สารต่างๆเข้า และออกจากเซลล์ได้อย่างไร และจะจำยังไง
สารต่างๆเข้า และออกจากเซลล์ได้อย่างไร
เซลล์ในร่างกายมีกลไกลการนำสารผ่านเข้าออกเซลล์ในรูปแบบที่แตกต่างกันตามขนาดโมเลกุลของสาร ความเข้มข้นของสารระหว่าง 2 บริเวณที่แตกต่างกัน รวมทั้งปัจจัยร่วมอื่นๆ เป็นเรื่องที่ไม่ยากในการทำความเข้าใจ และมักจะปรากฏในข้อสอบบ่อยๆ ซึ่งการเคลื่อนที่ของสารสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทหลักๆ ดังนี้
1. การเคลื่อนที่ของสารผ่านเข้าออกเซลล์แบบผ่านเยื่อหุ้มเซลล์(จำไว้นะครับ ว่าต้องทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์)
2. การเคลื่อนที่ของสารผ่านเข้าออกเซลล์แบบไม่ทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์(แบบนี้ไม่ทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์แต่อาศัยเยื่อหุ้มเซลล์โอบล้อมสารที่มีขนาดใหญ่กว่าช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์เข้ามา)
จากที่กล่าวมาก็จะสังเกตเห็นได้ว่าการเคลื่อนที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้แบบกรณีที่ 1 สารจะต้องมีขนาดเล็กกว่าช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ จึงจะสามารถเคลื่อนที่เข้าออกได้ แต่ในกรณีข้อ 2 สารต้องมีขนาดใหญ่กว่าช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ ดังนั้นจึงไม่สามารถทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้ แต่อาศัยการโอบล้อมสารนั้นเข้ามาสู่เซลล์แทน เรามาดูแต่ละประเด็นนะครับ
1. การเคลื่อนที่ของสารผ่านเข้าออกเซลล์แบบผ่านเยื่อหุ้มเซลล์(จำไว้นะครับ ว่าต้องทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์) แบ่งได้เป็น 2 ประเภทขึ้นอยู่กับการใช้พลังงาน ATP จากเซลล์
1.1 แบบไม่ใช้พลังงาน ATP (Passive transport)
1) การแพร่ (Diffusion) มี 2 แบบคือ
- การแพร่แบบธรรมดา (Simple diffusion)
- การแพร่โดยอาศัยตัวพา (Facilitated diffusion)
2) ออสโมซิส (Osmosis)
3) ไดอะไลซิส (Dialysis)
4) อิมบิบิชัน (Imbibitions)
5) การแลกเปลี่ยนไอออน (Ion exchange)
1.2 แบบใช้พลังงาน ATP (Active transport)
1) กระบวนการแอ็คทีพทรานสปอร์ท (Active transport)
2. การเคลื่อนที่ของสารผ่านเข้าออกเซลล์แบบไม่ทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์(จำไว้นะครับ เข้าออกแบบนี้ใช้พลังงาน ATP ทุกกรณี) สามารถแบ่งได้เป็น 2 แบบ
2.1 กระบวนการเอกโซไซโตซิส (Exocytosis)
