Membranes and transport

The plasma membrane

每個 cell 都是被包覆在 membrane 泡沫當中

• membrane 的質地其實就像沙拉油一樣

  • 看起來隨便就可以破掉，但其實非常適合作為 cell 的包裝

• Membrane 的工作有很多

  • 包覆 cell

  • 與外部環境互動

  • 輸入輸出一些物質

  • 認知其他 cells，並跟其溝通

為了能處理這些工作，membrane 必須包含 lipids (semi-permeable barrier), proteins (transport, communication), carbohydrates (decorate lipids and proteins, recognition)

Fluid mosaic model

現今最正確稱呼 membrane 架構的說法為 fluid mosaic model

• fluid mosaic model (1972) 用來定義各種 cells 的 membrane 架構

  • 元件 (phospholipids, cholesterol, proteins 等) 自由浮動在 membrane 的平面上

  • 像 mosaic 一樣的鑲嵌畫板

  • 例如下圖只是 membrane 在 dynamic process 中的任一 snapshot 而已

Membrane 主要元素有 lipids (phospholipids, cholesterol), protein, carbohydrate groups 附在一些 lipids 和 proteins 上面

• Phospholipid 由 1 個 glycerol 和 2 個 fatty acid tails 還有 1 個 phosphate group 的頭組成

  • 生物細胞的 membranes 主要會有兩層 phospholipids 形成 phospholipid bilayer

• Cholesterol 主要由 4 個 fused carbon rings 組成

  • 主要影響 fluidity

• Proteins 有的作為橫跨整個 membrane 作為通道，有的只出現在內外表面

  • 又可以分成 integral membrane protein 和 peripheral membrane protein

  • Integral membrane protein 能夠穿過整個 membrane 的又叫 transmembrane proteins

• Carbohydrate groups 只出現在外部，作為 ID markers 讓 cell 互相辨識

  • 和 proteins 形成 glycoproteins

  • 和 lipids 形成 glycolipids

在人類細胞的 membranes 中，proteins 佔了約 50%，lipids 40%，carbohydrates 10%

Diffusion and osmosis

植物沒有澆水就會萎縮，這是因為水分子都從細胞跑出來了，但為什麼 ?

• 這是因為 osmosis 作用發生

  • 隨著外部 solute concentration 的增加

  • 它們能夠將水分子從 cell 中拉出來

正式來說，osmosis 指的是水從 lower solute concentration 區域通過 semipermeable membrane 到 higher solute concentration 區域所產生的 net movement

• semipermeable 代表只有水分子可以穿過但一些 molecule 無法穿過的意思

• osmosis 對於生物的一些作用十分重要，特別是跟 solute diffusion, transportion 有關的

Diffusion

要了解 osmosis 之前，先來了解基本的 diffusion 作用

• 通常 higher concentration 的 molecules 最終會和 lower concentration 形成平衡

  • 也就是高濃度區域的 molecules 會移動到低濃度的區域

  • 這不是什麼定理，只是單純的機率問題

  • 因為 molecules 只是隨機跳動，高濃度的區域一定更高機率移動到低濃度區域

Osmosis

基於一般 diffusion 的現象，我們在 higher 和 lower concetration 中間加入一個 semipermeable membrane，並且加入一個 solute 到其中一邊，他將影響整個機率問題 !

• 有很多的理論提出不同的原因

  • 主要就是新加入的 solute molecules 也在跳動，但無法通過 membrane

  • 不斷反彈，影響水分子移動到對面

• 不管理論如何，我們知道某一邊 solute 加入越多，該邊的水就越難流到對面

  • 造成低濃度 solute 的水流到高濃度 solute 的區域

Tonicity

細胞外部 solution 讓細胞水分因為 osmosis 作用移動的現象稱為 tonicity

• 一個 solution 的 tonicity 跟他的 osmolarity 有關

  • Osmolarity 代表該 solution 中的 solutes 濃度

    • 所以當一邊為 low osmolarity 一邊為 high osmolarity

    • 水分子就會從 low 移動到 high

有三個詞彙可以用來比較細胞內部和外部的 osmolarity，並且通常代表 solute 是無法通過 membrane 的 !

• Hypotonic 代表 osmolarity A < B

  • hypo-: less than

  • 所以水會往 B 流

• Isotonic 代表 osmolarity A = B

  • iso-: the same

  • 水很平衡

• Hypertonic 代表 osmolarity A > B

  • hyper-: greater than

  • 所以水會往 A 流

舉個例子，細胞內部是跟外部的 solute 濃度比起來是 hypertonic，代表外部的濃度跟內部比起來是 hypotonic !

