علوم سلولی و مولکولی

[F E R E S H T E]

تاریخچه:

اولین اطلاعات درمورد طبیعت شیمیایی غشا یک سلول بوسیله آورتون بدست آمد. (بر اساس

حل شدن مواد قطبی و مواد غیر قطبی در حلال های قطبی) اصبات کرد که برای ورود یک ماده به

درون سلول ابتدا در قشا حل می شود. برای آزمودن نفوذ پذیری غشا: کرک های ریشه گیاه را در

صدها محلول مختلف واجد مواد با قابلیت حل شوندگی مختلف قرار داد و کشف کرد که لیپید

قابلیت حلال یت بیشتری داشته و خیلی سریع تر وارد سلول های کرک ریشه خواهد شد.


اولین طرحی که غشاهای سلولی دارای دو لایه لیپیدی هستمند به وسیله گوتر و گرندل در سال

1925 مطرح شد. اینها با استخراج لیپید از گلبول های قرمز انسان ، سطحی از لیپید را که در

سطح آب پراکنده می شد اندازه گرفتند(چون گلبول های قرمز فاقد اندامک اند) غشا پلاسمایی

تنها ساختمان واجد لیپید است و تمام لیپید های استخراج شده از سلولها را می توان فرض کرد

که در غشاهای پلاسمایی واقع شده اند. نسبت سطح آب پوشیده شده بوسیله لیپید استخراج

شده به سطح سلولهای قرمز خون که لیپید از آنها استخراج شده بود بین 1.8-1 ،1.2-1 متغیر

است. این دو حدس زدند نسبت واقعی 2:1 است و بنابراین نتیجه گرفتند که غشای پلاسمایی

دارای یک لایه دو مولکولی از لیپید است. همچنین پیشنهاد کردند که گروه های قطبی از هر لایه

ی مولکولی به سمت خارج محیط آبی قرار دارند( این سازمان دهی از لحاظ ترمودینامیک مطلوب

است)، نهایتا گورتر و گرندل به این نتیجه رسیدند که غشاها دارای دو لایه لیپیدی هستند.


دهه 1930-1920 فیزیولوژیست های سلول مدارکی بدست آوردند که ساختمان غشاها بیش از

یک لیپید دو لایه است. مثلا کشش سطحی غشاها کمتر از ساختارهایی که فقط ار لیپید تشکیل

شده بودند برآورد شده بود. این کاهش در کشش سطحی ممکن است با حضور پروتئین در غشا

توجیه شود.

داوسون و دانیلی مطرح کردند که غشا پلاسمایی از یک لیپید دو لایه تشکیل شده که روی سطح

داخلی و خارجی اش یک لایه پروتئین های کروی قرار گرفته. آنها مدلشان را در اوایل 1950 اصلاح

کردند تا نفوذپذیری غشاها را توضیح دهند. آنها پیشنهاد کردند که علاوه بر لایه های پروتئینی

داخلی و خارجی، لیپید دو لایه همچنین به وسیله منافذ پروتئینی شکافته شده که کانالهایی را

برای حل شونده های قطبی و یون ها فراهم می کند.


آزمایشات اواخر دهه 1960 منجر به مفهوم جدیدی از ساختار غشا شد.

همانگونه که در مدل موزائیک سیال در سال 1972 بوسیله singer وnicolson مطرح شد. در این

مدل، لیپید دو لایه غشا باقی مانده ولی توجه روی حالت فیزیکی لیپید متمرکز می شود. بر خلاف

مدل های قبلی، دو لایه یک غشا موزائیک سیال در حالت مایع هستند و مولکول های لیپید می

توانند در سطح غشا بطور جانبی حرکت کنند. ترتیب پروتئین ها نیز در این مدل با مدل های قبلی

متفاوت است. طوریکه آنها به صورت موزائیک ی اند که در سطح لیپید نفوذ کردند موجودند. این

مدل غشاهای سلولی را بصورت ساختارهای متحرک و پویا نشان می دهد که اجزا تشکیل دهنده

ی آن متحرک اند و قادر به برهم کنش نیکه پایدار یا گذرا با یکدیگر هستند.

[F E R E S H T E]

ترکیب شیمیایی غشاها:
لیپوپروتئین است که از طریق پیوندهای غیرکووالانس کنار هم جمع می شوند.
نسبت لیپید به پروتئین بسته به نوع غشا(پلاسمایی،گلژی و...)، نوع ارگانیسم(گیاه، جانور و...) و نوع سلول( غضروف،کبد و...) فرق میکند. تا حد زیادی این تفاوت ها به عمل این غشاها وابسته است. غشا میلین( لیپید بیشتری دارد) مقاومت الکتریکی بالا را تامین می کند(عایق). غشای داخلی میتوکندری(پروتئین بیشتری دارد) چون زنجیره انتقال الکترون در آن واقع شده است.