2.2 กระบวนการเอนโดไซโตซิส (Endocytosis)
1 ) ฟาโกไซโทซิส (Phagocytosis)
2) พิโนไซโทซิส (Pinocytosis)
3) การนำสารเข้าสู่เซลล์โดยอาศัยตัวรับ (Receptor mediated endocytosis)
Return to contents
การแพร่ (diffusion) คือการเคลื่อนที่ของอนุภาคสารจากบริเวณที่มีความหนาแน่นสูงไปยังบริเวณที่มีความหนาแน่นของสารต่ำโดยอาศัยพลังงานจลน์ของสารเอง (เคยออกข้อสอบเอนท์นะ)
(key word สำคัญสารมากไปสารน้อยหรือบริเวณที่มีสารมากจะเคลื่อนที่ไปบริเวณที่มีสารน้อย) โดยการแพร่มี 2 แบบดังนี้
1.1) การแพร่แบบธรรมดา(Simple diffusion) เป็นการแพร่ที่ไม่อาศัยตัวพา หรือตัวช่วยขนส่ง (carrier) ใดๆเลย เช่น การแพร่ของผงด่างทับทิมในน้ำจนทำให้น้ำมีสีม่วงแดงจนทั่วภาชนะ การได้กลิ่นผงแป้ง หรือ การได้กลิ่นน้ำหอม
รูปที่ 1เเสดงการเเพร่แบบธรรมดา (สารมากไปสารน้อย)
รูปที่ 2เเสดงการแพร่ของเเก็สในปอด
1.2) การแพร่แบบฟาซิลิเทต(Facilitated diffusion) เป็นการแพร่ของสารผ่านโปรตีนตัวพา(Carrier) ที่ฝังอยู่บริเวณเยื่อหุ้มเซลล์โดยตรง โปรตีนตัวพา (carrier) จะทำหน้าที่คล้ายประตูเพื่อรับโมเลกุลของสารเข้าและออกจากเซลล์ การแพร่แบบนี้มีอัตราการแพร่เร็วกว่าการแพร่แบบธรรมดามาก ตัวอย่างเช่น การลำเลียงสารที่เซลล์ตับและ เซลล์บุผิวลำไส้เล็กการแพร่แบบนี้เกิดในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเท่านั้น
รูปที่ 3เเสดงการเเพร่เเบบฟาซิลิเทต (สารมากไปสารน้อยเเต่ต้องมีตัวพา)
ปัจจัยที่มีผลต่อการแพร่
1.สถานะของสาร โดยแก็สมีพลังงานจลน์สูงสุดจึงมีอัตราการแพร่สูงสุด
2.สถานะของตัวกลางที่สารจะแพร่ผ่าน โดยตัวกลางที่เป็นแก็สจะมีแรงต้านน้อยที่สุดจึงทำให้มีอัตราการแพร่สูงที่สุด
3.ขนาดอนุภาคของสาร โดยอนุภาคยิ่งเล็กยิ่งมีอัตราการแพร่สูง
4.ระยะทางที่สารจะแพร่ในหนึ่งหน่วยเวลา
5.อุณหภูมิ โดยจะมีผลต่อการเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับสารทำให้มีอัตราการแพร่เพิ่มสูงขึ้น
6.ความดัน เมื่อความดันเพิ่มสูงขึ้นจะเพิ่มความหนาแน่นให้กับสาร ส่งผลให้มีอัตราการแพร่เพิ่มสูงขึ้น
7.ความแตกต่างของความเข้มข้นสารระหว่าง 2 บริเวณ
Return to contents
การออสโมซิส (Osmosis)คือการเคลื่อนที่ของตัวทำละลาย (มักจะกล่าวถึงน้ำ)ผ่านเยื่อเลือกผ่านจากสารละลายที่เข้มข้นต่ำไปยังสารละลายที่เข้มข้นสูง (จำง่ายๆน้ำมากไปน้ำน้อยและที่สำคัญต้องผ่านเยื่อเลือกผ่านเช่นเยื่อหุ้มเซลล์ หรือกระดาษเซลโลเฟนที่เราใช่ในการทดลอง)
