การรักษาดุลยภาพของเซลล์

การรักษาดุลยภาพของเซลล์ 

คำถามนำ  
เยื่อหุ้มเซลล์ควบคุมการลำเลียงสารเข้าและออก เพื่อรักษาดุลยภาพของเซลล์อย่างไร

ดังที่กล่าวมาแล้วว่า   เซลล์จะดำรงชีวิตอยู่ได้จะต้องประกอบไปด้วยองค์ประกอบและออร์แกเนลล์ต่างๆ ที่ทำหน้าที่แตกต่างกัน   นอกจากนี้แล้วเซลล์จะดำรงชีวิตอยู่ได้ยังขึ้นอยู่กับสภาวะแวดล้อมของเซลล์ที่เหมาะสมอีกด้วย   สภาวะแวดล้อมของเซลล์ เช่น อุณหภูมิ น้ำ สารอาหาร แก๊ออกซิเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ ฯลฯ เพราะถ้าสภาวะแวดล้อมภายนอกเปลี่ยนแปลงจะมีผลกระทบต่อเมแทบอลิซึมของเซลล์   สภาวะแวดล้อมภายนอกเซลล์และสภาวะแวดล้อมภายในเซลล์แบ่งแยกจากกันโดยเยื่อหุ้มเซลล์   ตลอดเวลาที่เซลล์ยังมีชีวิตอยู่จะมีการลำเลียงสารเข้าและออกจากเซลล์ตลอเวลา   แต่เนื่องจากเยื่อหุ้มเซลล์มีสมบัติในการเลือกที่จะให้สารบางชนิดเคลื่อนที่ผ่านได้แตกต้างกัน   สมบัติดังกล่าวทำให้เยื่อหุ้มเซลล์มีบทบาทสำคัญในการควบคุมองค์ประกอบทางเคมี หรือสภาวะแวดล้อมภายในเซลล์

สิ่งที่น่าสงสัยคือเยื่อหุ้มเซลล์ควบคุมการลำเลียงเข้าและออกของสารเพื่อรักษาดุลยภาพในเซลล์ได้อย่างไร

นักชีววิทยาได้ศึกษาการลำเลียงสารเข้าสู่เซลล์ พบว่ามี 2 ด้วยกันคือ การลำเลียงผ่านเยื่อหุ้มเซลล์และการลำเลียงไม่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์


4.3.1 การลำเลียงสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ 
การลำเลียงแบบไม่ใช้พลังงาน 
การแพร่เป็นการเคลื่อนที่ของอนุภาคของสารจากบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารสูงไปสูงบริเวณที่ความเข้มข้นต่ำ   สารที่มีขนาดเล็กและละลายในไขมันได้ดี   และไม่มีขั้วจะเข้าสู่เซลล์   โดยกระบวนการแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้ดี   และมีอัตราการแพร่ผ่านเยื้หุ้มเซลล์ได้สูง เช่น การแพร่ของออกซิเจน คาร์บอนไดออกไซด์ ไนโตรเจน เป็นต้น


ภาพที่ 4-19 การแพร่ของสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์

 

ดังที่ได้กล่าวมาแล้วว่า   เยื่อหุ้มเซลล์เกือบทุกชนิดยอมให้น้ำแพร่ผ่านได้   ดังนั้นหากมีความเข้มข้นของสารละลายระหว่างสองด้านของเยื่อหุ้มเซลล์ต่างกัน   น้ำจะแพร่ผ่านยื่อหุ้มเซลล์จากด้านที่มีความเข้มข้นของสารละลายต่ำไปยังด้านที่มีความเข้มข้นของสารละลายสูงกว่า ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าออสโมซิส


