การลำเลียงสารผ่านเซลล์

การลำเลียงสารผ่านเซลล์ การแพร่ (Diffusion) เป็นการเคลื่อนที่ของโมเลกุลหรือไอออนของสารจากบริเวณที่มีโมเลกุลหรือไอออน ของสารหนาแน่นมากไปยังบริเวณที่มีโมเลกุลหรือไอออนของสารหนาแน่นน้อยกว่า โดยการเคลื่อนที่นั้นจะอาศัย พลังงานจลน์ในโมเลกุลหรือไอออนของสารนั้น สารที่มีการแพร่อาจอยู่ในสถานะแก๊ส ของเหลว หรืออนุภาคของแข็งซึ่งแขวนลอยอยู่ในตัวกลางที่เป็นของเหลวก็ได้ โดยพบว่าการเคลื่อนที่กระทบกันของโมเลกุล จะเป็นผลให้โมเลกุลของสารกระจายออกไปทุกทิศทางในตัวกลาง เรียกว่า “การเคลื่อนที่แบบบราวเนียน (Brownian Movement)” การเคลื่อนที่ของอนุภาคสารนี้จะเกิดขึ้นจนกระทั่งบริเวณทั้งสองมีความเข้มข้นของสารเท่ากันเกิดเป็นสภาวะ สมดุลของการแพร่ (Dynamic Equilibrium) ในที่สุด จากการศึกษาพบว่าปัจจัยที่ควบคุมอัตราการแพร่ของสารขึ้นอยู่กับ 1. ความเข้มข้นของสารที่แพร่ สารที่มีความเข้มข้นสูงจะแพร่ไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารต่ำกว่า 2. อุณหภูมิ การเพิ่มอุณหภูมิจะทำให้อัตราการแพร่ของสารรวดเร็วยิ่งขึ้น 3. ความดัน การเพิ่มความดันจะทำให้โมเลกุลหรือไอออนของสารเคลื่อนที่ได้ดียิ่งขึ้น 4. ความสามารถในการละลายของสารที่แพร่ สารที่ละลายได้ดีจะมีอัตราการแพร่เร็วกว่าสารที่ละลายได้ไม่ดี ออสโมซิส (Osmosis) เป็นการแพร่ของโมเลกุลของน้ำจากบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ (มีโมเลกุลของน้ำมาก) ไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงกว่า (มีโมเลกุลของน้ำน้อยกว่า) โดยผ่านเยื่อบางๆ ซึ่งมีสมบัติพิเศษ คือยอมให้โมเลกุลของน้ำผ่านได้สะดวก ส่วนสารอื่นที่ละลายปนอยู่ในน้ำและมีโมเลกุลขนาดใหญ่จะไม่สามารถผ่านได้สำหรับสารที่มีโมเลกุลขนาดเล็กจะสามารถผ่านได้แต่ไม่สะดวก เยื่อบางๆ ที่มีสมบัติยอมให้สารผ่านเข้าออกได้มากน้อยต่างกันเช่นนี้ เรียกว่า “Differentially Permeable Membrane” หรือ “Semipermeable Membrane” จากการศึกษาเปรียบเทียบความเข้มข้นของสารละลายที่อยู่ภายนอกเซลล์กับความเข้มข้นของของเหลว ภายในเซลล์ พบว่ามีความแตกต่างกัน จำแนกได้เป็น 3 แบบ คือ 1. Hypotonic Solution หมายถึง สภาพที่สารละลายภายนอกเซลล์มีความเข้มข้นน้อยกว่าสารละลาย ภายในเซลล์ ทำให้น้ำที่อยู่ภายนอกเซลล์ออสโมซิสเข้าไปภายในเซลล์ ตัวอย่างเช่น เมื่อนำเซลล์เม็ดเลือดแดงไปใส่ ในน้ำกลั่น น้ำก็จะออสโมซิสเข้าไปในเซลล์เม็ดเลือดแดง ทำให้เซลล์เม็ดเลือดแดงเต่งและแตกในที่สุด เรียก ปรากฏการณ์นี้ว่า “Hemolysis” 2. Hypertonic Solution หมายถึง สภาพที่สารละลายภายนอกเซลล์มีความเข้มข้นมากกว่าสารละลาย