รูปที่ 1 แสดงการออสโมซิส โดยน้ำมากเคลื่อนที่ไปน้ำน้อยผ่านเยื่อบางๆ (semipermeable membrane)
การออสโมซิสมีแรงดันที่เกี่ยวข้อง2ชนิด คือ
(1)แรงดันออสโมติก (Osmotic pressure) คือแรงดันที่เกิดขึ้นเพื่อต้านการเคลื่อนที่ของตัวทำละลายที่ผ่านเยื่อบางๆ เช่นเยื่อหุ้มเซลล์
(แรงดันออสโมติกก็คือแรงที่ใช้ต้านการเคลื่อนที่ของน้ำไม่ให้น้ำเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีน้ำมากไปยังบริเวณที่มีน้ำน้อย ดังนั้น หากมีแรงต้านการเคลื่อนที่ของน้ำไม่มาก น้ำจะเคลื่อนที่ผ่านเยื่อบางๆได้มาก (แรงต้านไม่มาก = แรงดันออสโมติกต่ำ)โดยน้ำมีแรงดันออสโมติกต่ำสุด)
(2)แรงดันเต่ง (turgor pressure) คือแรงดันที่เกิดขึ้นภายในเซลล์เกิดขึ้นเนื่องมาจากน้ำออสโมซิสเข้าไปภายในเซลล์แล้วดันให้เซลล์แต่งหรือบวมขึ้นมา เมื่อน้ำเข้าไปภายในเซลล์มากเกินไปในกรณีที่เป็นเซลล์สัตว์อาจเกิดการแตกได้ แต่หากเป็นเซลล์พืชมักจะไม่มีการแตกของเซลล์เนื่องจากมีผนังเซลล์คงรูปร่างไว้
โดยที่จุดสมดุลของการแพร่พบว่า แรงดันออสโมติกของสารละลาย = แรงดันแต่งสูงสุด
ประเภทของสารละลายจำแนกตามแรงดันออสโมติก
สารละลายที่มีความเข้มข้นต่างกันจะมีผลต่อเซลล์แตกต่างกันด้วย จึงทำให้แบ่งสารละลายที่อยู่นอกเซลล์ออกได้เป็น 3 ชนิด ตามการเปลี่ยนขนาดของเซลล์ เมื่ออยู่ภายในสารละลายนั้น คือ
1. สารละลายไฮโพโทนิก (Hypotonic
solution)คือสารละลายที่มีแรงดันออสโมติกต่ำ หรือสารละลายที่มีความเข้มข้นต่ำ(มีน้ำมาก)เมื่อนำเซลล์มาแช่ในสารละลายไฮโพโทนิก น้ำจากสารละลายจะเข้าสู่เซลล์ส่งผลให้เกิดการเต่งของเซลล์หรือที่เรียกว่าPlasmoptysis
ตัวอย่างเช่น สมมติว่านำเซลล์เม็ดเลือดแดงที่มีความเข้มข้น 0.85% ไปแช่ในสารละลาย 0.25% พบว่าน้ำจากสารละลายจะแพร่จาก0.25% ไปยัง 0.85% จนทำให้เซลล์แต่งและหากน้ำยังเข้าได้เรื่อยก็จะส่งผลให้เซลล์เม็ดเลือดแดงแตกหรือที่เรียกว่าฮีโมไลซิส(Haemolysis)
เซลล์พืชจะแตกได้หากเป็นเซลล์อ่อนๆเท่านั้นเนื่องจากผนังเซลล์ยังไม่แข็งแรง แต่หากมีผนังเซลล์แข็งแรงแล้วจะไม่แตก
2. สารละลายไฮเพอร์โทนิก (Hypertonic solution)สารละลายที่มีแรงดันออสโมติกสูง หรือสารละลายที่มีความเข้มข้นสูงแต่น้ำน้อย ดังนั้นหากนำเซลล์มาแช่ในสารละลายไฮเพอร์โทนิกจะทำให้น้ำจากเซลล์จะที่เคลื่อนที่ออกมายังสารละลายจนทำให้เซลล์เหี่ยวที่เรียกว่าplasmolysisตัวอย่างเช่น การนำเม็ดเลือดแดงไปแช่ในสารละลายไฮเพอร์โทนิกก็จะส่งผลให้เซลล์เหี่ยว หรืออื่นๆ เช่น เมื่อนำเกลือใส่ไปในผลไม้ทิ้งไว้ซักพักจะมีน้ำไหลออกมา นั้นแสดงว่าน้ำออสโมซิสออกมาจากเซลล์ของผลไม้หรือ เมื่อเราล้างจานซักพักมือจะเหี่ยวนั้นก็เพราะว่าน้ำออกจากเซลล์ชองเราเช่นกัน
