บทที่ 3 เซลล์ของสิ่งมีชีวิต
เซลล์ (cell) เป็นโครงสร้างและหน่วยทำงานของทุกชีวิตในสิ่งมีชีวิต บางครั้งเรียกว่าก้อนอิฐของชีวิต ("building blocks of life") สิ่งมีชีวิตบางชนิด เช่น แบคทีเรีย ประกอบด้วยเซลล์เพียงเซลล์เดียว (unicellular) แต่มนุษย์เป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ (multicellular) (มนุษย์มีเซลล์อยู่ประมาณ 100 ล้านล้าน หรือ 1014 เซลล์)
ทฤษฎีเซลล์ถูกพัฒนาขึ้นครั้งแรกในปีพ.ศ. 2382 (ค.ศ. 1839) โดยแมตเทียส จาคอบ ชไลเดน (Matthias Jakob Schleiden) และ ทีโอดอร์ ชวานน์ (Theodor Schwann) ได้อธิบายว่า สิ่งมีชีวิตทั้งหมดประกอบด้วยเซลล์หนึ่งเซลล์หรือมากกว่า เซลล์ทั้งหมดมีกำเนิดมาจากเซลล์แรกเริ่ม (preexisting cells) ระบบการทำงานเพื่อความอยู่รอดของสิ่งที่มีชีวิตทั้งหมดเกิดขึ้นภายในเซลล์ และภายในเซลล์ยังประกอบด้วยข้อมูลทางพันธุกรรม (hereditary information) ซึ่งจำเป็นสำหรับการควบคุมการทำงานของเซลล์ และการส่งต่อข้อมูลทางพันธุกรรมไปยังเซลล์รุ่นต่อไป
คำว่า เซลล์ มาจากภาษาละตินที่ว่า cella ซึ่งมีความหมายว่า ห้องเล็กๆ ผู้ตั้งชื่อนี้คือโรเบิร์ต ฮุก (Robert Hooke) เมื่อเขาเปรียบเทียบเซลล์ของไม้คอร์กเหมือนกับห้องเล็กๆ ซึ่งเป็นที่อยู่ของพระ
คุณสมบัติของเซลล์
เซลล์ของหนูในจานเพาะเชื้อ เซลล์เหล่านี้กำลังขยายขนาดใหญ่ขึ้น แต่ละเซลล์มีขนาดประมาณ 10 โมโครเมตรแต่ละเซลล์มีองค์ประกอบและดำรงอยู่ได้ด้วยตัวของมันเอง โดยการนำสารอาหารเข้าไป และเปลี่ยนสารอาหารให้กลายเป็นพลังงานเพื่อการดำรงอยู่ของชีวิตและการสืบพันธุ์ เซลล์มีความสามารถหลายอย่างดังนี้:
สืบพันธุ์โดยการแบ่งเซลล์
การเผาผลาญ (cell metabolism) ประกอบด้วย การลำเลียงวัตถุดิบเข้าเซลล์, การสร้างส่วนประกอบของเซลล์, การสร้างพลังงาน โมเลกุล และปล่อยผลิตผลพลอยได้ออกมา การทำงานของเซลล์ขึ้นกับความสามารถของมันในการสกัดและใช้พลังงานเคมีที่สะสมในโมเลกุลของสารอินทรีย์ พลังงานเหล่านี้จะได้จากเมตาโบลิค พาทเวย์ (metabolic pathway)
การสังเคราะห์โปรตีนเพื่อใช้ในระบบการทำงานของเซลล์ เช่น เอนไซม์ โดยเฉพาะเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจะมีโปรตีนต่าง ๆ ถึง 10,000 ชนิด
ตอบสนองต่อสัญญาณกระตุ้นทั้งภายนอกและภายใน เช่น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ pH หรือระดับอาหาร
การขนส่งของเวสิเคิล (vesicle)