ภายในเซลล์ ทำให้น้ำภายในเซลล์ออสโมซิสออกมาภายนอกเซลล์ ตัวอย่างเช่น เมื่อนำเซลล์เม็ดเลือดแดงไปใส่ น้ำเกลือที่มีความเข้มข้นสูงกว่า 0.85 เปอร์เซ็นต์ น้ำภายในเซลล์เม็ดเลือดแดงจะออสโมซิสออกจากเซลล์เม็ด เลือดแดง ทำให้เซลล์เม็ดเลือดแดงแฟบหรือเหี่ยวลง เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “Plasmolysis” 3. Isotonic Solution หมายถึง สภาพที่สารละลายภายนอกเซลล์มีความเข้มข้นเท่ากับสารละลายภาย- ในเซลล์ ทำให้การออสโมซิสของน้ำจากภายในเซลล์และภายนอกเซลล์ไม่แตกต่างกัน รูปร่างเซลล์จึงไม่เปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่น การนำเซลล์เม็ดเลือดแดงแช่ในสารละลายที่มีความเข้มข้น 0.85 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งมีความเข้มข้นเท่ากับ ของเหลวภายในเซลล์เม็ดเลือดแดงพอดี จึงทำให้เซลล์เม็ดเลือดแดงอยู่ในสภาพปกติ  การแพร่แบบฟาซิลิเทต (Facilitated Diffusion) เป็นการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของสารบางชนิดที่ไม่ สามารถแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้โดยตรง จึงต้องอาศัยตัวพา (Carier) ซึ่งเป็นโมเลกุลของโปรตีนที่เป็นองค์ ประกอบของเยื่อหุ้มเซลล์ ทำหน้าที่จับกับโมเลกุลของสารเพื่อให้เคลื่อนที่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เข้าไปในไซโทพลาซึมได้ การแพร่แบบนี้เกิดขึ้นเมื่อมีความแตกต่างระหว่างความเข้มข้นของสาร 2 บริเวณ โดยจะมีทิศทางการเคลื่อนที่ ของสารจากบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำกว่าโดยไม่ต้องอาศัยพลังงาน การแพร่จะ เกิดขึ้นจนกว่าความเข้มข้นของสารทั้งสองบริเวณจะเท่ากันและเกิดสภาวะสมดุลของการแพร่ จากการศึกษาพบว่า การแพร่แบบนี้มีความจำเพาะในการลำเลียงสารบางชนิดและมีอัตราเร็วมากกว่าการแพร่แบบธรรมดาหลายเท่าตัว ตัวอย่างเช่น การเคลื่อนที่ของน้ำตาลกลูโคสเข้าสู่เซลล์กล้ามเนื้อ เป็นต้น การลำเลียงแบบใช้พลังงาน (Active Transport) เป็นการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของสารผ่านเยื่อหุ้ม- เซลล์จากบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นสูงโดยใช้พลังงานจากเซลล์และต้องอาศัยตัวพาซึ่ง เป็นโปรตีนที่เยื่อหุ้มเซลล์ทำหน้าที่เป็นตัวลำเลียงสารเช่นเดียวกับการแพร่แบบฟาซิลิเทต การลำเลียงสารแบบนี้ จะมีทิศทางการลำเลียงตรงข้ามกับการแพร่ จึงต้องใช้พลังงานจากการสลายพันธะสารเคมีที่มีพลังงานสูง คือ ATP ช่วยเป็นแรงผลักดันในการเคลื่อนที่ ตัวอย่างเช่น การดูดซึมกลูโคสที่ย่อยแล้วเข้าสู่เส้นเลือด การเกิด Sodium-Potassium Pump