3. สารละลายไอโซโทนิก (Isotonic solution)สารละลายที่มีความเข้มข้นระหว่างภายในเซลล์และภายนอกเซลล์เท่ากัน เพราะฉะนั้นหากนำเซลล์ไปแช่ในสารละลายไอโซโทนิกจะทำให้เซลล์ไม่เปลี่ยนรูปร่าง
สารละลายไอโซโทนิกที่ควรจะจำไว้สอบเนื่องจากเซลล์เหล่านี้จะช่วยรักษาสภาพเซลล์ เช่น
1. น้ำเกลือ (Normal saline) 0.85% รักษาสภาพเม็ดเลือดแดง
(คอยออกสอบหมอธรรมศาสตร์ด้วย)
2. น้ำเลือด (Plasma) รักษาเซลล์เม็ดเลือด
3. น้ำเหลือง (Lymph) รักษาเซลล์ร่างกาย
รูปที่ 2 แสดงประเภทของสารละลายที่มีผลต่อเม็ดเลือดแดง
สารละลาย hypertonic จะมีผลให้น้ำ้ออกจากเซลล์เม็ดเเดงจนทำให้เซลล์เหี่ยว
สารละลาย Isotonic น้ำเข้าเเละออกจากเซลล์เท่ากันรักษาสภาพเซลล์
สารละลาย hypotonic น้ำเข้าเซลล์จนทำให้เซลล์เเตก
ใครจำประเภทของสารละลายฟังนะ คงเคยได้ยินคำว่าเด็ก hyper กันมั้ย เป็นเด็กที่มีการกระทำหรือพฤติกรรมมากเกินไปใช่มัยครับ เพราะฉะนั้นสารละลายhypertonic ก็เป็นสารละลายที่มีความเข้มข้นมากเกินไปจนทำให้น้ำในเซลล์เคลื่อนที่ออกมา ซึ่งมันจะตรงข้ามกับ Hypo ที่แปลว่าต่ำซึ่งน้ำจะเข้าเซลล์ไงครับ ดังนั้นเหลือเเต่คำว่า Iso ที่เเปลว่าเท่ากันไงครับ นั้นคือน้ำเข้าเเละออกจากเซลล์เท่ากันReturn to contents
ไดอะไลซิส (Dialysis)เป็นการแพร่ของตัวถูกละลายผ่านเยื่อเลือกผ่านจากบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารมากไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารน้อย(เพิ่งจะออกเอนท์เลย)
(คล้ายๆกับการแพร่บวกการออสโมซิส นั้นคือสารมากไปสารน้อยเหมือนการแพร่ และต้องผ่านเยื่อเลือกผ่านเหมือนการออสโมซิส)
รูปเเสดงการไดอะไลซิส (สารมากไปสารน้อยแต่ต้องผ่านเยื่อบางๆนะ)
Return to contents
อิมบิบิชัน (Imbibition)คือการดูดน้ำของวัตถุที่มีความชื้นต่ำ เช่น เมล็ดพืชที่กำลังงอก
รูปเเสดงการเกิดอิมบิบิชันของเมล็ดถั่วก่อนเเละหลังการดูดน้ำ
Return to contents
การแลกเปลี่ยนไอออน (Ion exchange)คือการแลกเปลี่ยนชนิดของไอออน แต่ปริมาณของไอออนยังคงเดิม เช่นการแลกเปลี่ยนไอออนบริเวณรากของพืช
Return to contents
แอ็คทีพทรานสปอร์ท(Active transport)เป็นการเคลื่อนที่ของสารจากบริเวณที่มีความหนาแน่นของสารมากไปยังบริเวณที่มีความหนาแน่นของสารน้อยโดยอาศัยพลังงาน ATP จากเซลล์