لیپید های غشا:
انواع مختلف داشته و همه آمفی پاتیک هستند.
سه نوع اصلی لیپیدهای غشایی عبارتند از:
1-فسفوگلیسیریدها
2-اسفنگولیپیدها
3-کلسترول
در گلبول قرمز انسان:
52% پروتئین-40% لیپید-8%قند وجود دارد.

هر نوع غشای سلولی ترکیب لیپیدی خاص خودش را دارد. لیپیدها اثرات مهمی روی خواص بیولوژیکی غشا دارند و فعالیت پروتئینهای ویژه غشایی را تحت تاثیر قرار می دهد. بدلیل انعطاف پذیری لیپید دولایه، غشاها قادر به تغییر شکل هستند.
مثال: در طی حرکت و تقسیم سلول رخ می دهد.
همچنین لیپید دو لایه الحاق (جوانه زدن غشاها) را تسهیل می کند.
مثال: ترشح، لقاح و...
ویژگی مهم دیگر لیپید دولایه خود تجمعی است(لیپوزوم ها و...)

[F E R E S H T E]

کلسترول

که ممکن است در سلول های جانوری بیش از 50% مولکول های لیپید غشای پلاسمایی را

تشکیل دهد. غشاهای پلاسمایی اغلب گیاهان و تمام سلول های باکتریایی فاقد کلسترول است

در مقایسه با لیپیدهای دیگر غشا کوچکتر و کمتر آمفی پاتیک است. نحوه ی قرار گرفتن کلسترول

در غشا؛ حلقه های یک مولکول کلسترول صاف و سخت(انعطاف ناپذیر است) و آنها با حرکات

دمهای اسید چرب فسفولیپیدها تداخل دارند. بسته به دما، کلسترول اثراتع متفاوتی روی سیالیت

غشا دارد. در دماهای بالا، مانع حرکت زنجیره های اسیدچرب فسفولیپیدها شده و بخش خارجی

غشا کمتر سیال است و نفوذ پذیریش را به مولکول های کوچک کاهش می دهد. در دمای پایین

اثر مخالف دارد.با ممانعت از برهم کنش بین زنجیره های اسیدچرب،کلسترول سیالیت غشا را

حفظ میکند.بسته به گونه و نوع سلول،محتوای کربوهیدرات های غشا در محدوده ی 10-2% وزن

را تشکیل می دهد.

مثال: گلبول های قرمز انسان؛ 8% کربوهیدرات دارد. بیش از 90%کربوهیدرات غشا بصورت

کووالانس با پروتئین ها پیوند شده و گلیکوپروتئین ها را تشکیل می دهد. بقیه با لیپید ها پیوند

شده و گلیکولیپید را تشکیل می دهد. تمام کربوهیدرات های غشای پلاسمایی به طرف خارج،

فضای خارج سلولی قرار گرفته(کربوهیدرات غشا های درون سلولی دور از سیتوزول قرار دارند).

الیگوساکاریدهای متصل شده به پروتئین ها و لیپیدهای غشا تنوع زیادی در ترکیب و ساختار

نشان می دهند و ممکن است از طریق دو نوع پیوند مهم به آمینو اسیدها متصل شوند.(آمیدی و
الکلی)

کربوهیدراتها در بر هم کنش با محیط سلول نقش دارند. کربوهیدراتهای گلیکولیپیدهای غشای

پلاسمایی سلول خونی قرمز، گروه خونی شخص را تعیین می کنند.A,B,AB,O

[F E R E S H T E]

ساختمان و عمل پروتئین های غشا:

[F E R E S H T E]

بسته به نوع سلول و اندامک خاص درون آن سلول، غشا ممکن است دارای صدها

پروتئین مختلف باشد.