Tonicity in living systems

現在從動物細胞角度來看 tonicity，也就是當細胞置入三種不同的 solution 時

• Place in hypertonic solution

  • 水會離開細胞，細胞萎縮

  • 紅血球可能會死亡

• Place in isotonic solution

  • 不會有水移動

  • 紅血球最適合的環境

• Place in hypotonic solution

  • 水會進入細胞，細胞膨脹

  • 紅血球可能會爆炸

紅血球在 isotonic 環境是最好，但植物則需要 hypotonic 環境才是最好 !

• 因為植物細胞絕對不會被撐破 (cell wall)

• 所以通常植物細胞的 cytoplasm 會比外界還要 hypertonic (讓水流進來)

  • 直到達到內部壓力 (turgor pressure) 防止過多水進入

維持 tonicity 關係到植物的死活

• 如果沒澆水，外部可能會變成 isotonic 或是 hypertonic

  • 造成水流失，降低 turgor pressure，最終枯萎

  • 最終達到 plasmolysis 的狀況 (下圖最左)

  • Plasmolysis: membrane detach from wall and constrict the cytoplasm

Passive Transport

Plasma membrane 就像機場安檢一樣，控制不同身份的 molecules 通過

• Selectively permeable 管理物質能否進出 cells，以及需要多久時間進出

  • 是 cell 保持 homeostasis 的能力

  • 幫助 cell 獲得養分、淘汰廢物

Passive transport 是細胞讓物質被動的進出 membrane 方式

• Passive transport 讓 cell 不需花費任何 energy 就能讓物質進出 membrane

  • 物質會靠著 concentration gradient 的特性移動

    • 就是從高濃度地區移動到低濃度地區

另外，有的物質能直接從 membrane lipids 穿過，有的則需要從 membrane proteins 穿過 (facilitated diffusion)

Selective permeability

還記得 membrane 上的 phospholipids 是 amphipathic 的嗎 (hydrophilic head + hydrophobic tails)

• 因為 hydrophilic head 上面的 phosphate group 帶有負電

  • Polar 或 charged molecules 會較難或無法通過

    • 例如水分子在通過 membrane lipids 時，相較於 oxygen 就會來的慢很多

    • sodium, potassium, calcium, chloride 則是無法通過 membrane lipids

      • 需要透過一些特別的 protein 通道

    • sugar, amono acids 也是無法直接通過，需要 protein 幫助

Passive transport

我們已經知道 diffusion 的原理，而 molecules 為了在內外取得平衡，所以就會透過 diffusion 來移動

• 下圖是隨著時間的增加， diffusion 造成的結果

  • 高濃度的地區 molecules 移動到低濃度的地區

  • 其實這個 concentration gradient 就是一種 stored (potential) energy

• 每個物質都有自己的 concentration gradient

  • 例如外部的 oxygen 濃度較低，而 carbon dioxide 濃度較高

  • Oxygen 就會往外移動，而 carbon dioxide 會往內移動 (passively)

Facilitated diffusion

除了一些如 oxygen, carbon dioxide 可以直接通過 membrane lipids 外，其他 molecules 必須要有別人幫助

• Facilitated diffusion 指的就是透過 proteins 幫助通過 membrane

  • 因為 molecules 帶有電或 polar，所以會被吸引

  • Facilitated transport proteins 提供 shield 讓 molecules 可以順利通過

    • 主要的 facilitated transport proteins 有兩種

      • channels 和 carrier proteins

Channels

• Channel protein 在 membrane 開出一條 hydrophilic tunnel

  • 讓帶有 polar, charged 的 molecules 能透過 diffusion 通過

  • 免於接觸 membrane 的 hydrophobic core

• 通常 channel 只給一種類型的 molecules 通過 (或只給一些具有相同特質的)

• Aquaporins 是一個很重要的 channel protein

  • 控制水分子快速進出 membrane

  • 在 plant cells, red blood cells, kidney (部分細胞控制水量流失) 皆扮演重要角色

Channel protein 還有分永遠開啟和可以開關的類別

• 有的 channel 永遠開啟，有的則是有 gated 的架構

  • 透過特定 signal 控制開關

• 例如 nerve, muscle cells 都有 ion channels (給 sodium, potassium, calcium ions 通過)

  • 幫助 nerve cells 進行 electrical transmission

  • 幫助 muscle cells 進行 muscle contraction

Carrier proteins

• Carrier protein 改變形狀讓 molecules 從一邊轉移到另一邊

  • 一個 carrier proteins 一樣只給特定類型的 molecules 通過

• Channel 比 carrier 運送的速率還要快很多

  • 因為 channel 不需像 carrier 改變形狀，進行 "reset"