รู้หรือเปล่า ? 
การที่น้ำออสโมซิสออกจากเซลล์เรียกว่า พลาสโมไลซิส

การออสโมซิสของน้ำทำให้ปริมาตรของเซลล์เปลี่ยนแปลงเนื่องจากเยื่อหุ้มเซลล์ส่วนใหญ่ยอมให้น้ำแพร่เข้าออกได้   มีผลกระทบต่อปริมาณเซลล์  ถ้าเป็นเซลล์พืชซึ่งมีผนังเซลล์ที่หนาและแข็งแรงอยู่ชั้นนอกของเยื่อหุ้มเซลล์   ผนังเซลล์เป็นตัวกำหนดปริมาตรของเซลล์   สำหรับเซลล์สัตวืไม่มีผนังเซลล์  ปริมาตรของเซลล์จะเพิ่มมากขึ้นเมื่อน้ำแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เข้าสู่เซลล์มากขึ้น   อาจทำให้เยื่อหุ้มเซลล์ขาดและเสียหายได้

 

จากการศึกษาการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์เม็ดเลือดแดงโดยกระบวนการออสโมซิสพบว่า   เมื่อนำเซลล์นำเซลล์เม็ดเลือดแดงไปใส่ในสารละลายที่มีความเข้มข้นเท่ากับสารละลายภายในเซลล์เม็ดเลือดแดง   ปริมาตรของเซลล์จะไม่เปลี่ยนแปลง (ภาพที่ 4-20ก.) เรียกสารละลายภายนอกเซลล์ที่มีความเข้มข้นเท่ากับภายในเซลล์ว่า สารละลายไอโซโทนิก(isotonic solution) และเมื่อนำเม็ดเลือดแดงไปแช่ในสารละลายที่มีความเข้นข้นสูงกว่าสารละลายในเซลล์ซึ่งเรียกว่า สารละลายไฮเพอร์โทนิก(hypertonic solution) น้ำจากภายในเซลล์จะออสโมซิสออกนอกเซลล์มากกว่าเข้าไปในเซลล์  ปริมาตรของเซลล์จะลดลงเห็นได้จากเม็ดเลือดแดงที่เหี่ยว (ภาพที่ 4-20ข.)   แต่เมื่อนำเม็ดเลือดเงไปแช่ในสารละลายที่มีความเข้มข้นต่ำกว่าสารละลายภายในเซลล์ซึ่งเรียกว่ สารละลายไฮโพโทนิก(hypotonic solution) น้ำจากสารละลายภายนอกเซลละออสโมซิสเข้าไปในเซลล์มากกว่าออกมานอกเซลล์   เซลล์จะเต่งเพิ่มขึ้น (ภาพที่ 4-20ค.) ซึ่งถ้าความเข้มข้นของสารละลายภายนอกต้ำกว่าภายในเซลล์มาก   ปริมาณน้ำที่ออสโมซิสเข้าสู่เซลล์มากจนทำให้เซลล์แตกได้

 
ภาพที่ 4-20 การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์เม็ดเลือดแดงจากกระบวนการออสโมซิส

 

-     จงเปรียบเทียบปริมาณของน้ำที่เข้าและออกจากเซลล์เม็ดเลือดแดงที่ใส่ในสารละลายไฮโซโทนิก ไฮเพอโทนิกและไฮโพโทนิก ว่าแตกต่างกันอย่างไร
ขณะที่เกิดกระบวนการออสโมซิส (osmotic pressure) เกิดขึ้น นักเรียนสามารถศึกษาแรงดันออสโมซิสได้จากกิจกรรม 4.3


กิจกรรมที่ 4.3 แรงดันออสโมซิส 
ออกแบบเครื่องมือวัดความดันออสโมซิสอย่างง่าย   เพื่อเปรียบเทียบแรงดันออสโมซิลระหว่างน้ำกลั่นกับสารละลายที่มีความเข้มข้นต่างกัน   โดยใช้วัสดุอุปกรณ์ เช่น ไข่เป็ด หรือกระดาษเซลโลเฟน
-    ถ้าการแพร่ของน้ำเข้าและออกจากเซลล์เท่ากันเราเรียกสภาวะเช่นนี้ว่า สมดุลการแพร่ (dynamic equilibrium) นักเรียนจะทราบได้อย่างไรว่าการทดลองเกิดสภาวะสมดุลของการแพร่แล้ว

