โครงสร้างและหน้าที่ของเยื่อหุ้มเซลล์

เยื่อหุ้มเซลล์เป็นเยื่อไขมันสองชั้นที่เลือกผ่านได้ ซึ่งเป็นขอบเขตของเซลล์ทุกเซลล์ โดยแยกไซโทพลาซึมออกจากสภาพแวดล้อมภายนอกเซลล์ พร้อมทั้งทำหน้าที่ควบคุมการแลกเปลี่ยนไอออน สารอาหาร และข้อมูลต่างๆ ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ เยื่อหุ้มเซลล์ประกอบด้วยฟอสโฟลิพิดที่มีคุณสมบัติแอมฟิพาติก (amphipathic) ซึ่งมีโปรตีนฝังตัวและยึดเกาะอยู่ โดยมีพฤติกรรมเป็นของเหลวสองมิติที่ส่วนประกอบต่างๆ สามารถแพร่กระจายไปด้านข้างได้ ดังที่อธิบายไว้ในแบบจำลองฟลูอิดโมเสก (fluid mosaic model)

Definition

เยื่อหุ้มเซลล์คือเยื่อไขมันฟอสโฟลิพิดสองชั้น ซึ่งมีโปรตีนและคาร์โบไฮเดรตที่เกี่ยวข้องอยู่ด้วย ทำหน้าที่เป็นขอบเขตภายนอกของเซลล์ โดยเป็นเกราะป้องกันที่เลือกผ่านได้ และเป็นแพลตฟอร์มสำหรับการขนส่ง การส่งสัญญาณ และการยึดเกาะ

Scope

บทความนี้ครอบคลุมถึงสถาปัตยกรรมระดับโมเลกุลของเยื่อหุ้มเซลล์ ส่วนประกอบที่เป็นไขมันและโปรตีน ความไม่สมมาตรและการจัดเรียงตัวด้านข้าง รวมถึงหน้าที่หลักในการเป็นเกราะป้องกัน การขนส่ง การส่งสัญญาณ และการยึดเกาะ บทความนี้เป็นข้อมูลอ้างอิงและหัวข้อการศึกษาในชีววิทยาของเซลล์ และไม่ได้กล่าวถึงการบำบัดที่มุ่งเป้าไปที่เยื่อหุ้มเซลล์หรือการจัดการทางคลินิก

Core questions

• เยื่อไขมันสองชั้นทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันแบบเลือกผ่านได้อย่างไร?
• โปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์แบบอินทิกรัลและแบบรอบนอกมีบทบาทอย่างไร?
• เยื่อหุ้มเซลล์มีการจัดเรียงตัวในระนาบของเยื่อสองชั้นและข้ามเยื่อทั้งสองชั้นอย่างไร?
• เยื่อหุ้มเซลล์ทำหน้าที่ในการขนส่งและการส่งสัญญาณได้อย่างไร?

Key concepts

• เยื่อไขมันฟอสโฟลิพิดสองชั้น
• ไขมันแอมฟิพาติกและแกนไฮโดรโฟบิก
• โปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์แบบอินทิกรัลและแบบรอบนอก
• ความไม่สมมาตรของไขมันในเยื่อหุ้มเซลล์ระหว่างเยื่อทั้งสองชั้น
• แพไขมัน (lipid rafts) และไมโครโดเมนของเยื่อหุ้มเซลล์
• การซึมผ่านแบบเลือกสรร
• การขนส่งผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ (ช่องทาง, ตัวพา, ปั๊ม)
• คอเลสเตอรอลและความลื่นไหลของเยื่อหุ้มเซลล์

Key theories

แบบจำลองฟลูอิดโมเสก (Fluid mosaic model)

Singer และ Nicolson อธิบายเยื่อหุ้มเซลล์ว่าเป็นเยื่อไขมันสองชั้นที่เป็นของเหลว ซึ่งมีโปรตีนทรงกลมฝังตัวอยู่และสามารถแพร่กระจายไปด้านข้างได้อย่างอิสระ ซึ่งอธิบายถึงความลื่นไหลของเยื่อหุ้มเซลล์ การเคลื่อนที่ของโปรตีน และการกระจายตัวที่ไม่สมมาตรของส่วนประกอบระหว่างเยื่อทั้งสองชั้น

แนวคิดแพไขมัน (Lipid raft concept)

Lingwood และ Simons ได้อธิบายมุมมองที่ว่านาโนโดเมน (nanodomains) ที่อุดมด้วยคอเลสเตอรอลและสฟิงโกลิพิดจะรวมตัวกันชั่วคราวภายในเยื่อหุ้มเซลล์เพื่อแบ่งส่วนการส่งสัญญาณและการขนส่ง ซึ่งเป็นการปรับปรุงแบบจำลองฟลูอิดโมเสกโดยเพิ่มความแตกต่างกันในแนวราบ

