Chapter 3 Cell membrane, outside of cell, and cell communication（對應Campbell6-7）

細胞常常被想象成隨意疊放，就好像腸子一樣塞滿體腔。但實則不然。腸子和細胞都是有結(jié)構(gòu)支撐的。對于內(nèi)臟來說，起到支撐與固定相對位置的是腹膜，而在細胞之間則是extracellular matrix (ECM). 但是ECM的作用與復雜程度遠超腹膜。

ECM連接細胞，直達內(nèi)部的cytoskeleton，甚至于細胞核有接觸。Integrins 連接著細胞內(nèi)外，作信號的傳導。細胞可以通過ECM進行長距離移動，就像細胞器在細胞內(nèi)利用cytoskeleton移動一樣，細胞可以在高速公路般的ECM上移動。同時，ECM還可以通過化學與物理的刺激誘導細胞表達特定的蛋白。

Cell junctions

細胞鄰里之間常常會聯(lián)通，他們通過cell junction的形式把cytoplasm直接相連，讓細胞內(nèi)的物質(zhì)自由遷移。

在植物中這種聯(lián)通常是以plasmodesmata的形式。Plasmodesmata可以允許細胞器在多個植物細胞中通過cytoskeleton移動，也可以傳輸水分和其他的營養(yǎng)。

在動物中常見的有三種cell junction：Tight Junctions, Desmosomes, and Gap Junctions。

簡單來說

????tight junctions就像淋浴間玻璃門上的膠條（不知道你們能不能腦補出來），在玻璃門（細胞）之間把縫隙堵住，不讓水（組織液）留的到處都是。皮膚細胞就有十分多的tight junctions，如果沒有我們的組織液就全部滲出了。

????desmosomes就像魔術貼，可以把細胞粘在一塊兒。

????gap junctions就像水管，雖然和plasmodesmata一樣可以把cytoplasm連起來，但是gap junction較小，只能允許小分子移動，像amino acid之類的才可以通過，protein等過不去更別提細胞器了。

Cell membrane

作為最重要的隔絕細胞內(nèi)外的城墻，細胞膜起到了阻擋與篩選通過的作用。

還記得Chapter 1 中提到的phospholipids與steroid嗎？細胞膜也稱phospholipids bilayer。它的主要組成就是他們倆。

phospholipids是amphipathic的分子，也就代表著它一頭親水一頭疏水，而雙層的則可以有效隔開兩種水環(huán)境。

而現(xiàn)在主流模型是fluid mosaic model，也就意味著細胞膜中的物質(zhì)是可以流動的。這里的fluidity則是與phospholipids本身的性質(zhì)有關。還記得chapter 1 中寫到的cis-unsaturated fatty acid的intermolecular force 較小嗎？這造成每一個phospholipids之間可以滑動，在溫度升高的情況下fluidity更高。

而為了穩(wěn)定細胞膜的fluidity，避免在太熱的情況下散架也避免在太冷的情況下不動，cholesterol卡在phospholipids之間，把fluidity維持著一個適當?shù)姆秶鷥?nèi)。

membrane protein 分為兩種：integral 與 peripheral. 其中peripheral不會鑲嵌在膜上而是輕輕地連在膜的表面。它們有六大功能

Membrane selective permeability

按照我們十分基礎的化學知識推斷，相似相容，所以只有aliphatic的small molecule才可以通過。如lipid, CO2, O2等等。像蛋白那么大的分子是肯定過不去的。所以在hormone傳遞信息時只有l(wèi)ipid hormone才可以直接進入細胞接觸細胞核，而protein hormone則是需要activate signal transduction cascade才可以。

那么非脂溶性/大型的分子怎么傳入傳出呢？

像水，H2O，中心氧有三個electron domain其中一個domain是lone pair，那么很明顯它是一個非對稱結(jié)構(gòu)，具有net dipole moment。所以雖然水分子很小但是穿過效率很低很低。為了攝取生命之源，細胞需要transport protein來幫忙。

transport分兩種，耗能和不耗能。不耗能就是passive transport讓物質(zhì)隨著濃度梯度（concentration gradient）移動，順流而下。而耗能的就是active transport，反著濃度梯度，逆流而上。

其中最簡單的passive transport就是diffusion。而diffusion有一個進階版就是facilitated diffusion，就是剛剛提到的給水分子傳輸用的transport protein. 水通道蛋白就是aquaporin。這些protein就是一條channel protein穿過細胞膜連接兩頭，像個管子。

如果你們有興趣可以去網(wǎng)上下載一個aquaporin的pdb文檔，用Python molecule viewer或者類似的軟件看看3D構(gòu)象就會發(fā)現(xiàn)真的像個管子。

這是我在PDB數(shù)據(jù)庫隨便搜的一個human aquaporin：https://doi.org/10.2210/pdb1H6I/pdb

這是上圖的鏈接。http://doi.org/10.2210/pdb2j9l/pdb

除了channel protein外還有另一種facilitated diffusion的transport protein

Active transport

需要能量反著濃度梯度的運輸。如果passive transport是充滿氣的氣球放氣那么active transport就是往已經(jīng)充了一點氣的氣球里吹起。

active transport 用的protein叫pump。在很多場景都可以見到，包括electron transport chain，neurons，等等。他們反的梯度也不只有濃度梯度，還有電壓梯度electrochemical?gradient（neuron），質(zhì)子梯度proton gradient（electron transport chain）.

Bulk transport

這個就是最大的傳送方式了。一進一出分別是胞吞（endocytosis）胞吐（exocytosis），非常形象。胞吞和胞吐都是通過改變細胞膜來傳輸?shù)摹＿€記得之前chapter 2 里提到的內(nèi)共生假說嗎？古菌吞了細菌形成真核生物。這個吞就是胞吞。而現(xiàn)在的mitochondria與chloroplast都有兩層膜，內(nèi)膜是自己的，外膜則是來自于細胞膜。在胞吞的過程中，一部分細胞膜把外面的物質(zhì)圈起來，然后脫離細胞膜變成一個裝著外界物質(zhì)的囊泡進入細胞內(nèi)。原來的細胞膜的缺口會彌合起來。胞吐則是反向，把一個裝有東西的囊泡結(jié)合到細胞膜上，里面的東西釋放后囊泡的膜結(jié)合到細胞膜形成細胞膜的一部分。

胞吞的物質(zhì)可以是食物，會與lysosome的囊泡合并然后就可以分解了。

最后再來講一下osmoregulation.

osmosis這一塊兒很多人都背不出來但是其實很簡單。

osmolarity越高?越咸?鹽含量越高。這個詞就記成吃到齁咸的食物時發(fā)出Oh Shit的感嘆就行了。鹽含量越高Oh Shit喊得越響。

對比溶液濃度的幾個詞，hypotonic,hypertonic,isotonic也很好記。hyper就是多嘛（這個應該算常識）所以hypertonic就是對于細胞而言外面的溶液環(huán)境太咸了，會讓水流失，無細胞壁的就shrivel了，有細胞壁的就plasmolyze.

iso就是同（isomer什么的都是這個開頭）所以就是一樣咸，所以no net movement of water

hypo是少的意思（這個用排除法就知道了）所以外環(huán)境太淡了水會往細胞里跑。無細胞壁的就lyse了，有細胞壁就會turgid。

細胞內(nèi)，外，膜基本就講完了。還有些內(nèi)容競賽才考，作為AP速通版我就不寫了（其實是懶）下一章開始就是步驟繁瑣但是好玩的metabolism了。