پروتئین های غشایی به سه کلاس مجزا گروهبندی می شوند:


Integral protein.1

Peripheral protein.2

Lipidid anchored protein.3

دسته ی اول: که در لیپید دو لایه نفوذ کرده، در واقع تمام این پروتئین ها احتمالا پروتئین های عرض غشایی هستند یعنی

کاملا از لیپید دو لایه گذشته و در نتیجه دومین هایی دارن که از هر دو سطح سیتوپلاسمی و خارج سلولی غشا بیرون

زدگی دارد. بعضی از این پروتئین ها تنها یک قطعه مارپیچ غشایی دارند در صورتیکه تعدادی دیگر چندین مارپیچ دارند. این

پروتئین ها آمفی پاتیک هستند. بخش هیدروفوب با لیپیدهای غشا مرتبط است و بخش هیدروفیل با دو سطح داخلی و

خارجی غشا مرتبط است. برای جداسازی این پروتئین ها باید از دترجنت های یونی یا غیر یونی استفاده نمود. یونی مثل:
SDS و غیر یونی مثل: Triton X-100

دسته ی دوم: که کاملا بیرون لیپید دولایه واقع شده، روی سطح خارج سلولی یا سیتوپلاسمی، ولی به سطح غشا با

پیوندهای غیر کووالانت متصل می شود.(از طریق پیوندهای الکترواستاتیک ضعیف)

این پروتئین ها به کمک محلول های نمک جدا می شوند.

دسته ی سوم: که خارج لیپید دولایه واقع شده، روی سطح سیتوپلاسمی یا خارج سلولی ولی بطور کووالانت به یک

مولکول لیپید پیوند میشود که درون دولایه واقع شده است.

مثال: پروتئین اسکراپی سلول نرمالras-src-prpc

[F E R E S H T E]

سیالیت غشاء

عوامل مؤثر در سیالیت غشاء:

1.تعداد اسیدهای چرب غیر اشباع؛

هر اندازه تعداد اسیدهای چرب غیراشباع بیشتر باشد، سیالیت غشا بیشتر است.

2.طول زنجیره اسید چرب

زنجیره های آسیل چرب کوتاهتر یک فسفولیپید، دمای ذوبش کمتر است.

اهمیت سیالیت غشاء

بسسیاری از فرایندهای مهم سلولی شامل حرکت سلولی،رشد سلول،تشکیل اتصالات بین

سلولی و اندوسیتوز وابسته به حرکت اجزاء غشایی است.

سیالیت غشاء به روش های مختلف حفظ می شود. مثلا با تبدیل باندهای یگانه در زنجیرهای

اسید چرب به باندهای دوگانه به کمک desaturase.

حفظ سیالیت غشاها بوسیله تغییر در ترکیب آسیل چرب در تعدادی از ارگانیسم ها نشان داده

شده است. از جمله پستانداران زمستان خواب، گیاهان مقاوم به سرما و باکتری هایی که در

چشمه های آب گرم زندگی میکنند.

[F E R E S H T E]

اتصال سلول ها به یکدیگر

1.اتصال محکم(Tight junction): مهم ترین نوع اتصال اند و به اتصال مسدود معروف اند. در این نوع

اتصال فضای بین سلولی مسدود است. به نظر میرسد که اتصال های سلولی از این نوع برای

بستن راه انتشار باشد. سلول های پوششی جدار روده و رگهای خونی بعضی از اتصالات محکم

در مقایسه با اتصالات محکم دیگر که نفوذناپذیرند به یونهای خاص یا محلول ها نفوذپذیرند.

برای مثال تمام سلول های لوله کلیوی انسان با سلول های مجاورشان از طریق اتصالات محکم

مرتبط هستند ولی فقط ناحیه کوچکی از توبول،اتصال محکمی دارد که به یونهای mg نفوذپذیر

است. این محل،محلی در توبول است که یون های mg بازجذب می شوند و از مایع توبولی به

خون برمیگردند. میکروگراف الکترونی نشان میدهد که اوکلودین و کلودین(occluding & claudin) با

همدیگر درون فیبریلهای خطی اتصال محکم وجود دارند. حداقل 20 کلودین مختلف شناسایی

شده و تفاوت هایی در توزیع این پروتئینها ممکن است تفاوت هایی را در نفوذپذیری اتصال محکم

که ذکر شد توضیح دهد.

نقش اتصالات محکم در سلول های پوششی مویرگ های مغز و ایجاد سد خونی- مغزی بسیار

مهم بوده و مانع عبور مواد از جریان خون به داخل مغز میشود.

