เซลล์วิทยาศาสตร์ตอนปลาย

เซลล์ของสิ่งมีชีวิต (Cell of organisms)

เซลล์ (Cell) หมายถึง หน่วยพื้นฐานที่เล็กที่สุดของสิ่งมีชีวิต มีรูปร่างลักษณะและขนาดแตกต่างกันขึ้นอยู่กับชนิดของสิ่งมีชีวิตและหน้าที่ของเซลล์เหล่านั้นเซลล์ที่มีขนาดเล็กที่สุดคือ ไมโครพลาสมา (Mycoplasma) หรือ PPLO (Pleuropneumonia - like organism) มีขนาดประมาณ 0.1 - 0.25 mเซลล์ที่มีขนาดใหญ่ที่สุด คือ เซลล์ไข่นกกระจอกเทศ

ประวัติการศึกษาเซลล์ (Cell)
ศตวรรษที่ 17 กาลิเลโอ ได้ประดิษฐ์แว่นขยายกำลังขยาย 2-5 เท่า ส่องดูสิ่งมีชีวิตเล็กๆ
ค.ศ.1665 Robert Hook ได้ประดิษฐ์กล้องจุลทรรศน์เลนส์ประกอบได้สำเร็จ ซึ่งมีกำลังขยาย 270 เท่า และนำไปส่องดูไม้คอร์กที่เฉือนบางๆและพบห้องว่างมากมายที่เขาเรียกว่า Cell ค.ศ.1839 ชวานน์และชไลเดน ได้เสนอ ทฤษฎีเซลล์ทฤษฎีเซลล์ (Cell Theory)เสนอโดย Schwann และ Schleiden มีใจความสำคัญว่า สิ่งมีชีวิตทั้งหลายประกอบด้วยเซลล์และผลิตภัณฑ์ของเซลล์ ในปัจจุบัน พบว่าสิ่งมีชีวิตที่ไม่ประกอบด้วยเซลล์ก็มี เช่น Virus และ Viroid เพราะเหตุว่า ไม่มีเยื่อหุ้มเซลล์และโพรโทพลาซึม

องค์ประกอบของเซลล์ประกอบด้วย
1. เยื่อหุ้มเซลล์
2. นิวเคลียส
3. ไรโบโซม
4. เอนโดพลาสมิกเรติคูลัม
5. กอลจิแอพพาราตัส (golgi apparatus)
6. ไลโซโซม (lysosome)
7. เพอโรซิโซม (peroxisome)
8. แวคิวโอล (vacuole)
9. ไมโทคอนเดรีย (mitochondria)
10. คลอโรพลาสต์ (chloroplasts)
11. สารโครงร่างของเซลล์ (cytoskeleton)
12. โครงสร้างผิวเซลล์ (cell surface structure)
13.โครงสร้างเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ (junction between cells)
เยื่อหุ้มเซลล์

โครงสร้างพื้นฐานของเซลล์
เซลล์มีโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญ 3 ส่วน คือ
1. ส่วนที่ห่อหุ้มเซลล์ แบ่งออกเป็น
    1.1 ผนังเซลล์ (Cell Wall)
    1.2 เยื่อหุ้มเซลล์ (Cell Membrane)
2. ไซโทพลาซึม (Cytoplasm) ประกอบด้วย
    2.1 ไซโทซอล (Cytosol)
    2.2 ออร์แกเนลล์ (Organelles)
3. นิวเคลียส (Nucleus) ประกอบด้วย
    3.1 เยื่อหุ้มนิวเคลียส (Nuclear Membrane)
3.2 นิวคลีโอพลาซึม (Nucleoplasm) ประกอบด้วย
- โครมาทิน (Chromatin)
- นิวคลีโอลัส (Nucleolus)

หน้าที่ของโครงสร้างพื้นฐานของเซลล์
1. ผนังเซลล์ เป็นโครงสร้างที่อยู่ด้านนอกของเยื่อหุ้มเซลล์พบเฉพาะในสิ่งมีชีวิตจำพวกแบคทีเรีย สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน เห็ด รา ยีสต์ สาหร่ายทุกชนิด และพืช โดยผนังเซลล์ทำหน้าที่เพิ่มความแข็งแรงให้แก่เซลล์และทำให้เซลล์คงรูปร่าง