การเผาผลาญ (cell metabolism) ประกอบด้วย การลำเลียงวัตถุดิบเข้าเซลล์, การสร้างส่วนประกอบของเซลล์, การสร้างพลังงาน โมเลกุล และปล่อยผลิตผลพลอยได้ออกมา การทำงานของเซลล์ขึ้นกับความสามารถของมันในการสกัดและใช้พลังงานเคมีที่สะสมในโมเลกุลของสารอินทรีย์ พลังงานเหล่านี้จะได้จากเมตาโบลิค พาทเวย์ (metabolic pathway)
การสังเคราะห์โปรตีนเพื่อใช้ในระบบการทำงานของเซลล์ เช่น เอนไซม์ โดยเฉพาะเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจะมีโปรตีนต่าง ๆ ถึง 10,000 ชนิด
ตอบสนองต่อสัญญาณกระตุ้นทั้งภายนอกและภายใน เช่น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ pH หรือระดับอาหาร
การขนส่งของเวสิเคิล (vesicle)
ประเภทของเซลล์
เซลล์ยูแคริโอต (eukaryotes) และเซลล์โพรแคริโอต (prokaryotes) - รูปนี้แสดงเซลล์มนุษย์ (ยูแคริโอต) และ เซลล์แบคทีเรีย (โพรแคริโอต) รูปทางด้านซ้ายแสดงโครงสร้างภายในของเซลล์ยูแคริโอต ซึ่งประกอบด้วย นิวเคลียส (สีน้ำเงินอ่อน) นิวคลีโอลัส (สีน้ำเงินกลาง) ไมโทคอนเดรีย (สีส้ม) และไรโบโซม (น้ำเงินเข้ม) รูปทางขวาแสดง DNA ของแบคทีเรีย ที่อยู่ในโครงสร้างที่เรียกว่า นิวคลิออยด์ (สีน้ำเงินอ่อนมาก) และโครงสร้างอื่นๆ ที่พบในเซลล์โพรแคริโอต ซึ่งประกอบด้วย เยื่อหุ้มเซลล์ (สีดำ) ผนังเซลล์ (สีน้ำเงินกลาง) แคปซูล (สีส้ม) ไรโบโซม (สีน้ำเงินเข้ม) แฟลกเจลลัม (สีดำ)ทางหนึ่งที่จะจัดกลุ่มเซลล์ไม่ว่าเซลล์นั้นจะอยู่ตามลำพังหรืออยู่เป็นกลุ่ม สิ่งมีชีวิตมีตั้งแต่เซลล์เดียว (เซลล์เดี่ยว หรือ unicellular) ซึ่งทำหน้าที่และต่อสู้ดิ้นรนเพื่อความอยู่รอด จนไปถึงการอยู่รวมกันเป็นกลุ่มที่เรียกว่า โคโลนี (colonial forms) หรือ มัลติเซลลูลาร์ (multicellular) ซึ่งเซลล์เหล่านี้จะกลายเป็นเซลล์เฉพาะทางที่แตกต่างกันถึง 220 รูปแบบ เช่น เซลล์ต่างๆ ในร่างกายมนุษย์
เซลล์ยูแคริโอต (eukaryotes) และเซลล์โพรแคริโอต (prokaryotes) - รูปนี้แสดงเซลล์มนุษย์ (ยูแคริโอต) และ เซลล์แบคทีเรีย (โพรแคริโอต) รูปทางด้านซ้ายแสดงโครงสร้างภายในของเซลล์ยูแคริโอต ซึ่งประกอบด้วย นิวเคลียส (สีน้ำเงินอ่อน) นิวคลีโอลัส (สีน้ำเงินกลาง) ไมโทคอนเดรีย (สีส้ม) และไรโบโซม (น้ำเงินเข้ม) รูปทางขวาแสดง DNA ของแบคทีเรีย ที่อยู่ในโครงสร้างที่เรียกว่า นิวคลิออยด์ (สีน้ำเงินอ่อนมาก) และโครงสร้างอื่นๆ ที่พบในเซลล์โพรแคริโอต ซึ่งประกอบด้วย เยื่อหุ้มเซลล์ (สีดำ) ผนังเซลล์ (สีน้ำเงินกลาง) แคปซูล (สีส้ม) ไรโบโซม (สีน้ำเงินเข้ม) แฟลกเจลลัม (สีดำ)ทางหนึ่งที่จะจัดกลุ่มเซลล์ไม่ว่าเซลล์นั้นจะอยู่ตามลำพังหรืออยู่เป็นกลุ่ม สิ่งมีชีวิตมีตั้งแต่เซลล์เดียว (เซลล์เดี่ยว หรือ unicellular) ซึ่งทำหน้าที่และต่อสู้ดิ้นรนเพื่อความอยู่รอด จนไปถึงการอยู่รวมกันเป็นกลุ่มที่เรียกว่า โคโลนี (colonial forms) หรือ มัลติเซลลูลาร์ (multicellular) ซึ่งเซลล์เหล่านี้จะกลายเป็นเซลล์เฉพาะทางที่แตกต่างกันถึง 220 รูปแบบ เช่น เซลล์ต่างๆ ในร่างกายมนุษย์
โดยสรุป เซลล์สามารถแบ่งได้เป็น 2 รูปแบบคือ
โพรแคริโอต (prokaryote) เป็นเซลล์ที่มีโครงสร้างอย่างง่ายมันอาจอยู่เป็นเซลล์เดี่ยวๆ หรือรวมกลุ่มเป็นโคโลนี (Colony) ในระบบทรี-โดเมน (three-domain system) ของการจัดกลุ่มทางวิทยาศาสตร์ (scientific classification) ได้จัดโพรแคริโอตอยู่ในโดเมนอาร์เชีย (Archaea) และยูแบคทีเรีย (Eubacteria)
ยูแคริโอต (eukaryote) เป็นเซลล์ที่มี ออร์แกเนลล์ (organelle) และผนังของออร์แกเนลล์เอง ตัวอย่างของยูแคริโอตเซลล์เดียว ได้แก่ อะมีบา (amoeba) และเห็ดรา (fungi) นอกจากนี้สิ่งที่มีชีวิตพวกหลายเซลล์ (multicellular forms) เช่นพืชและสัตว์รวมทั้งสาหร่ายสีน้ำตาลก็เป็นพวกยูแคริโอต
ยูแคริโอต (eukaryote) เป็นเซลล์ที่มี ออร์แกเนลล์ (organelle) และผนังของออร์แกเนลล์เอง ตัวอย่างของยูแคริโอตเซลล์เดียว ได้แก่ อะมีบา (amoeba) และเห็ดรา (fungi) นอกจากนี้สิ่งที่มีชีวิตพวกหลายเซลล์ (multicellular forms) เช่นพืชและสัตว์รวมทั้งสาหร่ายสีน้ำตาลก็เป็นพวกยูแคริโอต
ส่วนประกอบย่อยของเซลล์
ภาพเซลล์โดยสัตว์ทั่วไป ประกอบด้วยออร์แกเนลล์ต่าง ๆ ดังนี้ (1) นิวคลีโอลัส, (2) นิวเคลียส, (3) ไรโบโซม, (4) เวสิเคิล, (5) เอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบผิวขรุขระ, (6) กอลไจแอปพาราตัส, (7) ไซโทสเกลเลตอน, (8) เอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบผิวเรียบ, (9) ไมโทคอนเดรีย, (10) แวคิวโอล, (11) ไซโทพลาซึม, (12) ไลโซโซม, (13) เซนทริโอล
ภาพเซลล์พืชทั่วไป ที่แสดงส่วนประกอบย่อยของเซลล์ (Cell) (ดูตาราง 2 แสดงการเปรียบเทียบระหว่างเซลล์พืชและสัตว์)เซลล์ทุกชนิดไม่ว่าจะเป็นโพรคาริโอตหรือยูคาริโอตจะต้องมีเยื่อหุ้มเซลล์ (cell membrane) ทำหน้าที่ห่อหุ้มเซลล์เสมอ เพื่อแยกส่วนประกอบภายในออกจากสิ่งแวดล้อม เป็นการควบคุมสิ่งที่จะเข้าและออก และรักษาความต่างศักย์ทางไฟฟ้าของเซลล์ (cell potential) ภายในเยื่อหุ้มเซลล์จะประกอบไปด้วย ไซโทพลาซึมที่มีสภาพเป็นเกลือ และเป็นเนื้อที่ส่วนใหญ่ของเซลล์ ทุกเซลล์จะต้องมี DNA วัสดุถ่ายทอดพันธุกรรมของยีน และ RNA ชึ่งจะมีข้อมูลที่จำเป็นในการถ่ายทอดพันธุกรรมโปรตีนต่างๆ เช่น เอนไซม์ เครื่องจักรกลเริ่มแรกของเซลล์ และนอกจากนี้ภายในเซลล์ก็ยังมีชีวโมเลกุล (biomolecule) ชนิดต่างๆ อีก
