การรักษาดุลยภาพน้ำและแร่ธาตุของเซลล์
การรักษาดุลยภาพน้ำและแร่ธาตุของเซลล์
ในสภาวะปกติเซลล์จะสัมผัสกับสารต่าง ๆ หลายชนิดทั้งที่เป็นของแข็ง ของเหลว และแก๊ส ซึ่งได้แก่ สารละลายที่มีองค์ประกอบของแร่ธาตุต่าง ๆ หรือเซลล์ที่อยู่ข้างเคียงโดยโครงสร้างที่สำคัญของเซลล์ ที่จะเป็นด่านแรกที่สัมผัสกับสิ่งแวดล้อมต่าง ๆ และเป็นด่านสำคัญในการรับสารเข้าและขับสารหรือของเสียออกจากเซลล์ คือ เยื่อหุ้มเซลล์
โดยเยื่อหุ้มเซลล์ มีบทบาทสำคัญในการควบคุมแรงดันและปริมาณสารต่าง ๆ ภายในเซลล์ เนื่องจากเยื่อหุ้มเซลล์มีคุณสมบัติในการเป็นเยื่อเลือกผ่าน จึงทำให้สามารถจะควบคุมสารต่าง ๆ ที่ผ่านเข้าและออกนอกเซลล์ให้อยู่ในสภาวะที่สมดุล ไม่รับสารเข้ามากเกินไปจนทำให้เซลล์แตก และไม่สามารถขับสารออกมากเกินไปจนทำให้เซลล์เหี่ยวเสียสภาพ
การรักษาดุลยภาพของน้ำในเซลล์ เป็นกระบวนการรักษาสมดุลที่เกิดจากความแตกต่างของสภาวะแวดล้อมภายในและภายนอกเซลล์ เพื่อให้สามารถรักษาภาวะสมดุลของเซลล์ไว้ได้ โดยอาศัยการควบคุมปริมาณน้ำ หรือสารต่าง ๆ ภายในเซลล์ ด้วยกระบวนการนำเข้าและส่งออกของสารผ่านเซลล์นี้ สามารถแบ่งได้เป็น 2 รูปแบบด้วยกัน คือ การลำเลียงสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ และลำเลียงสารโดยไม่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ ดังนี้
1. การลำเลียงสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์
เป็นกระบวนการลำเลียงสารที่เกิดขึ้นโดยมีเยื่อหุ้มเซลล์เป็นตัวกลางกั้นระหว่างบริเวณที่มีการแพร่ของสารหรือน้ำ การลำเลียงสารจะส่งผ่านจากด้านหนึ่งไปสู่อีกด้านที่อยู่ตรงข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ โดยการลำเลียงสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์สามารถแบ่งเป็น 2 ประเภท ตามลักษณะการใช้พลังงานในการลำเลียง ดังนี้
1. การลำเลียงแบบไม่ใช้พลังงาน เป็นการลำเลียงสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ โดยอาศัยความแตกต่างของน้ำและสาร ระหว่างภายในเซลล์กับภายนอกเซลล์ โดยสารจะเคลื่อนที่ผ่านเซลล์ได้ด้วยการแพร่หรือโดยอาศัยตัวพา* (carrier) เพื่อให้เกิดดุลยภาพของเซลล์เพื่อให้เกิดดุลยภาพของเซลล์ ซึ่งวิธีการลำเลียงแบบไม่ใช้พลังงานนี้ ได้แก่ วิธีการแพร่ วิธีออสโมซิส และวิธีการแพร่แบบฟาซิลิเทต
*ตัวพา (carrier) เป็นสารจำพวกโปรตีนที่อยู่บริเวณเยื่อหุ้มเซลล์ทำหน้าที่คล้ายกับประตู ช่วยนำพาเอาสารชนิดอื่น ๆ เข้าหรือออกจากเซลล์ ด้วยกระบวนการแพร่ เช่น การแพร่แบบฟาซิลิเทต โดเมื่อมีการนำส่งสาร ตัวพาจะเกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างไป และจะคืนสู่สภาพเดิมเมื่อการส่งสารเสร็จสิ้น
1) การแพร่ (diffusion) เป็นกระบวนการเคลื่อนที่ของโมเลกุลสารจากบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารหรือมีอนุภาคสารน้อยกว่า โดยอนุภาคสารจะเคลื่อนที่ไปในทุกทิศทางแบบไม่มีทิศทางแน่นอน จนกระทั่งความเข้มข้นของสารในทั้งสองบริเวณมีความสมดุลกัน เรียกว่า ภาวะสมดุลของการแพร่ (diffusion equilibrium)