ภาพที่ 1 ผนังเซลล์พืช

2. เยื่อหุ้มเซลล์ เป็นโครงสร้างที่พบในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ยกเว้นไวรัส เยื่อหุ้มเซลล์ประกอบด้วยสารหลัก

2 ชนิด คือ ฟอสโฟลิพิดและโปรตีน โดยฟอสโฟลิพิดจะจัดเรียงตัวเป็น 2 ชั้น ซึ่งจะหันส่วนที่ไม่ชอบน้ำ (ส่วนหาง)เข้าหากัน และหันส่วนที่ชอบน้ำ (ส่วนหัว) ออกจากกัน โดยมีโมเลกุลของโปรตีนกระจายตัวแทรกอยู่ระหว่างโมเลกุลของฟอสโฟลิพิด นอกจากนี้ยังมีคอเลสเตอรอล ไกลโคโปรตีน และไกลโคลิพิดเป็นส่วนประกอบของเยื่อหุ้มเซลล์ด้วย

ภาพที่ 2 โครงสร้างเยื่อหุ้มเซลล์

เยื่อหุ้มเซลล์ทำหน้าที่ห่อหุ้มเซลล์ และรักษาสมดุลของสารภายในเซลล์โดยควบคุมการผ่านเข้าออกของสารระหว่างเซลล์กับสิ่งแวดล้อมภายนอก ดังนั้นเยื่อหุ้มเซลล์จึงมีคุณสมบัติเป็นเยื่อเลือกผ่าน (Semipermeable Membrane)

3. ไซโทพลาซึม  ( Cytoplasm )  มีลักษณะเป็นของเหลว ประกอบด้วยสารที่สำคัญปนอยู่ คือ โปรตีน ไขมัน  คาร์โบไฮเดรต และเกลือแร่ต่างๆ รวมทั้งของเสียที่เกิดขึ้น ไซโทพลาซึมเป็นศูนย์กลางการทำงานของเซลล์ เกี่ยวกับเมตาโบลิซึม ทั้งกระบวนการสร้างและสลายอินทรียสาร ไซโทพลาซึมประกอบด้วยส่วนประกอบภายในที่อาจเรียกว่า อวัยวะของเซลล์  organelle มีหน้าที่แตกต่างกัน ได้แก่

     3.1 ร่างแหเอนโดพลาซึมหรือเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม (endoplasmic reticulum) มีทั้งชนิดเรียบและชนิดขรุขระ ทำหน้าที่ขนส่งสารภายในเซลล์

 

ภาพที่ 3.1 ร่างแหเอนโดพลาซึม

       
3.2  กอลจิคอมเพลกซ์ ( golgi complex หรือ golgi bodies หรือ golgi apparatus) เป็นที่สะสมโปรตีนเพื่อส่งออกนอกเซลล์

 

                           

ภาพที่ 3.2 กอลจิคอมเพลกซ์

    

3.3 ไมโทคอนเดรีย ( mitochondria ) มีลักษณะเป็นก้อนกลมๆ มีผนังหุ้มหนาที่ประกอบด้วยเยื่อ 2 ชั้นมีหน้าที่เผาผลาญอาหารเพื่อสร้างพลังงานให้แก่เซลล์ 

 

ภาพที่ 3.3 ไมโทคอนเดรีย 

3.4 คลอโรพลาสต์ ( chloroplast) พบเฉพาะในเซลล์พืชมีหน้าที่ดูดพลังงานแสง เพื่อใช้ในกระบวน

การสังเคราะห์ด้วยแสง ( กระบวนการสร้างอาหารของพืช )

ภาพที่ 3.4 คลอโรพลาสต์ 

3.5 แวคิวโอ ( vacuole ) มีขนาดใหญ่มากในเซลล์พืช มีลักษณะเป็นถุงมีเยื่อหุ้มบางๆ และเป็นที่สะสมสารต่างๆ มีน้ำเป็นส่วนใหญ่ เรียกว่า เซลล์แซพ ( cell sap ) มีเกลือ น้ำตาล และสารเคมีอื่นๆ ละลายอยู่

ภายใน

        

