การลำเล ยงสารโดยการสร างถ งจากเย อ ห ม เซลล

สมบัติที่สำคัญประการหนึ่งของสิ่งมีชีวิต คือสามารถควบคุมและคัดเลือกสาร ผ่านเข้าออกเยื้อหุ้มเซลล์ เซลล์สิ่งมีชีวิตจึงดำรงอยู่ได้ โดยมีองค์ประกอบเคมีภายในเซลล์แตกต่างจากสิ่งแวดล้อมภายนอก ทั้งชนิดและปริมาณสารเคมี รักษาสภาพเซลล์ให้คงสมบูรณ์อยู่ และให้เหมาะสมต่อการเกิด ปฏิกิริยาชีวเคมีต่างๆของเซลล์ ซึ่งต้องการสารวัตถุดิบจากภายนอกและมีของเสียเกิดขึ้นที่กำจัดทิ้ง ตลอดจนมีผลผลิตเกิดขึ้นที่จะต้องส่งออกไปนอกเซลล์ เซลล์มีการแลกเปลี่ยนสารจากสิ่งแวดล้อมแบบคัดเลือกได้เช่นนี้ เพราะเยื้อหุ้มเซลล์มีสมบัติเป็นเยื้อเลือกผ่าน

ภาพเยื่อหุ้มเซลล์ โครงสร้างของเยื่อหุ้มเซลล์มีโครงสร้างแบบ Fluid mosaic mode ซึ่งประกอบไปด้วย phospholipid 2 ชั้น โดยจะหันด้านที่ชอบน้ำออก เรียกว่า “hydrophilic head” หันด้านที่ไม่ชอบน้ำเข้าหากัน เรียก “hydrophobic tail” และมีโปรตีนแทรกอยู่ระหว่างโมเลกุลของ phospholipid ซึ่งบนโปรตีนจะมี คาร์โบไฮเดรตเกาะอยู่ด้านบน เรียก ไกลโคโปรตีน (Glycoprotein) เยื่อหุ้มเซลล์ทำหน้าที่ห่อหุ้มเซลล์ และรักษาสมดุลของสารภายในเซลล์โดยควบคุมการผ่านเข้า-ออกของสารระหว่างเซลล์กับสิ่งแวดล้อมภายนอก ดังนั้นเยื่อหุ้มเซลล์จึงมีคุณสมบัติเป็นเยื่อเลือกผ่าน (Semipermeable Membrane)

1.การลำเลียงสารโดยผ่านเยื้อหุ้มเซลล์ แบ่งเป็น 2 ลักษณะ

1.1การลำเลียงสารผ่านเยื้อหุ้มเซลล์โดยไม่ใช้พลังงานจากเซลล์ (Passive transport) ได้แก่

1.1.2 การแพร่ ( diffusion ) คือการเคลื่อนที่ของโมเลกุลหรืออิออนของสารโดยอาศัยพลังงานจลน์ในโมเลกุลของสารเอง ทิศทางการแพร่จะเกิดจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปสู่บริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำเสมอจนในที่สุดบริเวณทั้งสองจะมีความเข้มข้นเท่ากัน ซึ่งเรียกว่า จุดสมดุลของการแพร่ ( Dynamic Equilibrium ) การแพร่แบ่งเป็น 2 ชนิด คือ

1. การแพร่ธรรมดา (Simple diffusion) คือเกิดจากอนุภาคของสารที่มีพลังงานจลน์อยู่ ทำให้ไม่หยุดนิ่งและชนกันตลอดเวลา อนุภาคสารจะแพร่ได้ดีในสถานะก๊าซหรือของเหลวซึ่งมีพลังงานจลน์มาก ขณะที่อนุภาคของสารแพร่ออกไป ทำให้เกิดแรงดันขึ้นเรียกว่าแรงดันในการแพร่ ( Diffusion Pressure ) บริเวณที่มีความเข้มข้นของสารมากจะมีแรงดันในการแพร่มากกว่าบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารน้อยน้อยกว่า ดังนั้นการแพร่จึงเป็นการเคลื่อนที่ของอนุภาคสารจากที่มีแรงดันในการแพร่สูงไปสู่บริเวณที่มีแรงดันในการแพร่ต่ำ

• เนื่องจากผลต่างความเข้มข้นในการเคลื่อนที่จะอาศัยพลังงานจลน์ในโมเลกุลหรืออิออนของมันเองไม่จําเป็นต้องใช้พลังงานจากเซลล์และไม่อาศัยตัวพาใด ๆ
• ตัวอย่างเช่น การแพร่ของผงด่างทับทิมในน้ำจนทำให้น้ำมีสีม่วงแดงจนทั่วภาชนะ การได้กลิ่นผงแป้ง หรือ การได้กลิ่นน้ำหอม
  
  ภาพเเสดงการเเพร่แบบธรรมดา (สารมากไปสารน้อย)