การเคลื่อนที่ของอนุภาคสาร เกิดขึ้นจากพลังงานจลน์ (kinetic energy) เนื่องจากในบริเวณที่มีความเข้มข้นสารหรือมีอนุภาคสารอยู่มาก อนุภาคของสารจะมีโอกาสชนกันและเกิดการกระจายของโมเลกุลไปยังบริเวณอื่นได้มากกว่า ตัวอย่างเช่นการแพร่ของอนุภาคสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ การแพร่กระจายของอนุภาคด่างทับทิมในน้ำกลั่น เป็นต้น
2) ออสโมซิส (osmosis) เป็นกระบวนการแพร่ของโมเลกุลน้ำโดยผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ จากบริเวณที่มีปริมาณน้ำมากกว่าจะเกิดการออสโมซิสผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์รากเข้าสู่ภายในเซลล์ราก ซึ่งมีน้ำน้อยและมีความเข้มข้นของสารละลายสูงกว่าสารละลายในดิน
3) การแพร่แบบฟาซิลิเทต (facilitated diffusion) เป็นกระบวนการลำเลียงสารจากบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารมากไปบริเวณที่ความเข้มข้นของสารน้อยกว่าโดยอาศัยการเกาะติดไปกับโปรตีนที่เป็นตัวพาซึ่งอยู่ที่เยื่อหุ้มเซลล์ โดยในขณะที่ตัวพาทำหน้าที่ส่งสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์อาจมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างไป จนเมื่อสามารถส่งสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์แล้ว ตัวพาจึงมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างกลับสู่สภาพเดิม และพร้อมที่จะลำเลียงสารใหม่ได้ การลำเลียงด้วยกระบวนการแพร่แบบนี้จะไม่ใช้พลังงาน ตัวอย่างการแพร่ของสารแบบฟาซิลิเทตนี้ ได้แก่ การลำเลียงน้ำตาลกลูโคสเข้าสู่เซลล์เม็ดเลือดแดง เป็นต้น ซึ่งการแพร่แบบฟาซิลิเทตนี้จะเกิดขึ้นได้ช้าหรือเร็ว ขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างความเข้มข้นของสารภายในและภายนอกเซลล์
2. การลำเลียงแบบใช้พลังงาน เป็นกระบวนการลำเลียงที่เซลล์ต้องอาศัยพลังงานจากการสลายสารอาหาร ซึ่งจะเกิดขึ้นเฉพาะในเซลล์ที่ยังมีชีวิตอยู่ การลำเลียงสารลักษณะนี้จะมีทิศทางการลำเลียงจากบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารน้อยไปสู่บริเวณที่มีความเข้มข้นของสารมาก
การลำเลียงแบบใช้พลังงาน จะอาศัยโปรตีนที่แทรกอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์ทำหน้าที่เป็นตัวลำเลียง โดยต้องเผาผลาญสารพลังงานสูงบางชนิด เช่น ATP** เพื่อใช้เป็นแรงผลักดันสำหรับลำเลียงสารจากบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารน้อยไปสู่บริเวณที่มีความเข้มข้นมาก ตัวอย่างการลำเลียงสารแบบใช้พลังงาน ได้แก่ การดูดซึมสารอาหารของรากพืช การลำเลียงโซเดียม-โพแทสเซียมของเซลล์ การดูดซึมกลับของสารที่หลอดไต เป็นต้น