               ภาพที่ 3.5 แวคิวโอ

4. นิวเคลียส ( Nucleus ) มีลักษณะค่อนข้างกลม เป็นโครงสร้างของเซลล์ที่เห็นชัดอยู่ตรงกลางเซลล์ ทำหน้าที่เป็นศูนย์ควบคุมกิจกรรมต่างๆ  ภายในเซลล์ ถูกควบคุมโดยคำสั่งจากนิวเคลียสมีสารประกอบทางเคมีของนิวเคลียส ประกอบด้วย

      1. ดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (deoxyribonucleic acid) หรือ DNA เป็นส่วนประกอบของโครโมโซมนิวเคลียส

      2. ไรโบนิวคลีอิก แอซิด (ribonucleic acid) หรือ RNA เป็นส่วนที่พบในนิวเคลียสโดยเป็นส่วนประกอบของนิวคลีโอลัส

      3. โปรตีน ที่สำคัญคือโปรตีนฮีสโตน (histone) โปรตีนโพรตามีน (protamine) ทำหน้าที่เชื่อมเกาะอยู่กับ DNAส่วนโปรตีนเอนไซม์ส่วนใหญ่จะเป็นเอนไซม์ในกระบวนการสังเคราะห์กรดนิวคลีอิก และเมแทบอลิซึมของกรดนิวคลีอิก

โครงสร้างของนิวเคลียส ประกอบด้วย 3 ส่วน คือ 

 4.1 เยื่อหุ้มนิวเคลียส ( nuclear membrane)

เซลล์ที่มีเยื่อหุ้มนิวเคลียส เรียกว่า   เซลล์ยูคาริโอต (eukaryotic cell) ได้แก่เซลล์ของพืช สัตว์ โพรทิสตเซลล์ที่ไม่มีเยื่อหุ้มนิวเคลียส เรียกว่าเซลล์โพรคาริโอต (prokaryotic cell) ได้แก่แบคทีเรีย  สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน

4.2 โครมาทิน (chromatin)

เป็นส่วนของนิวเคลียสที่ย้อมติดสี เป็นเส้นใยเล็กๆ พันกันเป็นร่างแห ประกอบด้วย โปรตีนหลายชนิด และ DNA มีหน้าที่ควบคุมกิจกรรมต่างๆ ของเซลล์และควบคุมการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตทั่วไป 

4.3 นิวคลีโอลัส (nucleolus) 

เป็นส่วนของนิวเคลียสที่มีลักษณะเป็นก้อนอนุภาคหนาทึบ ประกอบด้วย โปรตีน และ RNA โดยโปรตีนเป็นชนิดฟอสโฟโปรตีน (phosphoprotein) และไม่พบโปรตีนฮีสโตนเลย นิวคลีโอลัสมีหน้าที่ในการสังเคราะห์ RNA ชนิดต่างๆ ดังนั้นนิวคลีโอลัสจึงมีความสำคัญต่อการสร้างโปรตีนเป็นอย่างมาก เนื่องจากไรโบโซมทำหน้าที่สร้างโปรตีน

การสื่อสารระหว่างเซลล์

         เมื่อเท้าของเราไปสัมผัสกับตะปูที่ร้อนเราจะชักเท้าออกจากตะปูทันที แสดงว่าเซลล์รับความรู้สึกที่ผิวหนังรับความรู้สึกและสื่อสารไปยังเซลล์ประสาท นำคำสั่งที่อยู่ไขสันหลัง สังการให้เซลล์กล้ามเนื้อที่ขาหดตัวยกขาออกจากตะปู แสดงว่าเซลล์ที่อยู่ไกลกันสามารถสื่อสารกันได้โดยที่เซลล์ประสาทรับความรู้สึก เมื่อรับความรู้สึก ก็จะมีการเคลื่อนที่ของกระแสประสาทไปตามใยประสาท เมื่อกระแสประสาทเคลื่อนที่ไปที่ปลายแอกซอนของใยประสาท ก็จะมีการปล่อยสารสื่อประสาทจากเซลล์หนึ่งส่งต่อให้อีกเซลล์หนึ่งซึ่งอยู่ใกล้กับปลายแอกซอน โดยที่เยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์ประสาทตัวรับจะมีโปรตีนซึ่งเป็นตัวรับสารสื่อประสาท