  • 通常 channel 每秒可運送千萬個 molecules

  • 而 carrier 每秒只能運送千個 molecules

Active Transport

假設細胞外的 sugar 比內部多，但又需要更多的 sugar 來進行 metabolic process

• 無法利用 passive transport 來傳送，這時就要利用 active transport

  • Active transport 需要細胞消耗 energy (e.g., form of ATP)

  • 來對抗 concentration gradient 甚至是 electrochemical gradients

Electrochemical gradients

Concentration gradient 指的是粒子經由濃度的梯度進行移動，Electrochemical gradients 則是粒子另一種移動模式

• 粒子除了濃度外，還能經由"帶電梯度"來移動

  • 因為 atom, molecules 都能有 ions 帶正或負電

  • 因此在 membrane 的內外形成 electrical gradient (difference in charge)

  • 這個梯度一樣形成一股能量 (membrane potential)

• 通常內部帶有負電，外部帶有正電

  • 且內部的負電比外部的正電還要更多

  • 一般細胞的 membrane potential 約為 -40 至 -80 millivolts

  • 細胞會透過 sodium-potassium pump 來維持 membrane potential

通常來說細胞內跟外界比起來，會有較高濃度的 potassium $(\text{K}^+)$，和較低濃度的 sodium $(\text{Na}^+)$

• 根據 concentration gradient

  • Sodium 應該會透過 passive transport 由外往內移動

  • Potassium 則不會透過 passive transport 由外往內移動

    • 相反的， potassium 還會從內往外移動

• 根據 membrane potential

  • Sodium 依然由外往內移動

  • Potassium 則變為想要由外 (正電) 往內 (負電) 來移動

• 將兩種梯度考慮，造成 ion 移動的影響稱為 electrochemical gradient !

  • electro = membrane potential

  • chemical = concentration gradient

兩種梯度相撞的 electrochemical gradient，使得 potassium 維持在一個平衡的狀況 !

Moving against a gradient

為了對抗 electrochemical gradient，細胞必須使用 energy

• Active transport 使用 ATP 得到 energy 產生推進的力量

  • 事實上細胞會保留 metabolism 產生的 energy 作為 active transport 的燃料

  • 例如 red blood cell 會保留 energy 用來維持內外 sodium, potassium level

事實上 active transport 的形式分為兩大類

1. Primary active transport

   • 直接使用 chemical energy (e.g., ATP) 對抗 gradient 移動粒子

2. Secondary active transport

   • 利用 active transport 產生的 electrochemical gradient 來移動粒子

   • 不會直接使用 ATP 這類 chemical energy

Primary active transport

Primary active transport 最著名的例子就是 sodium-potassium pump

• Sodium-potassium pump 需要使用到 ATP 作為能量來源

  • sodium ($\text{Na}^+$) 被排出細胞

  • potassium ($\text{K}^+$) 被吸入細胞

Pump 不只維護 sodium 和 potassium 的 concentration 平衡，更扮演控制細胞 voltage 的角色

• 這類能建立又能維護 membrane voltages 的 pump 稱為 electrogenic pumps

  • 例如植物中也有 electrogenic pump

    • 他使用 hydorgen ions ($\text{H}^+$) 來取代 sodium 和 potassium

• Sodium-potassium pump 會持續改變形狀來 transport sodium 和 potassium

  • 每個 cycle 會吐出 3 個 sodium 和得到 2 個 potassium

  • 主要可以分為 6 個步驟

• pump 一開始向細胞內部打開，吸引 sodium ions 來結合 (3 個)

• 結合完畢， pump 會 hydrolyze (break down) ATP

  • ATP 的 phosphate group 會和 pump 結合 (pump 被 phosphorylated)

  • ADP 會被釋放掉

• Phosphorylation 讓 pump 改變形狀，變成開口朝外

  • Pump 不再喜歡 sodium ions，所以將他們都釋放出去

• Pump 變成喜歡和 potassium ions 結合 (2 個)

