โครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์

เยื่อหุ้มเซลล์ทางชีวภาพเป็นชั้นไขมันสองชั้นที่มีความไม่สมมาตรและมีความลื่นไหล โดยมีโปรตีนฝังตัวและยึดติดอยู่ ซึ่งเป็นสถาปัตยกรรมที่อธิบายโดยแบบจำลองฟลูอิดโมเสก (fluid mosaic model)

Definition

โครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์เกี่ยวข้องกับสถาปัตยกรรมระดับโมเลกุลของเยื่อหุ้มเซลล์ทางชีวภาพ: ชั้นไขมันสองชั้นที่มีความลื่นไหลของไขมันแอมฟิพาติก (amphipathic lipids) ซึ่งมีโปรตีนอินทิกรัล (integral proteins) และโปรตีนรอบนอก (peripheral proteins) ฝังตัวหรือยึดติดอยู่ โดยมีองค์ประกอบที่แตกต่างกันในแต่ละด้าน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมองค์ประกอบของเยื่อหุ้มเซลล์ การประกอบตัวเองและคุณสมบัติทางกายภาพของชั้นไขมันสองชั้น ความลื่นไหลของเยื่อหุ้มเซลล์และอิทธิพลขององค์ประกอบไขมันและคอเลสเตอรอล ประเภทของโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์ และความไม่สมมาตรของเยื่อหุ้มเซลล์ทั้งสองด้าน

Core questions

• ชั้นไขมันสองชั้นประกอบตัวเองได้อย่างไรและอะไรที่ยึดมันไว้ด้วยกัน?
• อะไรที่ควบคุมความลื่นไหลของเยื่อหุ้มเซลล์?
• โปรตีนอินทิกรัลและโปรตีนรอบนอกเชื่อมโยงกับชั้นไขมันสองชั้นได้อย่างไร?
• เหตุใดเยื่อหุ้มเซลล์ทั้งสองด้านจึงมีความแตกต่างทางเคมี?

Key theories

แบบจำลองฟลูอิดโมเสก (Fluid mosaic model)

ซิงเกอร์และนิโคลสันได้อธิบายเยื่อหุ้มเซลล์ว่าเป็นชั้นไขมันสองชั้นที่มีความลื่นไหล โดยมีโปรตีนกระจายอยู่ภายในเหมือนโมเสก ซึ่งสามารถแพร่กระจายไปด้านข้างได้อย่างอิสระ อธิบายถึงพลวัตของเยื่อหุ้มเซลล์และการเคลื่อนที่ของโปรตีน

Mechanisms

ไขมันแอมฟิพาติกจะรวมตัวกันเป็นชั้นไขมันสองชั้นโดยอาศัยผลของแรงไฮโดรโฟบิก (hydrophobic effect) โดยมีส่วนหางหันเข้าด้านในและส่วนหัวหันออกสู่เฟสที่เป็นน้ำ ชั้นไขมันสองชั้นมีความลื่นไหล โดยความหนืดถูกกำหนดโดยความอิ่มตัวของกรดไขมัน ความยาวของสายโซ่ และปริมาณคอเลสเตอรอล ซึ่งทำหน้าที่ควบคุมความลื่นไหล โปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์แบบอินทิกรัลจะพาดผ่านหรือแทรกเข้าไปในแกนกลางที่เป็นไฮโดรโฟบิก ในขณะที่โปรตีนรอบนอกจะจับกับพื้นผิว; ไขมันและโปรตีนมีการกระจายตัวอย่างไม่สมมาตรระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ทั้งสองด้าน

Clinical relevance

สถาปัตยกรรมของเยื่อหุ้มเซลล์มีความสำคัญต่อชีวฟิสิกส์ การออกแบบเยื่อหุ้มเซลล์จำลองและถุงน้ำ (vesicles) และการศึกษาว่าพื้นผิวจัดระเบียบกระบวนการทางชีวเคมีอย่างไร การนำเสนอเนื้อหานี้เป็นแบบพรรณนาและไม่เป็นการแนะนำการรักษา

History

กอร์เตอร์และเกรนเดล (Gorter and Grendel) ได้เสนอแนวคิดชั้นไขมันสองชั้นในปี 1925; แบบจำลองของเดฟสัน-แดเนียลลี (Davson–Danielli model) ได้เพิ่มชั้นโปรตีนเข้ามา; และแบบจำลองฟลูอิดโมเสกของซิงเกอร์และนิโคลสัน (Singer and Nicolson) ในปี 1972 ได้รวมหลักฐานต่างๆ เข้าไว้ด้วยกันเป็นภาพพลวัตที่เป็นมาตรฐานในปัจจุบัน

Key figures

• S. Jonathan Singer
• Garth Nicolson
• Evert Gorter

Seminal works

• singer1972
• nelson2021

Frequently asked questions

คอเลสเตอรอลมีผลต่อความลื่นไหลของเยื่อหุ้มเซลล์อย่างไร?

คอเลสเตอรอลทำหน้าที่เป็นตัวควบคุมความลื่นไหล: มันจะยับยั้งการเคลื่อนที่ที่อุณหภูมิสูงขึ้นและป้องกันการจัดเรียงตัวที่แน่นหนาที่อุณหภูมิต่ำลง ทำให้เยื่อหุ้มเซลล์อยู่ในช่วงความลื่นไหลที่เหมาะสม

อะไรทำให้โปรตีนเป็นโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์แบบอินทิกรัล?

โปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์แบบอินทิกรัลมีบริเวณไฮโดรโฟบิกที่ฝังตัวอยู่ในหรือพาดผ่านแกนกลางของชั้นไขมันสองชั้น ดังนั้นจึงสามารถปลดปล่อยออกมาได้โดยการทำลายเยื่อหุ้มเซลล์เท่านั้น ซึ่งแตกต่างจากโปรตีนรอบนอกที่เพียงแค่จับกับพื้นผิว