การสื่อสารโดยใช้ฮอร์โมนก็เป็นอีกตัวอย่างของการสื่อสารของเซลล์ที่อยู่ไกลกัน โดยเซลล์จากต่อมไร้ท่อจะส่งสารเคมีไปตามระบบหมุนเวียนเลือด ไปยังเซลล์ของอวัยวะเป้าหมาย

  จากที่กล่าวมาแล้วจะเป็นว่ากระบวนการสื่อสารระหว่างเซลล์มี 3 ขั้นตอน ได้แก่

       1. การรับสัญญาณ (reception) หมายถึง การที่เซลล์เป้าหมายรับสัญญาณ (signal) จากภายนอกเซลล์ โดยโปรตีนตัวรับซึ่งอยู่บริเวณผิวของเซลล์เป้าหมาย จับตัวกับโมเลกุลของสารเคมีที่หลั่งออกมาจากเซลล์อื่น เช่น ฮอร์โมน สารสื่อประสาท ถ้าเป็นสเตรอยด์ ตัวรับสัญญาณจะอยู่ภายในเซลล์

       2. การส่งสัญญาณ (signal transduction) เป็นการเปลี่ยนรูปแบบสัญญาณ เมื่อโมเลกุลของฮอร์โมนหรือสารสื่อประสาทจับกับโปรตีนตัวรับ ทำให้โปรตีนตัวรับเกิดการเปลี่ยนแปลงเพื่อส่งสัญญาณ

       3. การตอบสนอง (response) เป็นขั้นตอนที่เซลล์เป้าหมายแสดงกิจกรรมต่างๆ ตอบสนองต่อสัญญาณที่ได้รับ เช่น การหลั่งสารออกจากเซลล์ การจัดเรียงตัวของไซโทสเกเลตอน ทำให้เซลล์เปลี่ยนรูปร่าง การตอบสนองของเซลล์มีความจำเพาะต่อสารเคมี เพราะเซลล์ต่างชนิดกันมีโปรตีนที่เป็นตัวรับต่างชนิดกัน การตอบสนองจึงขึ้นอยู่กับชนิดของโปรตีนตัวรับของเซลล์นั้นๆ สิ่งสำคัญในการตอบสนองต่อสัญญาณ คือ ความสามารถของโปรตีนตัวรับในการเปลี่ยนรูปร่างกลับไปมาได้ เพื่อให้พร้อมที่จะตอบสนองเมื่อได้รับสัญญาณใหม่

การเปลี่ยนสภาพของเซลล์และการชราภาพของเซลล์
เซลล์เมื่อแบ่งตัวแล้วก็จะเปลี่ยนสภาพไป เพื่อทำหน้าที่เฉพาะอย่าง การแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส ทำให้ได้จำนวนเซลล์เพิ่มมากขึ้น และเป็นผลให้เกิดการเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตชนิดนั้น ซึ่งตามปกติแล้วจะเกิดกระบวนการต่าง ๆ 4 กระบวนการ ดังนี้
1. การเพิ่มจำนวนเซลล์ (cell multiplication)  ในสิ่งมีชีวิตที่เป็นเซลล์เดียว เมื่อมีการแบ่งเซลล์ เพื่อเพิ่มจำรนวนเซลล์ก็จะทำให้เกิดการสืบพันธุ์แบบไม่อาศัยเพศขึ้น ส่วนในพวกสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ เมื่อเกิดปฏิสนธิแล้ว เซลล์ที่ได้ก็ คือ ไซโกต ซึ่งจะมีการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส เพื่อเพิ่มจำนวนเซลล์ให้มากขึ้น ผลจากการเพิ่มจำนวนเซลล์ทำให้ได้เซลล์ใหม่มากขึ้น และมีขนาดเพิ่มขึ้น การจะมีเซลล์มากน้อยแค่ไหนก็แล้วแต่ชนิดของสิ่งมีชีวิตนั้นว่ามีขนาดเล็กหรือขนาดใหญ่เท่าใด