  • 結合後，將 phosphate group 移除掉

• 失去 phosphate 的 pump 又變回原本的形狀，開口朝內

• Pump 不再喜歡 potassium，將 2 個 potassium 釋放到細胞中

  • 變回步驟一的模樣，完成一個 cycle

看起來複雜，其實只是 protein 靠著 ATP 的 phosphate group 變換兩種形狀而已

• 朝內的形狀對 sodium 有 high affinity

• 朝外的形狀對 potassium 有 high affinity

Sodium-potassium pump 如何產生 membrane potential，以下是根據 stoichiometry 的簡單計算

• 3 個 sodium ions 離開，和 2 個 potassium ions 進入的確產生些微的負電

  • 但只是產生 membrane potential 的非常小的原因

• 主要原因是內部大量濃度的 potassium ions

  • 這讓 potassium 的 concentration gradient 非常陡峭

  • 陡峭到能夠對抗 voltage (內部負電) 往外流出

    • 這個流出現象會持續到 electrochemical gradient 重新平衡為止

至此，只要 potassium 持續在細胞內部佔高濃度，細胞內比外面 charge 就會更加 negative

Secondary active transport

運用上面所講的 electrochemical gradient 所儲存的 energy，來運送物質的就是 secondary active transport

• 例如 sodium-potassium pump 在運送 sodium ions 的時候

  • Sodium ions 經由 concentration gradient 移入細胞

  • 這時候 glucose 可以和 sodium ions 透過 shared carrier protein (cotransporter) 結合

  • Cotransporter 運用 sodium 的 gradient 一起將兩者送入細胞當中

可以從下圖看到，glucose 是逆著自己的 concentration 從外到內移動的 !

另外 cotransporter 又可以分成兩種，像上圖 sodium ions 和 glucose 是朝同方向移動的

• 兩種粒子往同樣方向的稱為 symporter

• 兩種粒子往相反方向的稱為 antiporter

Bulk transport

上面講完 ions, molecules, sugar 等小型物體穿過 membrane 的方法 (channel, transporters)，那更大的物體呢 ?

• 細胞需要 bulk transport mechanisms 來讓大型粒子穿過 membrane

  • 例如Macrophages 將 membrane 延伸成像"手臂"一樣

  • 然後將整個 pathogen 包裝在一個球形 membrane (food vacuole) 吃進細胞當中

Macrophages 是 bulk transport 很好的例子，不過通常細胞不會直接把整個微生物吃掉

• 有的細胞會透過 bulk transport 來獲取養分

  • 從外部水分中"抓取"需要的粒子

• 有的細胞釋放 signaling molecules

  • 用於和周圍細胞交流

Bulk transport 一樣需要使用到能量 (like active transport)，甚至要更多能量 (energy-intensive)

• 以下來了解幾種重要的 bulk transport

  • phagocytosis

  • pinocytosis

  • receptor-mediated endocytosis

  • exocytosis

Endocytosis

Endocytosis 泛指用 membrane 將粒子包覆成 vesicle 吸入的 active transport

• Endocytosis

  • endo = internal

  • cytosis = transport mechanism

• 所有類型的 endocytosis 都擁有相同特性

  • membrane 會 invaginates (往內陷) 形成 pocket 圍饒著目標粒子

  • 特殊的 proteins 會幫助把粒子包覆成 vesicle (vacuole) 送入細胞

Phagocytosis

Phagocytosis (literally: cell eating) 把粒子直接吃進細胞 (Macrophages 那個例子)

• 當細胞成功吞噬粒子後

  • 形成一個 membrane-bound compartment 稱為 food vacuole

  • Food vacuole 隨著路線來到了 lysosome (recycling center)

  • Lysosome 有 enzymes 能將 vacuole 分解成 basic components (e.g., amino acids, sugars)

  • 然後粒子就可以被細胞使用

一些 Single-celled eukaryotes (e.g., amoebas) 也是用 phagocytosis 來捕捉獵物

Pinocytosis

Pinocytosis (literally: cell drinking) 則是將水和一些小粒子一起喝進細胞

• Pinocytosis 通常會不斷進行

  • 跟著 cell-sampling, re-sampling 從水中獲得養分

  • vesicle 會比 phagocytosis 的 food vacuole 還要小很多

圖左是 pinocytosis，圖右是接下來要講的 receptor-mediated endocytosis

Receptor-mediated endocytosis

Receptor-mediated endocytosis 利用 membrane 表面上的 receptor proteins 作為中介來捕捉粒子

• Receptors (transmembrane proteins)

  • 群聚在 membrane 作為 coated pits

  • 名字由來為細胞內部的 coat proteins (上圖的 Clathrin)

當 receptors 和目標粒子結合後一樣包覆成 vesicle

• Coat proteins 幫助結合並運送進來

  • Receptor-mediated endocytosis 可以運送大量較珍貴的粒子 (low concentration in fluid)

  • 但有些不友善粒子也可能隨著 receptor-mediated 的通路進入細胞

    • 例如 flu viruses, diphtheria, cholera toxin, ...

Exocytosis

細胞除了要吸收養分，也要排除廢物，傳遞出訊號

• Exocytosis

  • exo = external

  • cytosis = transport mechanism

• 就是由內到外的 bulk transport

  • 常用於釋放 signaling proteins, waste products 到外部

• 要釋放的物質通常以 vesicle 形式從 Golgi apparatus 而來

• 這些 vesicles 會以兩種方法來釋放物質

  • 一種是 vesicle 完全跟 membrane 融合在一起，成為 membrane 新的一部分

  • 一種採取 "kiss-and-run" model

    • 只融合一部分 (kissing the membrane)，足夠排出物質就回到細胞內