น้ำจากภายนอกเคลื่อที่เข้าไปภายในอุปกรณ์ดังกล่าว   โดยผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เข้าไป   ทำให้ระดับของสารละลายในอุปกรณ์สูงขึ้น   แรงดันของน้ำที่อยู่ภายในเซลล์ที่เกิดจากน้ำแพร่เข้าไปเรียกว่า แรงดันเต่ง(turgor   pressure) และแรงดันเต่งสูงสุดมีค่าเท่ากับแรงดันออสโมซิส   
-   แรงดันออสโมซิสในสารละลาย   และแรงดันเต่งในเซลล์มีความเกี่ยวข้องกันอย่างไร


รู้หรือเปล่า ? 
แรงดันออสโมซิส หมายถึงแรงดันที่เกิดขึ้นในกระบวนการออสโมซิส   เพื่อต้านการเคลื่อนที่ของน้ำผ่านเยื่อเลือกผ่านเข้าสู่เซลล์   ค่าแรงดันออสโมติส แปรผันตามความเขมข้นของสารละลาย

จากกิจกรรมที่ 4.3 นักเรียนคงทราบแล้วว่า   การเคลื่อนที่ของน้ำเข้าสู่เซลล์   เป้นผลทำให้เกิดแรงดันเต่งและทำให้เซลล์เกิดการเต่ง   การที่น้ำเคลื่อนที่เข้าสู่เซลล์นี้แสดงว่าความเข้มข้นของสารละลายภายนอกเซลล์เป็นสารละลายไฮโพโทนิก   ถ้าน้ำเคลื่อนที่ออกจากเซลล์แรงดันเต่งจะลดลง   แสดงว่าสารละลายภายนอกเซลล์เป็นสารละลายไฮเพอร์โทนิก


กิจกรรมที่ 4.4 การรักษาสมดุลของเซลล์พืช 
จงหาสารละลายไฮโซโทนิก ไฮเพอร์โทนิก และไฮโพโทนิกของเซลล์สาหร่ายหางกระรอก  และบันทึกการเปลี่ยนแปลง

-   นักเรียนจะสรุปผลการทดลองอย่างไร
-   ผลการทดลองของนักเรียนเหมือนหรือแตกต่างกับเพื่อนคนอื่นหรือไม่นักเรียนจะอธิบายผลอย่างไร
-   ถ้าเปลี่ยนจากสาหร่ายเป็นเซลล์พืชอื่น  ผลการทดลองจะเหมือนกับเซลล์ของสาหร่ายหางกระรอกหรือไม่ เพราะเหตุใด


การแพร่แบบฟาซิลิเทต(facilitate diffusion) เป็นการแพร่ของสารที่ไม่สามารถแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้โดยตรง   ต้องเคลื่อนผ่านช่องโปรตีนหรือโปรตีนตัวพาภายในเยื่อหุ้มเซลล์เช่น ไอออนต่างๆ กลีเซอรอล เป็นต้น   การแพร่แบบนี้เกิดขึ้นได้   โดยไม่ต้องอาศัยการพลังงานและเกิดขึ้นเมื่อมีความแตกต่างระหว่างความเข้มข้นของสารภายนอกกับภายในเซลล์   สารจะเคลื่อนที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์จากด้านที่มีความเข้มข้นสูงไปยังด้านที่มีความเข้มข้นต่ำเสมอจนกว่าจะมีความเข้มข้นเท่ากัน   ทำให้เกิดสภาวะสมดุลการแพร่   ซึ่งยังคงมีการเคลื่อนที่ผ่านช่องของเยื่อหุ้มเซลล์ทั้ง 2 ด้านด้วยอัตราเท่ากัน   การแพร่แบบฟาซิลิเทตมีอัตราการแพร่เร็วกว่าการแพร่แบบธรรมดาหลายเท่า   ดังภาพที่4-21 และเป็นกระบวนการที่มีความจำเพาะในการลำเลียงสารที่มีโครงสร้างทางเคมีแบบใดแบบหนึ่งเท่านั้น