Mechanisms

ฟอสโฟลิพิดรวมตัวกันเป็นเยื่อสองชั้น ซึ่งส่วนภายในที่เป็นไฮโดรโฟบิกจะกีดกันไอออนและโมเลกุลมีขั้ว ทำให้เยื่อหุ้มเซลล์เป็นเกราะป้องกันที่มีประสิทธิภาพ คอเลสเตอรอลมีบทบาทในการปรับความลื่นไหลและการจัดเรียงตัวของเยื่อหุ้มเซลล์ เยื่อหุ้มเซลล์ทั้งสองชั้นมีความแตกต่างกันในองค์ประกอบของไขมัน ซึ่งเป็นความไม่สมมาตรที่เกิดจากการทำงานของเอนไซม์ฟลิปเปส (flippases) และฟลอปเปส (floppases) และชนิดของไขมันจะมีการกระจายตัวไม่สม่ำเสมอทั่วเยื่อหุ้มออร์แกเนลล์ โปรตีนอินทิกรัล (integral proteins) ทอดข้ามเยื่อสองชั้นเพื่อสร้างช่องทาง ตัวพา และปั๊มที่เคลื่อนย้ายสารละลายอย่างเลือกสรร ในขณะที่ตัวรับ (receptors) จะส่งสัญญาณภายนอกเซลล์เข้ามาภายใน โปรตีนรอบนอก (peripheral proteins) และไกลโคลิพิด (glycolipids) จะประดับอยู่บนพื้นผิว คอเลสเตอรอลและสฟิงโกลิพิด (sphingolipids) อาจรวมตัวกันเป็นไมโครโดเมน (microdomains) ที่มีการจัดเรียงตัวชั่วคราว ซึ่งจะรวมโปรตีนบางชนิดไว้ด้วยกัน

Clinical relevance

เยื่อหุ้มเซลล์เป็นตำแหน่งของกระบวนการทางสรีรวิทยาและกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับโรคหลายอย่าง รวมถึงการขนส่งไอออน การส่งสัญญาณของตัวรับ และปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฮสต์กับเชื้อโรค ดังนั้นโครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์จึงเป็นพื้นฐานสำคัญของเนื้อเยื่อวิทยา สรีรวิทยา และเภสัชวิทยา บทความนี้อธิบายชีววิทยาของเยื่อหุ้มเซลล์ปกติเพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิง และไม่ได้ให้คำแนะนำในการรักษาหรือการให้ยา

Evidence & guidelines

แบบจำลองเยื่อหุ้มเซลล์ที่สรุปไว้ในที่นี้ได้รับการสนับสนุนจากการศึกษาทางชีวฟิสิกส์และชีวเคมีมานานหลายทศวรรษ ซึ่งรวบรวมไว้ในบทความทบทวนเกี่ยวกับไขมันในเยื่อหุ้มเซลล์และในตำรามาตรฐาน เป็นชีววิทยาของเซลล์เชิงพรรณนามากกว่าเนื้อหาแนวทางปฏิบัติทางคลินิก

History

การทดลองในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 แสดงให้เห็นว่าไขมันในเยื่อหุ้มเซลล์ก่อตัวเป็นเยื่อสองชั้น และแบบจำลองของ Davson-Danielli เสนอว่ามีชั้นโปรตีนเคลือบแกนไขมัน การศึกษาด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและการศึกษาแบบฟรีซ-แฟรกเจอร์ (freeze-fracture) เผยให้เห็นโปรตีนที่ฝังตัวอยู่ในเยื่อสองชั้น นำไปสู่การที่ Singer และ Nicolson เสนอแบบจำลองฟลูอิดโมเสกในปี 1972 งานวิจัยต่อมาเกี่ยวกับความหลากหลายของไขมัน ความไม่สมมาตรของเยื่อหุ้มเซลล์ และไมโครโดเมนที่อุดมด้วยคอเลสเตอรอล ซึ่งได้รับการทบทวนโดย van Meer และคณะ และโดย Lingwood และ Simons ได้ปรับปรุงภาพนี้ให้เป็นเยื่อหุ้มเซลล์ที่มีความแตกต่างกันในแนวราบและมีการจัดระเบียบแบบไดนามิก

Debates

แพไขมันมีอยู่จริงในเซลล์ที่มีชีวิตในฐานะโครงสร้างที่เสถียรหรือไม่?

ขนาด อายุ และความสำคัญเชิงหน้าที่ของโดเมนที่อุดมด้วยคอเลสเตอรอลและสฟิงโกลิพิดได้ถูกโต้แย้ง โดยในปัจจุบันแนวคิดได้เปลี่ยนไปสู่มุมมองของนาโนโดเมนขนาดเล็ก มีพลวัต และเสถียรชั่วคราว แทนที่จะเป็นแพขนาดใหญ่ที่คงที่

Key figures

• S. Jonathan Singer
• Garth Nicolson
• Kai Simons
• Gerrit van Meer

Seminal works

• singer-nicolson-1972
• lingwood-simons-2010

Frequently asked questions

เหตุใดเยื่อหุ้มเซลล์จึงสามารถเลือกผ่านได้ในขณะที่ยังคงเป็นของเหลว?

แกนไขมันไฮโดรโฟบิกจะขัดขวางการผ่านของไอออนและโมเลกุลมีขั้วอย่างอิสระ ดังนั้นการเคลื่อนที่แบบเลือกสรรจึงเกิดขึ้นผ่านโปรตีนช่องทาง โปรตีนตัวพา และโปรตีนปั๊มที่เฉพาะเจาะจง เยื่อสองชั้นเองยังคงเป็นของเหลวเนื่องจากไขมันและโปรตีนแต่ละชนิดสามารถแพร่กระจายไปด้านข้างได้โดยไม่หลุดออกจากเยื่อหุ้มเซลล์

ความไม่สมมาตรของไขมันในเยื่อหุ้มเซลล์คืออะไร?

เยื่อสองชั้นของเยื่อหุ้มเซลล์มีองค์ประกอบของไขมันที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ฟอสโฟลิพิดบางชนิดจะอุดมสมบูรณ์ที่ด้านไซโทพลาซึม ซึ่งเป็นการจัดเรียงตัวที่ได้รับการรักษาอย่างแข็งขันโดยเอนไซม์และมีความสำคัญต่อการส่งสัญญาณและการจดจำ