2. การเจริญเติบโต (growth)  ในสิ่งมีชีวิตที่เป็นเซลล์เดียว การเพิ่มของโพรโทพลาซึมก็จัดว่า เป็นการเจริญเติบโต เมื่อเซลล์ของสิ่งมีชีวิตแบ่งเซลล์ในตอนแรกเซลล์ใหม่ที่ได้จะมีขนาดเล็กกว่าเซลล์เดิม ในเวลาต่อมาเซลล์ใหม่ที่ได้จะสร้างสารต่าง ๆ เพิ่มมากขึ้นทำให้ขนาดของเซลล์ใหม่นั้นขยายขนาดขึ้น ซึ่งจัดเป็นการเจริญเติบโตด้วย ในสิ่งมีชีวิตพวกที่เป็นหลายเซลล์ ผลจากการเพิ่มจำนวนเซลล์ก็คือ การขยายขนาดให้ใหญ่โตขึ้น ซึ่งจัดเป็นการเจริญเติบโตด้วยเช่นกัน

3. การเปลี่ยนแปลงของเซลล์  เพื่อไปทำหน้าที่ต่าง ๆ (cell differentiation) สิ่งมีชีวิตที่เป็นเซลล์เดียวก็มีการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ เพื่อไปทำหน้าที่ต่าง ๆ เหมือนกัน เช่น มีการสร้างเซลล์ที่ทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่ไม่เหมาะสมได้ดี เช่น การสร้าง เอนโดสปอร์ (endospore) ของแบคทีเรียในพวกสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินก็มี เช่น การสร้างเซลล์พิเศษซึ่งเรียกว่า เฮเทอโรซิสต์ (heterocyst) มีผนังหนาและสามารถจับก๊าซไนโตรเจนในอากาศเปลี่ยนเป็นสารประกอบไนโตรเจนที่มีประโยชน์ต่อเซลล์ของสาหร่ายชนิดนั้น ๆ ได้
               ในสิ่งมีชีวิตที่มีการสืบพันธุ์แบบมีเพศ เมื่อไข่และสเปิร์มผสมกันก็จะได้เซลล์ใหม่ คือ ไซโกต ซึ่งมีเพียงเซลล์เดียว ต่อมาไซโกตจะแบ่งตัวเพิ่มจำนวนเซลล์ให้มากขึ้น เซลล์ใหม่ ๆ ที่ได้จะเปลี่ยนแปลงไป เพื่อไปทำหน้าที่ต่าง ๆ กัน เช่น เซลล์กล้ามเนื้อ ทำหน้าที่ในการหดตัว ทำให้เกิดการเคลื่อนที่หรือเคลื่อนไหว เซลล์เม็ดเลือดแดง ทำหน้าที่ลำเลียงก๊าซออกซิเจน เซลล์ประสาททำหน้าที่ในการนำกระแสประสาทเกี่ยวกับความรู้สึก และคำสั่งต่าง ๆ เซลล์ต่อมไร้ท่อ ทำหน้าที่สร้างฮอร์โมน เป็นต้น จะเห็นได้ว่าเซลล์ภายในร่างการของเราจะเริ่มต้นมาจากเซลล์เซลล์เดียวกัน แต่มีการเปลี่ยนแปลงไป เพื่อทำหน้าที่ต่าง ๆ กันไป เพื่อให้สิ่งมีชีวิตชนิดนั้น ๆ สามารถดำรงชีวิตอยู่ในสภาพแวดล้อมต่าง ๆ กันได้

4. การเกิดรูปร่างที่แน่นอน (morphogenesis)  เป็นผลจากการเพิ่มจำนวนเซลล์การเจริญเติบโต การเปลี่ยนแปลงของเซลล์ เพื่อทำหน้าที่ต่าง ๆ ขบวนการเหล่านี้จะเกิดขึ้นในระยะเอมบริโออยู่ตลอดเวลาที่มีการสร้างอวัยวะต่าง ๆ ขึ้น อัตราเร็วของการสร้างในแต่ละแห่งบนร่างกายจะไม่เท่ากัน ทำให้เกิดรูปร่างของสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดขึ้น โดยที่สิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดจะมีแบบแผนและลักษณะต่าง ๆ เป็นแบบที่เฉพาะตัว และไม่เหมือนกับสิ่งมีชีวิตชนิดอื่น ๆ ลักษณะต่าง ๆ เหล่านี้จะเป็นลักษณะทางพันธุกรรม ซึ่งถูกควบคุมโดยจีนบนโครโมโซมของสิ่งมีชีวิตชนิดนั้น ๆ

เซลล์

การเรียนการสอนวิชาวิทยาศาสตร์ตอนปลาย