ภาพเซลล์โดยสัตว์ทั่วไป ประกอบด้วยออร์แกเนลล์ต่าง ๆ ดังนี้ (1) นิวคลีโอลัส, (2) นิวเคลียส, (3) ไรโบโซม, (4) เวสิเคิล, (5) เอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบผิวขรุขระ, (6) กอลไจแอปพาราตัส, (7) ไซโทสเกลเลตอน, (8) เอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบผิวเรียบ, (9) ไมโทคอนเดรีย, (10) แวคิวโอล, (11) ไซโทพลาซึม, (12) ไลโซโซม, (13) เซนทริโอล
ภาพเซลล์พืชทั่วไป ที่แสดงส่วนประกอบย่อยของเซลล์ (Cell) (ดูตาราง 2 แสดงการเปรียบเทียบระหว่างเซลล์พืชและสัตว์)เซลล์ทุกชนิดไม่ว่าจะเป็นโพรคาริโอตหรือยูคาริโอตจะต้องมีเยื่อหุ้มเซลล์ (cell membrane) ทำหน้าที่ห่อหุ้มเซลล์เสมอ เพื่อแยกส่วนประกอบภายในออกจากสิ่งแวดล้อม เป็นการควบคุมสิ่งที่จะเข้าและออก และรักษาความต่างศักย์ทางไฟฟ้าของเซลล์ (cell potential) ภายในเยื่อหุ้มเซลล์จะประกอบไปด้วย ไซโทพลาซึมที่มีสภาพเป็นเกลือ และเป็นเนื้อที่ส่วนใหญ่ของเซลล์ ทุกเซลล์จะต้องมี DNA วัสดุถ่ายทอดพันธุกรรมของยีน และ RNA ชึ่งจะมีข้อมูลที่จำเป็นในการถ่ายทอดพันธุกรรมโปรตีนต่างๆ เช่น เอนไซม์ เครื่องจักรกลเริ่มแรกของเซลล์ และนอกจากนี้ภายในเซลล์ก็ยังมีชีวโมเลกุล (biomolecule) ชนิดต่างๆ อีก
ภาพเซลล์โดยสัตว์ทั่วไป ประกอบด้วยออร์แกเนลล์ต่าง ๆ ดังนี้ (1) นิวคลีโอลัส, (2) นิวเคลียส, (3) ไรโบโซม, (4) เวสิเคิล, (5) เอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบผิวขรุขระ, (6) กอลไจแอปพาราตัส, (7) ไซโทสเกลเลตอน, (8) เอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบผิวเรียบ, (9) ไมโทคอนเดรีย, (10) แวคิวโอล, (11) ไซโทพลาซึม, (12) ไลโซโซม, (13) เซนทริโอล
เยื่อหุ้มเซลล์ - ส่วนหุ้มและปกป้องเซลล์
ไซโทพลาซึมของเซลล์ประเภทยูแคริโอตจะห้อมล้อมด้วยส่วนที่เรียกว่า พลาสมาเมมเบรน (plasma membrane) พลาสมาเมมเบรนจะพบในเซลล์ประเภทโพรแคริโอตด้วย แต่โดยทั่วไปจะหมายถึง เยื่อหุ้มเซลล์ (cell membrane) เมมเบรนนี้จะทำหน้าที่แยกและปกป้องเซลล์จากสิ่งแวดล้อมรอบข้าง ส่วนใหญ่แล้วมันถูกสร้างจากไลปิด ไบเลเยอร์ (lipid bilayer (fat-like molecules)) และโปรตีน ภายในเมมเบรนจะมีหลากหลายโมเลกุลที่ทำหน้าที่เป็นทั้งท่อลำเลียงและปั๊ม (channels and pumps) เพื่อทำหน้าที่เฉพาะสำหรับการขนย้ายโมเลกุลจากข้างนอกเข้าในและจากข้างในไปข้างนอก เพิ่มเติม เซลล์