รูปที่ 1แสดงกระบวนการ active transport(สารน้อยไปสารมากและใช้ ATP)
ปัจจัยที่ต้องใช้ในกระบวนการ Active transport
1. โปรตีนตัวพา (Carrier) ซึ่งฝังอยู่บริเวณเยื่อหุ้มเซลล์
2. เอนไซม์ (enzyme) เพื่อใช้ในการเปลี่ยนรูปของตัวพา
3. พลังงาน ATP จากเซลล์
ตัวอย่างของ Active transport ที่เคยปรากฏในข้อสอบ(จำไว้บ้างก็ดีนะคับ หลังๆข้อสอบมันซ้ำของเดิมมากมาย ไปสอบตรงบ้างที่ลอกข้อสอบเอนท์มาเลยครับ)
1. Na+- K+pump ที่เซลล์ประสาท
2. การดูดซึมอาหารที่ลำไส้เล็ก
3. การสะสมแร่ธาตุในเซลล์ของสาหร่าย
4. การขับเกลือแร่ที่เหงือกปลาน้ำเค็มกระดูกแข็ง
5. การดูดเกลือแร่ที่เหงือกของปลาน้ำจืด
6. การดูดสารที่มีประโยชน์กลับที่ท่อหน่วยไต
7. การดูดเกลือแร่ที่รากของพืช
รูปที่ 2เเสดงNa+- K+pump โดยอาศัยกระบวนการActive transport
Return to contents
การลำเลียงแบบExocytosis(ex = out = แปลว่าออก หรือนอก, cyto = cell) เป็นการลำเลียงสารออกนอกเซลล์ สารพวกนี้มีขนาดใหญ่ไม่สามารถทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้ ดังนั้นต้องอาศัยส่วนของเยื่อหุ้มเซลล์ช่วยนำสารออกจากเซลล์ เช่นการลำเลียงฮอร์โมน สารสื่อประสาท เอนไซม์และแอนติบอดี เป็นต้น
รูปที่ 1แสดงการลำเลียงสารแบบ Exocytosis โดยถุง vesicle จะรวมตัวกับเยื่อหุ้มเซลล์เพื่อนำสารออกนอกเซลล์
รูปที่ 2ถุง synaptic vesicleซึ่งภายในบรรจุสารสื่อประสาท (neurotransmitter)รวมตัวกับเยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์ประสาท (neuron) โดยกระบวนการ exocytosis ทำให้สารสื่อประสาทออกมายังบริเวณ ช่องว่างระหว่างเซลล์ (synaptic vesicle) เพื่อไปจับกับ receptor site ของเซลล์ถัดไป
อธิบายเพิ่มเติมถึงเรื่องorganelle และ exocytosis ที่สัมพันธ์กันและมักออกข้อสอบเอนท์นะครับ
Ribosome ทำหน้าที่สร้างโปรตีน โดยจะพบอยู่ 2 บริเวณคือ
1. Ribosome ที่พบกระจายทั่วไปใน cytoplasm จะสร้างโปรตีนไว้ใช้ภายในเซลล์
2. Ribosome ที่ติดกับ ER ประเภท RER หรือ rough endoplasmic reticulum ซึ่งจะสร้าง
โปรตีนส่งออกมาใช้นอกเซลล์
ขั้นตอนของการขนส่งโปรตีนออกนอกเซลล์จะอาศัยกระบวนการ Exocytosis ดังนี้
โปรตีนที่สังเคราะห์ขึ้นบริเวณRERถูกส่งต่อไปยังGolgi bodyเพื่อจัดเรียงตัว หรือจัดสภาพใหม่ ให้เหมาะกับสภาพของการใช้งาน ต่อมาโปรตีนดังกล่าวจะถูกบรรจุในถุง vesicle ที่สร้างจาก Golgi body เช่นกันก่อนที่จะปล่อยออกนอกเซลล์ ถุง vesicle จะรวมตัวกับเยื่อหุ้มเซลล์แล้วปล่อยโปรตีนออกนอกเซลล์