[F E R E S H T E]

2.اتصال باز(Gap junction): در این نوع اتصال فاصله ی بین دو غشا 2nm است، بیشتر در بین

سلولهای کبد، مثانه و عضلات صاف مشاهده می شود. شامل اجسام 6 ضلعی به قطر 90-70

آنگستروم است که هریک از اجسام 6 ضلعی دارای یک مجرای باریک مرکزی (Annulus) به قطر

15 آنگستروم هستند، که در فضای بین سلولی به هم ارتباط دارند. این مجاری موجب انتقال مواد

بدون کوچکترین تغییر از سلولی به سلول مجاور می شوند. این نوع اتصال بویژه در جنین نقش

مهمی را بر عهده دارد. به اجسام 6 ضلعی connexion و به زیرواحدهای تشکیل دهنده ی آن

connexion می گویند. در پستانداران، مولکول هایی با وزن مولکولی کمتر از حدود 1000 دالتون

می توانند از اتصالات سوراخدار عبور کنند. بر خلاف کانال های یونی که سلول را به محیط خارج

متصل می کند و به صورت انتخابی عمل می کنند.کانال های اتصالات سوراخ دار به طور انتخابی

عمل نمی کنند و اگر مولکول به اندازه کافی کوچک باشد قادرند از اتصال سوراخدار عبور کنند.

عوامل مختلفی از جمله؛ افزایش غلظت ca درون سلولی باعث بسته شدن کانال های اتصال

سوراخدار می شود. تحت شرایط طبیعی بسته شدن کانال احتمالا ناشی از فسفریلاسیون

زیرواحدهای کانکسین می باشد.

اتصالات سوراخدار(باز) باعث ارتباط سیتوپلاسم نزدیک تعداد زیادی از سلولهای یک بافت می

شوند. این موضوع از لحاظ فیزیکی خیلی مهم است چون تعدادی از مواد تنظیم کننده خیلی فعال

از جمله cAMP و اینوزیتول فسفات می توانند از کانال های این نوع اتصال عبور کنند.

در نتیجه، وجود اتصال سوراخدار باعث می شود تا سلول های یک بافت بتوانند بصورت یک واحد

فیزیولوژیکی عمل کنند. بعنوان نمونه، اگر چند سلول در مجاورت یک رگ خونی بوسیله هورمونی

تحریک شوند، تحریک به سرعت به تمام سلول های بافت منتقل می شوند.

[F E R E S H T E]

3.اتصال چسبنده(Adherens junction):این نوع اتصال بخصوص درسلول های پوششی وجود دارند،

مثل پوشش روده، بطوریکه آنها به صورت کمربندی که هر کدام از سلول ها را نزدیک سطح

رأسیشان در برگرفته وآن سلول را به سلول های اطرافش متصل می کنند. سلول های این نوع

اتصال از طریق پیوندهای وابسته به Ca که بین دومین های خارج سلولی مولکول های کدهرین

تشکیل شده در کنار یکدیگر قرار می گیرند.که یکی به فاصله 30nm بین سلول های مجاور ایجاد

میکند. دومین سیتوپلاسمی این کدهرین ها بوسیله ی کاتنین ها به تعدادی از پروتئین های

سیتوپلاسمی از جمله فیلامنت های اکتین اسکلت سلولی وصل می شود. بنابراین کدهرین های

اتصال چسبنده محیط خارجی را به اکتین اسکلت سلولی وصل نموده و یک مسیر بالقوه را برای

انتقال سیگنال ها از خارج سلول به سیتوپلاسم فراهم می کنند.

نکته: کدهرین؛ خانواده ی بزرگی از گلیکوپروتئین هاست که چسبندگی سلولی وابسته به Ca را

فراهم موجب می شود و سیگنال ها را از ECM(ماتریکس خارج سلولی) به سیتوپلاسم انتقال

می دهد.

[F E R E S H T E]

4.دسموزوم ها(Desmosomes):

اتصالات چسبنده دیسکی شکل هستند، در بافت هایی که در معرض فشار مکانیکی هستند مثل

عضله قلبی و لایه های اپی تلیال پوست مشاهده می شوند. شبیه اتصالات چسبنده، دارای

کدهرین ها هستند که دو سلول مجاور را در یک فاصله 30nm بهم متصل می کند. کدهرین ها در

دسموزومها دارای یک بخش ساختاری متفاوت با اتصالات چسبنده هستند که تحت عنوان

دسموژلین ها و دسموکولین ها مطرح می شوند. پلاک های سیتوپلاسمی متراکم روی سطح

درونی غشاهای پلاسمایی بعنوان لنگرگاهی برای بخش های لوپ مانند فیلامنتهای حد واسط

شبیه آنهایی که در همی دسموزوم ها هستندعمل میکنند. فیلامنتهای حد واسط به دومین های

سیتوپلاسمی کدهرین های دسموزومی از طریق پروتئین های دیگر متصل می شوند.

5.اتصالات سیناپسی:

دراین نوع اتصالات انتهای اکسون در حال رشد میتواند به سلول هدف خود

متصل شود.

به عنوان مثال: در طی رشد و نمو چشم انسان