ภาพที่ 4-21 การแพร่แบบฟาซิลิเทต


การลำเลียงแบบใช้พลังงาน(active transport) เป็นการลำเลียงสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์จากบริเวณที่มีความเข้มข้นน้อยไปสู่ความเข้มข้นมาก   การขนส่งลักษณะนี้เซลล์ต้องนำพลังงานที่ได้จากการสลายสารอาหารมาใช้  หากเปรียบกับถังเก็บน้ำ   การแพร่แบบธรรมดาหรือการแพร่แบบฟาซิลิเทตจะเหมือนกับการปล่อยน้ำลงจากถังเก็บน้ำที่อยู่บนหอคอย  โดยมีแรงโน้มถ่วงเป็นตัวดึงให้น้ำไหลลงมา   ส่วนการลำเลียงแบบใช้พลังงานเปรียบเทียบได้กับการสูบน้ำขึ้นสู่ถังเก็บน้ำที่อยู้บนหอคอย   โดยใช้พลังงานไฟฟ้าเดินเครื่องสูบน้ำเพื่อสร้างแรงดันเอาชนะแรงโน้มถ่วง

การลำเลียงแบบใช้พลังงาน   อาศัยโปรตีนที่แยกอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ทำหน้าที่เป็นตัวลำเลียงเช่นเดียวกับการแพร่แบบฟาซิลิเทตแตกต่างกันตรงที่เซลล์ต้องใช้พลังงานที่ได้จากการสลายพันธะของสารที่มีพลังงานสูงบางชนิด เช่น ATP เพื่อเป็นแรงผลักดันในการลำเลียง ซึ่งมีทิศทางตรงข้ามกับการแพร่


รู้หรือเปล่า ? 
ATP (adenosine triphosphate) เป็นสารที่มีพลังงานสูง เมื่อสลายตัวโดยการปลดปล่อยหมู่ฟอสเฟตออกมา   จะมีการคายพลังานออกมา   เพื่อให้เซลล์ได้ใช้ในการทำปฏิกิริยาต่างๆ

 
ภาพที่ 4-22 การลำเลียงแบบใช้พลังงาน


4.3.2 การลำเลียงสารโดยไม่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์  
ในกรณีที่มีการลำเลียงสารโมเลกุลใหญ่เข้าหรือออกจากเซลล์   ซึ่งสารโมเลกุลใหญ่เหล่านี้ไม่สามารถผ่านเยื่อหุ้มเซลล์หรือโปรตีนในเยื่อหุ้มเซลล์ได้โดยตรง   จึงไม่สามารถใช้กระบวนการแพร่แบบฟาซิลิเทต และการลำเลียงแบบใช้พลังงานได้   เซลล์สามารถลำเลียงสารเหล่านี้ได้ด้วยกลไกการลำเลียง  โดยการสร้างเวสิเคิลจากเยื่อหุ้มเซลล์หรือออร์แกเนลล์

เยื่อหุ้มเซลล์และเยื่อหุ้มออร์แกเนลล์มีลิพิดเป็นองค์ประกอบทำให้เยื่อหุ้มสามารถคอดและแยกตัวออกเป็นเวสิเคิล   หรือรวมตัวกับเยื่อหุ้มเวสิเคิลได้   สมบัติดังกล่าวนี้เองทำให้เซลล์สามารถใช้เยื่อหุ้มเซลล์ล้อมรอบสารโมเลกุลใหญ่   เพื่อลำเลียงสารเหล่านั้นเข้าหรือออกจากเซลล์   หรือระหว่างออร์แกเนลล์ต่างๆ ภายในเซลล์ การลำเลียงแบ่งได้เป็น 2 ชนิด ตามทิศทางการลำเลียงออกหรือเข้าเซลล์คือ เอกโซไซโทซิส(exocytosis) และเอนโดไซโทซิส(endocytosis)


