เซลล์

        เซลล์ (Cell) เป็นโครงสร้างพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลก ซึ่งประกอบด้วยธาตุหลัก 4 ธาตุ คือ ไฮโดรเจน ออกซิเจน ไนโตรเจน และคาร์บอน ซึ่งเป็นธาตุสามัญที่มีอยู่ทั่วไปบนโลกและในจักรวาล นอกจากนั้นเซลล์ยังใช้ฟอสฟอรัสและกำมะถันเป็นวัตถุดิบในการสร้างโครงสร้างของเซลล์ และกระบวนการเผาผลาญอาหารเพื่อสร้างพลังงาน  ธาตุทั้งหกนี้พบทั่วไปในสารอินทรีย์ของเซลล์โดยประกอบกันเป็นโมเลกุล ดังนี้ 

• น้ำ เป็นองค์ประกอบหลักของเซลล์ มีอยู่ประมาณร้อยละ 70 ของน้ำหนักเซลล์ทั้งหมด

• ไขมัน (Lipids) มีโครงสร้างเป็นไฮโดรคาร์บอน ไม่ละลายน้ำ เป็นองค์ประกอบหลักของเนื้อเยื้อต่างๆ และมีหน้าที่เก็บสะสมพลังงานเคมี

• คาร์โบไฮเดรต (Carbohydrate) มีโครงสร้างเป็นไฮโดรคาร์บอนเช่นเดียวกับไขมัน แต่มีกลุ่มไฮดรอกซิล (OH) ซึ่งมีคุณสมบัติในการละลายน้ำ ประกอบด้วยวงแหวนโมเลกุลของน้ำตาล ซึ่งเมื่อแตกตัวแล้วให้พลังงานออกมา

• โปรตีน (Protein) เป็นโมเลกุลที่มีความสลับซับซ้อนมากที่สุด ประกอบขึ้นด้วยกรดอะมิโน (Amino acid) หลายชนิดเรียงต่อกันเป็นสายยาวสลับซับซ้อน คอยทำหน้าที่ต่างๆ ภายในเซลล์ นับตั้งแต่ควบคุมปฏิกิริยาเคมีไปจนถึงเป็นโครงสร้างของร่างกาย ได้แก่ โปรตีนโครงสร้าง เช่น ขน เล็บ เอ็น; โปรตีนขนส่ง เช่น เฮโมโกลบินในเม็ดเลือด; โปรตีนภูมิคุ้มกัน เช่น แอนติบอดี; โปรตีนเร่งปฏิกิริยา เช่น เอนไซม์ เป็นต้น (สิ่งชีวิตสร้างโปรตีนมากมายหลายพันชนิด ขึ้นจากกรดอะมิโนเพียง 20 ชนิด)

ภาพที่ 1 โครงสร้างโปรตีนซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลของกรดอะมิโนชนิดต่างๆ เรียงต่อกัน

• • กรดนิวคลีอิก (Nucleic acid) เป็นโมเลกุลที่ใหญ่ที่สุดในเซลล์ เป็นแหล่งรวบรวมข้อมูลคำสั่ง ซึ่งระบุหน้าที่การทำงานของเซลล์ รวมถึงการถ่ายทอดทางพันธุกรรมด้วย กรดนิวคลีอิกมี 2 ชนิดคือ DNA และ RNA

    • DNA ย่อมาจาก Deoxyribonucleic acid หรือ กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก เป็นโมเลกุลสายคู่ มีหน้าที่สะสมข้อมูลพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิต ซึ่งสามารถสืบทอดมรดก (ชุดคำสั่ง) จากรุ่นหนึ่งไปสู่อีกรุ่นหนึ่ง  

    • RNA ย่อมาจาก Ribonucleic acid หรือ กรดไรโบนิวคลีอิก เป็นโมเลกุลสายเดี่ยว มีหน้าที่จำลองรหัสพันธุกรรมของ DNA เพื่อนำไปสู่การปฏิบัติ โดยการสังเคราะห์โปรตีนถ่ายทอดชุดคำสั่งไปยังเซลล์ตัวอื่นต่อไป

ภาพที่ 2 ตัวอย่างโครงสร้างโมเลกุลของสารอินทรีย์

องค์ประกอบของเซลล์

        เซลล์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยของเหลวใสคล้ายวุ้นที่เรียกว่า "ไซโทพลาสซึม" (Cytoplasm) ซึ่งห่อหุ้มด้วยเยื่อบางๆ (Membrane) ที่ยอมให้สารบางชนิดผ่านเข้าออกได้ ภายในเซลล์บรรจุ "โครโมโซม" (Chromosome) ซึ่งเป็นที่รวบรวมของชุดข้อมูลที่จำเป็นสำหรับการทำงานของเซลล์ โครโมโซมทำหน้าที่ถ่ายทอดรหัสพันธุกรรมใน DNA ไปสู่เซลล์รุ่นถัดไป นอกจากนั้นภายในเซลล์ยังมี "ไรโบโซม" (Ribosome) ซึ่งมีหน้าที่ถอดรหัสพันธุกรรมจาก DNA เพื่อคัดเลือกกรดอะมิโนชนิดต่างๆ มาสร้างเป็นโปรตีนชนิดต่างๆ  เซลล์บางชนิดอยู่นิ่งกับที่ เซลล์บางชนิดเคลื่อนที่ได้ด้วยการโบกสะบัดหางยาวที่ยื่นออกมาเรียกว่า "แฟลเจลลัม" (Flagellum) ดังที่แสดงในภาพที่ 3