ที่เยื่อหุ้มเซลล์ประสาท การดูดแร่ธาตุจากดินเข้าสู่ราก เป็นต้น สารบางชนิดมีโมเลกุลขนาดใหญ่ไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านเยื้อหุ้มเซลล์ได้โดยตรง โดยการแพร่ การแพร่ แบบฟาซิลิเทตหรือการลำเลียงแบบใช้พลังงาน แต่เซลล์ก็มีวิธีการนำสารเหล่านี้เข้าสู่เซลล์ได้โดยการสร้างเวสิเคิล (Vesicle) จากการยื่นหรือคอดเว้าของเยื่อหุ้มเซลล์ทำให้เยื่อหุ้มเซลล์ล้อมรอบสารที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่และ สามารถลำเลียงสารเหล่านั้นเข้าและออกจากเซลล์ได้ การลำเลียงสารโดยวิธีนี้แบ่งออกเป็น 2 รูปแบบ ตามทิศ ทางการลำเลียง คือ 1. เอนโดไซโทซิส (Endocytosis) เป็นการลำเลียงสารที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่เข้าสู่เซลล์ มีกลไกแตกต่าง กัน 3 วิธี คือ 1.1 พิโนไซโทซิส (Pinocytosis หรือ Cell Drinking) เป็นการนำสารโมเลกุลใหญ่ที่มีสภาพเป็น ของเหลวเข้าสู่เซลล์ โดยการทำให้เยื่อหุ้มเซลล์เว้าเข้าไปในไซโทพลาซึมทีละน้อยๆ จนกระทั่งกลายเป็นถุงเล็กๆ หลุดเข้าไปอยู่ในไซโทพลาซึมกลายเป็นเวสิเคิล เรียกว่า “Pinosome” จากการศึกษาพบว่าสารที่ลำเลียงโดยวิธีนี้ นั้นอาจจะเป็นสารละลายหรือหยดน้ำมันก็ได้ ตัวอย่างเช่น การลำเลียงสารละลายเข้าสู่เซลล์ลำไส้ และเซลล์ไต เป็นต้น 1.2 ฟาโกไซโทซิส (Phagocytosis หรือ Cell Eating) เป็นการนำสารโมเลกุลใหญ่ที่เป็นของแข็ง หรือสารที่ไม่ละลายน้ำเข้าสู่เซลล์โดยการยื่นเท้าเทียม (Pseudopodium) ออกไปโอบล้อมสารเหล่านั้นไว้จนกลาย เป็นถุงเล็กๆ หรือเวสิเคิลในไซโทพลาซึม เรียกว่า “Phagosome” จากนั้นถุงเล็กๆ เหล่านี้ก็อาจรวมตัวกับไลโซ- โซมภายในเซลล์และมีการย่อยสลายสารเหล่านี้เกิดขึ้น การลำเลียงสารเข้าสู่เซลล์โดยวิธีนี้พบในเซลล์บางชนิด เช่น เซลล์เม็ดเลือดขาว เซลล์อะมีบา เป็นต้น 1.3 การนำสารเข้าสู่เซลล์โดยอาศัยตัวรับ (Receptor-Mediated Endocytosis) เป็นการ ลำเลียงสารที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่เข้าสู่เซลล์โดยการใช้โปรตีนตัวรับ (Receptor) บนเยื่อหุ้มเซลล์จับกับสารที่มี ความจำเพาะ จากนั้นเยื่อหุ้มเซลล์จึงคอดเว้าหลุดเข้าไปเป็นเวสิเคิลในไซโทพลาซึม 2. เอกโซไซโทซิส (Exocytosis) เป็นการนำสารที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ออกจากเซลล์โดยสารที่ต้องการ กำจัดออกจากเซลล์จะอยู่ในเวสิเคิลในไซโทพลาซึม เมื่อเวสิเคิลเคลื่อนที่ไปอยู่ชิดและเชื่อมกับเยื่อหุ้มเซลล์ก็จะทำ ให้สารภายในเวสิเคิลเคลื่อนที่ออกจากเซลล์ได้ ตัวอย่างเช่น การกำจัดของเสียออกจากเซลล์อะมีบา การหลั่ง เอนไซม์ออกจากเยื่อบุกระเพราะอาหาร เป็นต้น