เอกโซไซโทซิส 
เอกโซไซโทซิส เป็นการลำเลียงสารขนาดใหญ่ออกจากเซลล์สารที่จะถูกส่งออกไปนอกเซลล์บรรจุอยู่ในเวสิเคิล   เมื่อเวสิเคอลรวมตัวกับเยื่อหุ้มเซลล์   สารที่อยู่ภายในเวสิเคิลก็จะถูกปล่อยออกไปนอกเซลล์ เช่น การหลั่งเอนไซม์จากเยื่อบุผนังกระเพาะอาหรดังภาพที่ 4-23

 
ภาพที่ 4-23 การลำเลียงสารออกนอกเซลล์โดยการเกิดเอกโซไซโทซิส

- เวสิเคิลนี้สร้างจากออร์แกเนลล์ใดของเซลล์


เอนโดไซโทซิส 
เอนโดไซโทซอส เป็นการลำเลียงสารตรงกันข้ามกับเอกโซไซโทซิส กล่วคือ เป็นการลำเลียงสารขนาดใหญ่เข้าสู่เซลล์   เอนโดไซโทซิสในสิ่งมีชีวิต   มีชื่อเรียกแตกต่างกันไปตามกลไลการลำเลียง เช่น ฟาโกไซโทซิส(phagocytosis) พิโนไซโทซิส(pinocoytosis) และการนำสารเข้าสู่เซลล์โดยอาศัยตัวรับ(receptor-mediated endocytosis)


ฟาโกไซโทซิสเป็นการลำเลียงสารเข้าสู่เซลล์ที่พบได้ในเซลล์จำพวกอะมีบาและเซลล์เม็ดเลือดขาว   โดยเซลล์สามารถยื่นไซโทพลาซึมออกมาล้อมรอบอนุภาคของสารที่มีขนาดใหญ่ที่ละลายน้ำก่อนที่จะนำเข้าสู่เซลล์ในนรูปของเวสิเคิล   จากนั้นอาจรวมตัวกับไลโซโซมภายในเซลล์เพื่อย่อยสลายสารภายในเวสิเคิลด้วยเอนไซม์ภายในไลโซโซม ดังภาพที่ 4-24

 
ภาพที่ 4-24 กระบวนการฟาโกไซโทซิล


พิโนไซโทซิส เป็นการนำอนุภาคของสารที่อยู่ในรูปของสารละลายเข้าสู่เซลล์   โดยการทำให้เยื่อหุ้มเซลล์เว้าเข้าไปในไซโทพลาซึมที่ละน้อยจนกลายเป็นถุงเล็กๆ เมื่อเยื่อหุ้มเซลล์ปิดสนิทถุงนี้จะหลุดเข้าไปกลายเป็นเวสิเคิล อยู่ในไซโทพลาซึม ดังภาพที่ 4-25

 
ภาพที่ 4-25 กระบวนการพิโนไซโทซิส


การนำสารเข้าสู่เซลล์โดยอาศัยตัวรับเป็นการลำเลียงสารเข้าสู่เซลล์   ที่เกิดขึ้นโดยมีโปรตีนตัวรับบนเยื่อหุ้มเซลล์   สารที่ถูกลำเลียงเข้าสู่เซลล์ด้วยวิธีนี้จะต้องมีความจำเพาะในการจับกับโปรตีนตัวรับที่อยู่บนเยื่อหุ้มเซลล์จึงจะสามารถนำเข้าสู่เซลล์ได้   หลังจากนั้นเยื่อหุ้มเซลล์จึงเว้าเป็นเวสิเคิลหลุดเข้าสู่ภายในเซลล์ ดังภาพที่ 4-26

 
ภาพที่ 4-26 กระบวนการนำสารเข้าสู่เซลล์โดยอาศัยตัวรับ

 

-    การนำสารเข้าสู่เซลล์ทั้งแบบฟาโกไซโซโทซิส พิโนไซโทซิสและการนำสารเข้าสู่เซลล์โดยอาศัยตัวรับ เหมือนกันหรือแตกต่างกันอย่างไร