**ATP (adenosine triphosphate) เป็นสารชีวเคมีที่เป็นแหล่งพลังงานสำคัญของเซลล์ร่างกายสามารถสังเคราะห์ขึ้นได้โดยอาศัยน้ำตาล กรดไขมัน กรดอะมิโน และสารอื่น ๆ อีกมาก
2. การลำเลียงสารโดยไม่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ ในการลำเลียงสารที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ สารเหล่านี้จะไม่สามารถแทรกตัวผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้โดยตรง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องอาศัยกลไกการลำเลียงสารที่มีลักษณะจำเพาะ ด้วยการสร้างถุงหรือแอ่งที่เรียกว่า เวสิเคิล (vesicle) ซึ่งเกิดขึ้นจากการหดตัวเป็นแอ่งของเยื่อหุ้มเซลล์หรือการเปิดออกของออร์แกเนลล์ต่าง ๆ ภายในเซลล์ การรวมตัวของเยื่อหุ้มเซลล์สามารถล้อมรอบสารโมเลกุลใหญ่ได้ การลำเลียงสารโดยไม่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์แบ่งได้เป็น 2 ชนิด คือ แบบเอกโซไซโทซิส และแบบเอนโดไซโทซิส
1. เอกโซไซโทซิส (exocytosis) เป็นกระบวนการลำเลียงสารโมเลกุลขนาดใหญ่ออกจากเซลล์ โดยสารที่ถูกลำเลียงออกนอกเซลล์จะถูกบรรจุในถุงเวสิเคิล และถุงนี้จะเคลื่อนที่ไปรวมตัวต่อเชื่อมกับเยื่อหุ้มเซลล์ และเยื่อหุ้มเซลล์จะแยกตัวเปิดเป็นช่องสู่ภายนอก ปลดปล่อยสารที่ต้องการลำเลียงออกสู่ภายนอกเซลล์ ตัวอย่างเช่น การลำเลียงของเสียที่ย่อมไม่ได้ออกจากเซลล์ เป็นต้น
2. เอนโดไซโทซิส (endocytosis) เป็นการลำเลียงโมเลกุลของสารในทิศทางตรงข้ามกับเอกโซไซโทซิส โดยนำสารเข้าสู่เซลล์ด้วยการเกิดแอ่งรับสารที่เยื่อหุ้มเซลล์และเว้าเข้าสู่ภายในเซลล์ จากนั้นจึงเกิดการเชื่อมต่อของเยื่อหุ้มเซลล์เกิดเป็นถุงล้อมรอบสารที่จะนำเข้าเซลล์ทำให้สามารถนำเข้าสู่ภายในเซลล์ได้ โดยลักษณะการเกิดเอนโดไซโทซิสเพื่อการนำสารเข้าสู่เซลล์จะสามารถแบ่งได้ 3 วิธี ได้แก่ วิธีฟาโกไซโทซิส วิธีพิโนไซโทซิส และวิธีนำสารเข้าสู่เซลล์โดยอาศัยตัวรับ ดังนี้
1) ฟาโกไซโทซิส (phagocytosis) เป็นการลำเลียงสารที่เป็นของแข็งเข้าสู่เซลล์ พบได้ในเซลล์จำพวกอะมีบา และกลุ่มเซลล์เม็ดเลือดขาว โดยเซลล์จะยื่นไซโทพลาซึม***ออกไปล้อมรอบอนุภาคของสาร และเกิดการสร้างถุงล้อมรอบสาร จากนั้นจึงนำสารเข้าสู่เซลล์และเกิดการย่อยสลายภายในเซลล์ การลำเลียงสารแบบฟาโกไซโทซิสนี้สามารถเรียกอีกอย่างว่า การกินของเซลล์ (cell eating)
***ไซโทพลาสซึม (cytoplasm) เป็นส่วนของเหลวที่อยู่ภายในเยื่อหุ้มเซลล์ล้อมรอบนิวเคลียส โดยประกอบด้วยส่วนสำคัญ ได้แก่ ออร์แกเนลล์ และไซโทซอล ซึ่งไซโทซอลจะมีลักษณะเป็นของกึ่งแข็งกึ่งเหลวมีอยู่ประมาณ 50-60% ของเซลล์ สามารถไหลไปมาได้ จึงทำให้มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์ได้
2) พิโนไซโทซิส (pinocytosis) เป็นกระบวนการนำสารในรูปสารละลายเข้าสู่เซลล์ เว้าเป็นแอ่งเข้าสู่ภายในเซลล์อย่างช้า ๆ จนกลายเป็นถุงขนาดเล็ก และเยื่อหุ้มเซลล์จะสร้างเป็นถุงปิดล้อมสารละลาย จากนั้นจึงหลุดเข้าไปภายในเซลล์กลายเป็นถุงสารละลายอยู่ในไซโทพลาซึม ซึ่งสามารถเรียกได้อีกอย่างว่า การดื่มของเซลล์ (cell drinking)
3) การนำสารเข้าสู่เซลล์โดยอาศัยตัวรับ (receptormediated endocytosis) เป็นกระบวนการนำสารเข้าสู่เซลล์ โดยอาศัยโปรตีนตัวรับ (receptor) ที่อยู่บนเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งมีความจำเพาะในการจับตัวกับสารที่จะลำเลียงเข้าสู่เซลล์ โดยเมื่อโปรตีนตัวรับจับตัวกับสารที่จะนำเซลล์แล้วจากนั้นเยื่อหุ้มเซลล์จะเว้าตัวเป็นถุงและหลุดเข้าสู่ภายในเซลล์
