生化學 - 細胞膜與運輸

細胞膜結構與組成

概述

• 細胞膜 (Cell Membrane)：細胞邊界，主要由脂質與蛋白質組成，形成流動性脂雙層 (Lipid Bilayer)。

主要膜脂質類型

• 磷脂質 (Phospholipids)：
  • 脂雙層主要成分，形成細胞膜的骨架。
  • 具親水性頭部與疏水性尾部，形成雙層結構。
• 膽固醇 (Cholesterol)：
  • 動物細胞膜特有的脂質成分，鑲嵌於磷脂之間。
  • 調節膜的流動性 (Fluidity) 與穩定性。
• 醣脂 (Glycolipids)：
  • 脂質與醣類結合，通常位於細胞膜外側。
  • 參與細胞辨識、細胞黏附、信號傳導。

不同生物細胞膜的固醇類成分比較

脂膜筏 (Lipid Rafts)

• 細胞膜上動態的微區，富含膽固醇 (cholesterol) 和鞘脂 (sphingolipids)。
• 特點：脂質排列緊密有序，比周圍細胞膜更厚、流動性更低。
• 功能：參與細胞信號傳導、細胞黏附、膜運輸及病原體入侵。
• 主要組成：
  • 膽固醇：增加膜的剛性，促進鞘脂聚集。
  • 鞘脂：特別是鞘磷脂 (sphingomyelin) 和糖鞘脂 (glycosphingolipids)，因其飽和脂肪酸鏈較長，傾向形成有序結構。
  • GPI-錨定蛋白 (GPI-anchored proteins)：常富集於脂膜筏中，錨定在細胞膜胞外側。
  • 非脂膜筏組成：甲基化蛋白質 (methylated proteins) 並非脂膜筏的結構組成部分。

膜蛋白分類與結合方式

• 細胞膜蛋白質主要分為整合型膜蛋白、膜周邊蛋白及脂質錨定蛋白。
• 整合型膜蛋白 (Integral Membrane Proteins)：
  • 直接嵌入或穿透脂雙層，其疏水性區域與膜的疏水性核心緊密結合。
  • 因與脂雙層緊密結合，需破壞脂雙層結構才能分離。
  • 分離方式：使用去垢劑 (detergent)，即介面活性劑 (surfactant)。
    • 介面活性劑是兩性分子，能像肥皂一樣溶解脂質膜，形成蛋白質-介面活性劑複合體以萃取蛋白。
  • 合成途徑：
    • 起始於細胞質核糖體 (ribosome)。
    • 若帶有訊號肽 (signal peptide)，會被訊號識別顆粒 (SRP) 識別。
    • SRP 引導核糖體-mRNA複合體至內質網 (ER) 膜。
    • 在內質網膜上，複合體與轉位子 (translocon) 結合，引導新生肽鏈穿過或嵌入膜中。
• 膜周邊蛋白 (Peripheral Membrane Proteins)：
  • 鬆散附著於膜表面，不穿透脂雙層。
  • 透過非共價鍵 (如離子鍵、氫鍵) 與膜脂或整合型膜蛋白結合。
  • 可透過改變pH 值、離子強度或螯合劑等溫和方式分離。
• 脂質錨定蛋白 (Lipid-anchored proteins)：
  • 蛋白質透過共價鍵與脂質分子連接，將蛋白質錨定在膜上。
  • 可位於細胞膜的胞外側或胞質側。
  • 糖磷脂醯肌醇 (GPI, glycosyl phosphatidylinositol) 錨定：
    • 一種特殊的糖脂作為「錨」，將蛋白質共價連接到細胞膜的胞外側 (extracellular side)。
    • 此類GPI 錨定蛋白常富集於脂膜筏中。
    • 功能：參與細胞識別、信號傳導等。

醣蛋白與醣化 (Glycoproteins and Glycosylation)

• 醣蛋白 (Glycoproteins)：蛋白質與糖鏈 (oligosaccharides) 共價結合。
• 糖鏈位置：醣蛋白上的糖鏈總是朝向細胞外側 (extracellular face) 或細胞器腔內 (lumenal face)。
• 醣化 (Glycosylation) 過程：發生在內質網 (ER) 和高爾基體 (Golgi apparatus) 的腔內 (lumen)。
• 方向性原因：這些腔內環境在細胞膜融合後會轉變為細胞外側，確保糖鏈的正確朝向。

非膜結構性脂質

• 游離脂肪酸 (Free Fatty Acids)：
  • 非細胞膜結構成分。
  • 為脂肪分解產物，或用於合成其他脂質 (如三酸甘油酯、磷脂質)，或作為細胞的能量來源。
  • 細胞內常與蛋白質結合運輸或被酯化儲存。

細胞內膜脂質運輸與動態

• 細胞內膜結構 (如內質網、高爾基體、粒線體、過氧化物酶體) 需持續交換脂質以維持其組成與功能。
• 脂質運輸主要透過兩種方式：
  • 囊泡運輸 (Vesicular Transport)
  • 非囊泡運輸 (Non-vesicular Transport)：
    • 通常發生於膜接觸位點 (Membrane Contact Sites)。
    • 依賴脂質運送蛋白 (Lipid Transfer Proteins) 進行。

細胞膜物質運輸

概述

• 細胞膜上的物質運輸方式分為被動運輸 (Passive Transport) 和主動運輸 (Active Transport)。

被動運輸 (Passive Transport)

• 不消耗能量。
• 順著濃度梯度或電化學梯度運輸。
• 類型：
  • 簡單擴散 (Simple Diffusion)
  • 促進性擴散 (Facilitated Diffusion)
  • 滲透 (Osmosis)

主動運輸 (Active Transport)

• 消耗能量。
• 逆著濃度梯度或電化學梯度運輸物質。
• 類型：
  • 初級主動運輸 (Primary Active Transport)：
    • 直接水解 ATP 提供能量。
    • 範例：鈉鉀幫浦 (Na+/K+-ATPase)。
    • 機制：
      1. 利用ATP水解能量，將3個Na+運出細胞，同時將2個K+運入細胞。
      2. 細胞內Na+ 結合後，幫浦被ATP磷酸化，導致對Na+親和力降低，Na+釋出細胞外。
      3. 磷酸化後，幫浦構型改變，對細胞外K+親和力增加，K+結合導致去磷酸化。
      4. 去磷酸化後，對K+親和力降低，K+釋出細胞內，同時對Na+親和力恢復，準備下一個循環。
  • 次級主動運輸 (Secondary Active Transport)：
    • 不直接水解 ATP。
    • 利用初級主動運輸建立的離子濃度梯度 (通常是 Na+ 或 H+) 所儲存的勢能驅動另一種物質運輸。
    • 運輸方式：
      • 同向運輸 (Symport / Cotransport)：兩種物質同向運輸。
      • 反向運輸 (Antiport / Countertransport)：兩種物質反向運輸。