2.การแพร่แบบมีตัวพา ( Faciliteated diffusion ) คือการแพร่ของสารผ่านโปรตีนตัวพา(Carrier) ที่ฝังอยู่บริเวณเยื่อหุ้มเซลล์โดยตรง โปรตีนตัวพา (carrier) จะทำหน้าที่คล้ายประตูเพื่อรับโมเลกุลของสารเข้าและออกจากเซลล์ การแพร่แบบนี้มีอัตราการแพร่เร็วกว่าการแพร่แบบธรรมดามาก

• ตัวอย่างเช่น การลำเลียงสารที่เซลล์ตับและ เซลล์บุผิวลำไส้เล็ก การแพร่แบบนี้เกิดในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเท่านั้น
  
  ภาพเเสดงการเเพร่เเบบฟาซิลิเทต (สารมากไปสารน้อยเเต่ต้องมีตัวพา)

ปัจจัยที่มีผลต่อการแพร่

• สถานะของสาร โดยแก็สมีพลังงานจลน์สูงสุดจึงมีอัตราการแพร่สูงสุด
• สถานะของตัวกลางที่สารจะแพร่ผ่าน โดยตัวกลางที่เป็นแก็สจะมีแรงต้านน้อยที่สุดจึงทำให้มีอัตราการแพร่สูงที่สุด
• ขนาดอนุภาคของสาร โดยอนุภาคยิ่งเล็กยิ่งมีอัตราการแพร่สูง
• ระยะทางที่สารจะแพร่ในหนึ่งหน่วยเวลา
• อุณหภูมิ โดยจะมีผลต่อการเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับสารทำให้มีอัตราการแพร่เพิ่มสูงขึ้น
• ความดัน เมื่อความดันเพิ่มสูงขึ้นจะเพิ่มความหนาแน่นให้กับสาร ส่งผลให้มีอัตราการแพร่เพิ่มสูงขึ้น
• ความแตกต่างของความเข้มข้นสารระหว่าง 2 บริเวณ

1.1.3 การออสโมซิส คือการเคลื่อนที่ของน้ำผ่านเยื้อเลือกผ่านโดยทิศทางเคลื่อนที่คือนํ้าจะเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีความหนาแนนของนํ้ามาก (สารละลายเจือจาง) ไปยังบริเวณที่มีความหนาแนนของนํ้าน้อย (สารละลายเขมขน) จนกระทั่งถึงจุดสมดุลเมื่ออัตราการเคลื่อนที่ของนํ้าผานเยื่อเลือกผานไปและกลับมีคาเทา ๆ กัน

การออสโมซิสจะมีผลทำให้รูปร่างของเซลล์เปลี่ยนแปลงดังนี้ 1. Isotonic solution คือสารละลายที่มีความเขมขนเทากับ ความเขมขนของสารละลายภายในเซลล ดังนั้นเซลลที่อยูในภาวะที่มีสารละลายไอโซโทนิกลอมรอบ จึงไมมีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นซึ่งมีความสําคัญมากในสิ่งมีชีวิต โดยเฉพาะการคงรูปรางของเซลลสัตวการที่เม็ดเลือดแดงไหลเวียนอยูในนํ้าเลือดโดยไมเหี่ยวแฟบหรือพองโตจนแตก เนื่องจากความเขมขนของ สารละลายนํ้าเลือดเปนไอโซโทนิกตอสารละลายภายในเม็ดเลือดแดง 2. Hypertonic solution คือสารละลายที่มีความเขมสูงเมื่อเทียบกับความเขมขนของสารละลายภายในเซลล ดังนั้น ถาเซลลอยูในภาวะที่มีสารละลายไฮเปอรโทนิกอยูลอมรอบ เยื่อหุมเซลลจะหดตัวและเหี่ยวแฟบลงเนื่องจากมีการสูญเสียนํ้าจากเซลลเราเรียกกระบวนการแพรของนํ้าออกมาจากไซโทพลาสซึมและมีผลทําใหเซลลมีปริมาณเล็กลงนี้วา พลาสโมไลซิส (Plasmolysis) 3. Hypotonic solution คือสารละลายที่มีความเขมขนตํ่า เมื่อเทียบกับความเขมขนของสารละลายในเซลล ดังนั้นถาเซลลอยูในภาวะที่มีสารละลายไฮโปโทนิกลอมรอบเซลลจะขยายขนาดหรือมีปริมาตรเพิ่มขึ้น เนื่องจากเกิดการแพรของนํ้า จากสารละลายภายนอกเขาสูภายในเซลลและทําใหเซลลเกิดแรงดันเพิ่มขึ้น ดันใหเซลลยืดขยายออกไปเรียกปรากฏการณนี้วา พลาสมอบไทซิส(Plasmoptysis)

1.2 การลำเลียงสารผ่านเยื้อหุ้มเซลล์โดยใช้พลังงานจากเซลล์ (Active transport)

คือการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของสารจากบริเวณที่มีความหนาแน่นน้อยไปสู่บริเวณที่มีความหนาแน่นมากโดยอาศัยพลังงานในรูปATPจากเซลล์ กระบวนการนี้นับว่ามีความสำคัญอย่างหนึ่งที่ทำให้เซลล์สามรถรักษาสภาวะสมดุลอยู่ได้

