log10 x

Z = charge number of the ion (+ or _)

[C out/ C in= ความเขมขนภายนอกและภายในเยื่อเซลล (mole)]

2.303 RT/F = 61 mV

E= -61/Z log [C in /C out]

สังเกต

1. เมื่อสลับ [c in / C out] เปน {C out / C in } เครื่องหมายลบกลายเปนเครื่องหมายบวก

2. คาศักยเยื่อเซลลขณะพัก (resting membrane Potential; RMP)

Equilibrium potential (Eion)

ที่ 37 oc

-6 ถึง -10-90 ถึง -99-70 ถึง -77 RMP (mV)

+55-86-9

+67-105-89 to -96

+58-96-68

ENa

EK

ECl

RBCFrog muscleSquid giant axonE

Donnan equilibrium

2. Gibbs-Donnan potential (Gibbs-Donnan equilibrium)

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

Donnan equilibrium

[K+]1/[K+]2 = [Cl-]2/[Cl-]1

2. Gibbs-Donnan potential (Gibbs-Donnan equilibrium)

Resting membrane potential (RMP):

1. human erythrocyte = -7 mV

2. smooth muscle = -30 mV

3. skeletal muscle และ cardiac ventricular cell = -90 mV

squid giant axon = -70 mV

3.Cell Connections และ Communication

3.1 Tight junctions- protein fibers ยึดเซลลแนน -พบใน bladder และ lining ของ digestive tract

3.2 Desmosomes- gycoproteins proteins- Intermediate filaments (keratin)

ทําให junction แข็งแรง- actin microfilaments ยึดกับ

desmosomes แตความแข็งแรงนอยกวา

3.3 Gap junctions- protein channel เรียก connexons- ขนสงโมเลกุลเล็กๆ ระหวางเซลล- พบ brain cells; synapse; glands และ heart muscle cell

4. Cell volume control

Curran’s model

Solute-linked water transport

Solute-coupled water transport