ไซโทสเกลเลตอน (cytoskeleton) - ส่วนที่เป็นโครงสร้างของเซลล์
ไซโทสเกลเลตอนเป็นส่วนที่สำคัญ ซับซ้อน และเคลื่อนไหวเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา มันจะมีบทบาทในการจัดรูปแบบและจัดเรียงตำแหน่งของออร์แกเนลล์ให้อยู่ในที่ที่เหมาะสม ช่วยให้เกิดเอนโดไซโทซิส (endocytosis) คือการรับวัสดุจากภายนอกให้เคลื่อนย้ายเข้ามาในเซลล์เพื่อกระบวนการเจริญเติบโตและการเคลื่อนไหว ช่วยในการทำงานของกล้ามเนื้อ และมีโปรตีนจำนวนมากมายในไซโทสเกลเลตอนที่ควบคุมโครงสร้างของเซลล์ Cytoskeleton แบ่งออกได้เป็น 3 ชนิด ตามขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางได้แก่ Microtubule, Intermediate Filament และ Microfilament
ไซโทสเกลเลตอนเป็นส่วนที่สำคัญ ซับซ้อน และเคลื่อนไหวเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา มันจะมีบทบาทในการจัดรูปแบบและจัดเรียงตำแหน่งของออร์แกเนลล์ให้อยู่ในที่ที่เหมาะสม ช่วยให้เกิดเอนโดไซโทซิส (endocytosis) คือการรับวัสดุจากภายนอกให้เคลื่อนย้ายเข้ามาในเซลล์เพื่อกระบวนการเจริญเติบโตและการเคลื่อนไหว ช่วยในการทำงานของกล้ามเนื้อ และมีโปรตีนจำนวนมากมายในไซโทสเกลเลตอนที่ควบคุมโครงสร้างของเซลล์ Cytoskeleton แบ่งออกได้เป็น 3 ชนิด ตามขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางได้แก่ Microtubule, Intermediate Filament และ Microfilament
สารพันธุกรรม (Genetic Material)
สีสารพันธุกรรมแตกต่างกันสองชนิดคือ :
DNA (deoxyribonucleic acid-DNA)
RNA (ribonucleic acid-RNA)
สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ใช้ DNA สำหรับเก็บข้อมูลทางพันธุกรรม แต่ไวรัสบางชนิด เช่น รีโทรไวรัส (retrovirus) มี RNA เป็นสารพันธุกรรม ข้อมูลทางชีววิทยาในสิ่งมีชีวิตคือ รหัสพันธุกรรม (Genetic code) ที่บรรจุอยู่ใน DNA หรือ RNA ของมัน RNA ทำหน้าที่เป็นตัวขนถ่ายข้อมูลด้วย เช่น mRNA และทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ เช่น ไรโบโซม RNA ในสิ่งมีชีวิตที่ใช้ RNA เป็นรหัสพันธุกรรมของมันเอง
RNA (ribonucleic acid-RNA)
สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ใช้ DNA สำหรับเก็บข้อมูลทางพันธุกรรม แต่ไวรัสบางชนิด เช่น รีโทรไวรัส (retrovirus) มี RNA เป็นสารพันธุกรรม ข้อมูลทางชีววิทยาในสิ่งมีชีวิตคือ รหัสพันธุกรรม (Genetic code) ที่บรรจุอยู่ใน DNA หรือ RNA ของมัน RNA ทำหน้าที่เป็นตัวขนถ่ายข้อมูลด้วย เช่น mRNA และทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ เช่น ไรโบโซม RNA ในสิ่งมีชีวิตที่ใช้ RNA เป็นรหัสพันธุกรรมของมันเอง
สารพันธุกรรมของพวกโปรคาริโอตส์ จะถูกจัดอยู่ในโมเลกุลของ DNA รูปวงกลมง่ายๆ เช่นใน โครโมโซม (chromosome) ของแบคทีเรียซึ่งอยู่ในนิวคลอยด์ รีเจียน (nucleoid region) ของไซโตพลาสซึม
สารพันธุกรรมของพวกยูคาริโอตส์ จะถูกจัดแบ่งให้อยู่ในโมเลกุลที่เป็นเส้นตรงที่เรียกว่า โครโมโซม ข้างในนิวเคลียสที่แยกกันและพบว่ามีสารพันธุกรรมเพิ่มเติมในออร์แกเนลล์บางชนิด เช่น ไมโทคอนเดรีย และคลอโรพลาสต์ (ดู เอ็นโดซิมไบโอติก ทีโอรี่ (endosymbiotic theory))
ในเซลล์มนุษย์จะมีสารพันธุกรรมจะมีสารพันธุกรรมอยู่
สารพันธุกรรมของพวกยูคาริโอตส์ จะถูกจัดแบ่งให้อยู่ในโมเลกุลที่เป็นเส้นตรงที่เรียกว่า โครโมโซม ข้างในนิวเคลียสที่แยกกันและพบว่ามีสารพันธุกรรมเพิ่มเติมในออร์แกเนลล์บางชนิด เช่น ไมโทคอนเดรีย และคลอโรพลาสต์ (ดู เอ็นโดซิมไบโอติก ทีโอรี่ (endosymbiotic theory))
ในเซลล์มนุษย์จะมีสารพันธุกรรมจะมีสารพันธุกรรมอยู่
ในนิวเคลียส เรียกว่า นิวเคลียส จีโนม (nuclear genome) และ
ในไมโทคอนเดรีย เรียกว่า ไมโทคอนเดรียล จีโนม (mitochondrial genome)
นิวเคลียส จีโนม แบ่งเป็นโมเลกุลเส้นตรง DNA 46 เส้น หรือ 23 คู่ เรียกว่า โครโมโซมไมโทคอนเดรียล จีโนม จะเป็นโมเลกุล DNA รูปวงกลม ที่แยกจากนิวเคลียส DNA ถึงแม้ ไมโทคอนเดรียล จีโนมจะเล็กมากแต่มันก็รหัสสำหรับการสร้างโปรตีนที่สำคัญ สารพันธุกรรมจากภายนอกที่สังเคราะห์ขึ้นได้เองสามารถนำไปใส่ในเซลล์ได้เราเรียกกระบวนการนี้ว่า ทรานเฟกชั่น (transfection)
ในไมโทคอนเดรีย เรียกว่า ไมโทคอนเดรียล จีโนม (mitochondrial genome)
นิวเคลียส จีโนม แบ่งเป็นโมเลกุลเส้นตรง DNA 46 เส้น หรือ 23 คู่ เรียกว่า โครโมโซมไมโทคอนเดรียล จีโนม จะเป็นโมเลกุล DNA รูปวงกลม ที่แยกจากนิวเคลียส DNA ถึงแม้ ไมโทคอนเดรียล จีโนมจะเล็กมากแต่มันก็รหัสสำหรับการสร้างโปรตีนที่สำคัญ สารพันธุกรรมจากภายนอกที่สังเคราะห์ขึ้นได้เองสามารถนำไปใส่ในเซลล์ได้เราเรียกกระบวนการนี้ว่า ทรานเฟกชั่น (transfection)
