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