กระบวนการแอกทีฟทรานสปอรต มีคุณลักษณะสําคัญ ดังนี้ 1. เปนกระบวนการลําเลียงสารจากบริเวณที่มีความหนาแนนของสารตํ่าไปยังบริเวณที่มีความ หนาแนนของสารสูงกวา โดยผานเยื่อหุมเซลล ซึ่งตางจากการแพรที่มีการเคลื่อนที่ของสารจากบริเวณที่มี ความหนาแนนของสารสูงไปยังบริเวณที่มีความหนาแนนของสารตํ่า 2. กระบวนการนี้ตองอาศัยพลังงานจากเซลลที่อยูในรูปของสารใหพลังงานสูง คือ ATP(Adenosine triphosphate) การใชพลังงานนี้เกิดที่ผนังดานในของเยื่อหุมเซลล แตในกระบวนการแพร ไมใชพลังงานจากเซลล การเคลื่อนที่ของโมเลกุลจะใชพลังงานจลนภายในตัวของมันเอง 3. ตองอาศัยตัวพา (Carrier) คลายการแพรโดยอาศัยตัวพา (Facilitated diffusion) แตกลไก การทํางานของตัวพาในกระบวนการแอกทีฟทรานสปอรตมีความซับซอนกวา ตัวอยางกระบวนการแอกทีฟทรานสปอรต – การดูดกลับสารที่ทอของหนวยไต – การสะสมกลูโคสเพื่อเปลี่ยนรูปเปนไกลโคเจนของเซลลตับ – การดูดซึมสารอาหารของเซลลเยื่อบุผนังลําไสเล็กเมื่อความเขมขนของสารอาหารตํ่ากวา – Na+ -K+ pump หรือการขับ Na+ และการรับ K+ของใยประสาท – การลําเลียงแรธาตุของเซลลรากพืชเมื่อความเขมขนของแรธาตุในดินตํ่ากวาของเซลลราก

2.การลำเลียงสารไม่ผ่านเยื้อหุ้มเซลล์โดยการสร้างถุงจากเยื้อหุ้มเซลล์

เป็นวิธีการที่สารถูกนำเข้าหรือออกจากเซลล์โดยที่เยื้อหุ้มเซลล์จะห่อหุ้มเอาสารนั้นเข้าเป็นถุง หลังจากนั้นเยื้อหุ้มเซลล์ส่วนที่เป็นถุงก็จะหลุดออกจากเยื้อหุ้มเซลล์ส่วนอื่นๆกลายเป็นถุงเล็กๆการลําเลียงสารโดยวิธีนี้ตองอาศัยพลังงานจากเซลลเขารวมดวยแบงเปน 2 ลักษณะ

2.1 การนําสารเขาสูภายในเซลล (Endocytosis)

2.1.1 พิโนโซโตซิส (Pinocytosis = Cell drinking) คือ วิธการนําสารที่เปนของเหลวหรือ สารละลายเขาสูเซลล โดยการทําใหเยื่อหุมเซลลเวาเขาไปในไซโทพลาสซึมทีละนอยจนกลายเปนถุงเล็ก ๆ (Vesicle) และถุงนี้จะปดสนิทหลุดเขามาอยูในไซโทพลาสซึม

• เชน การนําสารเขาสูเซลลที่หนวยไต, การนําไขมันเขาสูเซลลเยื่อบุของลําไส้
  

2.1.2 พาโกไซโตซิส (Phagocytosis = Cell eating) คือวิธีการนําสารที่มีลักษณะเปนของ แข็งหรือเซลลขนาดเล็ก ๆ เขาสูเซลลโดยการสรางซูโดโปเดียม (Pseudopodium) โอบลอมสารนั้นแลวเกิดเปนถุงหลุดเขาไปภายในเซลล

• เชน การจับเชื้อโรคจําพวกแบคทีเรียของเซลลเม็ดเลือดขาว การกินอาหารของอะมีบา

2.1.3 การนําสารเขาสูเซลลโดยอาศัยตัวรับ (Recepter – mediated endocytosis) เปนเอนโดไซโทซิสที่ใชตัวรับ (Receptor) บนเยื่อหุมเซลล ตัวรับทําหนาที่จับสารกอน จากนั้นจึงเกิดการเวาของเยื่อหุมเซลล โดยสารที่ลําเลียงตองมีความจําเพาะจับกับตัวรับ

• ตัวอย่างเช่น การนำสารจำพวกลิโพโปรตีน ซึ่งมีลักษณะเป็นอนุภาคเข้าสู่เซลล์ไข่ซึ่งยังเจริญไม่เต็มที่ของไก่

2.2 การนําสารออกสูภายนอกเซลล (Exocytosis)

คือ การนําสารออกสูภายนอกเซลลเปนกระบวนการที่เซลลกําจัดสารออกนอกเซลล เชน กากอาหารที่เหลือจากการยอยของเสียของเซลลฯลฯหรือการหลั่งสารที่เปนประโยชนโดยเซลลสรางขึ้นแลวสงออกนอกเซลล เชน เอนไซม ฮอรโมน สารเผือกฯลฯ