> For the complete documentation index, see [llms.txt](https://sejkai.gitbook.io/academic/llms.txt). Markdown versions of documentation pages are available by appending `.md` to page URLs; this page is available as [Markdown](https://sejkai.gitbook.io/academic/biology/membrane_transport.md). # 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 ![](https://2991100231-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LhyC30yNfTP1YdCIj83%2F-LzgwoT9eqFOZ2IRik39%2F-LzgwqvA4lnh33PGorXD%2Ffluid_mosaic_model.png?generation=1580228379313683\&alt=media) 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 ![](https://2991100231-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LhyC30yNfTP1YdCIj83%2F-LzgwoT9eqFOZ2IRik39%2F-LzgwqvEmZ9Jfiqar4hV%2Fdiffusion.jpg?generation=1580228379937396\&alt=media) ### 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 ![](https://2991100231-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LhyC30yNfTP1YdCIj83%2F-LzgwoT9eqFOZ2IRik39%2F-LzgwqvHH6aC7Nfb-XJn%2Fosmosis.png?generation=1580228375857940\&alt=media) ### 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 ![](https://2991100231-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LhyC30yNfTP1YdCIj83%2F-LzgwoT9eqFOZ2IRik39%2F-LzgwqvKno9W3tiqeRnK%2Fanimal_cell_tonicity.png?generation=1580228377914531\&alt=media) 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 ![](https://2991100231-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LhyC30yNfTP1YdCIj83%2F-LzgwoT9eqFOZ2IRik39%2F-LzgwqvMF-9VfyqXFZWl%2Fplant_cell_tonicity.png?generation=1580228377197233\&alt=media) ## 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) ![](https://2991100231-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LhyC30yNfTP1YdCIj83%2F-M-Q8w3XgAxXDOrZqhjA%2F-M-Q8yqnz6THji3Gx2Og%2Fmembrane_phospholipids.png?generation=1581003571715100\&alt=media) * 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 ![](https://2991100231-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LhyC30yNfTP1YdCIj83%2F-M-Q8w3XgAxXDOrZqhjA%2F-M-Q8yqpV0M-5jzVPgkI%2Fdiffusion_on_membrane.png?generation=1581003569492590\&alt=media) * 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) ![](https://2991100231-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LhyC30yNfTP1YdCIj83%2F-M-Q8w3XgAxXDOrZqhjA%2F-M-Q8yqr5nEzmVjoMJBh%2Fchannel_proteins.png?generation=1581003568397230\&alt=media) * **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 ![](https://2991100231-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LhyC30yNfTP1YdCIj83%2F-M-Q8w3XgAxXDOrZqhjA%2F-M-Q8yqttIKzp5G2JdZK%2Fcarrier_proteins.png?generation=1581003572446987\&alt=media) * 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**) ![](https://2991100231-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LhyC30yNfTP1YdCIj83%2F-M-Q8w3XgAxXDOrZqhjA%2F-M-Q8yqvX6AQJb0H9w9l%2Felectrochemical_gradient.png?generation=1581003577817629\&alt=media) * 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 ![](https://2991100231-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LhyC30yNfTP1YdCIj83%2F-M-Q8w3XgAxXDOrZqhjA%2F-M-Q8yqx7gUhRoK7R2ao%2Fsodium_potassium_pump.png?generation=1581003570840269\&alt=media) * 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 ! ![](https://2991100231-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LhyC30yNfTP1YdCIj83%2F-M-Q8w3XgAxXDOrZqhjA%2F-M-Q8yqzlEDFN270NTdC%2Fsodium_glucose_cotransporter.png?generation=1581003573614309\&alt=media) 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** ![](https://2991100231-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LhyC30yNfTP1YdCIj83%2F-M-Q8w3XgAxXDOrZqhjA%2F-M-Q8yr0GeWCYlhCBHnQ%2Fsymporter_antiporter.png?generation=1581003574436202\&alt=media) ## 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 ![](https://2991100231-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LhyC30yNfTP1YdCIj83%2F-M-Q8w3XgAxXDOrZqhjA%2F-M-Q8yr2xOZMo6AofrpK%2Fphagocytosis_process.png?generation=1581003576557768\&alt=media) 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 ![](https://2991100231-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LhyC30yNfTP1YdCIj83%2F-M-Q8w3XgAxXDOrZqhjA%2F-M-Q8yr4KIszUNFT0nRP%2Fpinocytosis_process.png?generation=1581003575745997\&alt=media) 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 ![](https://2991100231-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LhyC30yNfTP1YdCIj83%2F-M-Q8w3XgAxXDOrZqhjA%2F-M-Q8yr6X31RzAHIQnUH%2Fexocytosis_process.png?generation=1581003579001747\&alt=media) * 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