รูปที่ 3แสดงการขนส่งโปรตีนออกนอกเซลล์ โดยอาศัยออร์แกเนลล์ RER และ Golgi body เพื่อให้ได้ถุง vesicle ก่อนส่งออกนอกเซลล์โดยการ Exocytosis
Return to contents
การลำเลียงสารเข้าในเซลล์ (Endocytosis)มีวิธีสำคัญคือ
2.1 Phagocytosis
2.2 Pinocytosis
2.3 Receptor mediated endocytosis (การนำสารเข้าในเซลล์ โดยอาศัยตัวรับ)
รูปที่ 1เเสดงกระบวนการนำสารเข้าสู่เซลล์โดยกระบวนการ exocytosis
Phagocytosisเป็นวิธีการนำสารที่เป็นของแข็งเข้าสู่เซลล์เช่น เซลล์แบคทีเรีย เศษไม้เล็กๆ สารเชิงซ้อนของแอนติเจนกับเซลล์ เรียกวิธีการแบบนี้ว่า cell eating โดยส่วนของเยื่อหุมเซลล์จะยื่นออกไปทำให้มีลักษณะคล้ายเท้าเทียมเรียก Pseudopodium โอบล้อมสารเข้าภายในเซลล์ โดยอาศัยพลังงาน ATP ตัวอย่างที่เราพบเช่น อะมีบาจับแบคทีเรียเป็นอาหาร, เม็ดเลือดขาวจับแบคทีเรีย, แมคโครฟาจจับแบคทีเรีย, โพรโทซัว Trichonympha กินเศษไม้จากปลวก
รูปที่ 2เเสดงฟาโกไซโทซิสของเซลล์โดยเมื่อเซลล์กินอนุภาคของแข็งเช่น เซลล์แบคทีเรีย ถุงที่บรรจุอาหารที่ถูกกินหลุดเข้าไปในไซโทพลาสซึม ถุงไลโซโซม (lysosome) เชื่อมรวมกับถุงบรรจุอนุภาคที่ถูกกิน อนุภาคของของที่ถูกกินอยู่ในถุงเรียกว่า Phagosome)
Pinocytosisเป็นวิธีการนำของเหลวเข้าสู่เซลล์หรือที่เรียกว่า cell drinking โดยส่วนของเยื่อหุ้มเซลล์จะมีการเว้าเข้ามาในไซโทพลาสซึม กลายเป็นร่องแคบๆ เรียกว่า Cana liculi แล้วสารจะหลุดเข้ามา โดยอาศัยพลังงาน ATP ตัวอย่างที่พบเช่น การดูดสารละลายโปรตีนกลับคืนที่ท่อหน่วยไต, การดูดซึมไขมันที่วิลลัสในลำไส้เล็ก
รูปที่ 2เเสดงการนำสารที่เป็นของเหลวเข้าสู่เซลล์แบบ Pinocytosis
Receptor mediated endocytosisเป็นการนำสารอินทรีย์เช่น Ferritin, Chloresterol, Lipoprotein, Antigen เข้าสู่เซลล์ โดยอาศัยตัวรับที่มีความจำเพาะ (Specific receptor) จับกับสารได้อย่างเหมาะสม โดยตัวรับจำเพาะจะอยู่บริเวณเยื่อหุ้มเซลล์ ตัวอย่างเช่น การลำเลียง Low Density Lipoprotein, Transferrin, Immunoglobulin, Fibrin, Insulin และ ฮอร์โมน Peptides อื่นๆในสัตว์
(สารละลายโปรตีนเชื่อมกับตัวรับจำเพาะที่เยื่อหุ้มเซลล์และหลุดเป็นถุงเข้าไปในไซโทพลาสซึม)
รูปที่ 3เเสดงขั้นตอนการนำสารเข้าสู่เซลล์โดยวิธีการ Receptor mediated endocytosis
Return to contents