ภาพที่ 3 โครงสร้างเซลล์

        โพรคาริโอต (Prokaryote) เป็นเซลล์ขนาดเล็กที่ไม่มีนิวเคลียส อุบัติขึ้นบนโลกในรูปของแบคทีเรียเมื่อประมาณ 3.5 ล้านปีก่อน   ยูคาริโอต (Eukaryote) เป็นเซลล์ขนาดใหญ่มีโครงสร้างสลับซับซ้อน อุบัติขึ้นบนโลกเมื่อ 2.5 ล้านปีก่อน ยูคาริโอตมีโครโมโซมจำนวนหลายชุดบรรจุอยู่ในนิวเคลียส ภายนอกนิวเคลียสยังมี "ออร์แกเนลล์"  (Organelle) หรือโครงสร้างขนาดเล็กซึ่งทำหน้าที่จำเพาะต่างหากอีก ได้แก่ 

• • คลอโรพลาสต์ (Chloroplast) ทำหน้าที่สังเคราะห์อาหารด้วยแสงอาทิตย์

  • ไมโทคอนเดรียน (Mitochondrion) ทำหน้าที่หายใจนำออกซิเจนมาย่อยสลายอาหารให้เกิดพลังงาน 

    • โกลจิบอดี (Golgi body) ทำหน้าที่เก็บสะสมผลผลิตไว้เพื่อสร้างนำมาสร้างพลังงาน

พันธุกรรม (Gene)

        พันธุกรรม หรือ ยีน หมายถึงการส่งทอดข้อมูลข่าวสารของเซลล์จากรุ่นหนึ่งไปอีกรุ่นหนึ่งโดยผ่านโครโมโซม สิ่งมีชีวิตชนิดต่างๆ มีจำนวนโครโมโซมบรรจุอยู่ในเซลล์เป็นจำนวนเฉพาะไม่เหมือนกัน เช่น เซลล์ของมนุษย์มี 46 โครโมโซม เซลล์ของลิงซิมแปนซีมี 48 โครโมโซม เซลล์ของต้นสนมี 22 โครโมโซม ส่วนเซลล์ของปลาทองมีถึง 94 โครโมโซม โครโมโซมเป็นที่รวบรวมของข้อมูลภาษาทางพันธุกรรม หรือ ยีน ซึ่งเก็บรวบรวมไว้เป็นรหัส ซึ่งเขียนขึ้นด้วยกรดนิวคลีอิคเรียงต่อกันเป็นคำและประโยค

ภาพที่ 4 การแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส

        ในขณะที่สิ่งมีชีวิตมีอายุมากขึ้น ร่างกายก็จะเติบโตใหญ่ขึ้น  เซลล์ยังมีขนาดคงเดิมแต่จะเพิ่มจำนวนมากขึ้นโดยการแบ่งตัว  การแบ่งตัวที่ทำให้เกิดเซลล์สองเซลล์ที่เหมือนกันเรียกว่า "ไมโทซิส" (Mitosis) ภาพที่ 4 แสดงให้เห็นขั้นตอนของการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส ดังนี้

• 1. โครโมโซมภายในนิวเคลียสเริ่มหดตัวสั้นและหนาขึ้น

  2. จับตัวเป็นคู่ๆ เป็นรูปตัว X 

  3. โครโมโซมเรียงตัวเป็นเส้นตรง

  4. เซลล์เริ่มขยายตัวทำให้โครโมโซมแยกตัวออกสองข้าง

  5. เซลล์สร้างผนังแบ่งเป็น 2 นิวเคลียส

  6. เซลล์แยกตัวออกเป็น 2 เซลล์โดยอิสระ การแบ่งตัวแบบนี้ทำให้เซลล์ที่เกิดขึ้นใหม่มีสมบัติเหมือนเดิมทุกประการ

ภาพที่ 5 โครโมโซมของมนุษย์ (เพศหญิง)

        ในการสืบทอดพันธุกรรมด้วยเพศมีการแบ่งตัวชนิดพิเศษอีกรูปแบบหนึ่ง ซึ่งทำให้เซลล์ที่เกิดใหม่มีความแตกต่างกันเรียกว่า "ไมโอซิส" (Meiosis)  ภาพที่ 5 แสดงให้เห็นถึงโครโมโซมของมนุษย์จำนวน 23 คู่ เรียงตามขนาดใหญ่ไปเล็ก โครโมโซมคู่ที่ XX เป็นโครโมโซมพิเศษซึ่งบ่งบอกถึงความเป็นเพศหญิง สเปิร์มซึ่งอยู่ในอัณฑะของเพศผู้ และไข่ซึ่งอยู่ในรังไข่ของเพศเมียจัดเป็น "เซลล์เพศ" (Sex cell) ถือเป็นเซลล์พิเศษ เมื่อเกิดการปฏิสนธิ สเปิร์มของเพศผู้เข้าไปอยู่ในนิวเคลียสในไข่ของเพศเมีย ทำให้เซลล์ไข่มีโครโมโซมครบ 46 ตัว (ในกรณีของมนุษย์)

ภาพที่ 6 การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส (อาศัยเพศ)

        การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสหรืออาศัยเพศ มีขั้นตอนตามภาพที่ 6 ดังนี้  

• 1. โครโมโซมภายในนิวเคลียสเริ่มหดตัวสั้นและหนาขึ้น 

  2. จับตัวเป็นคู่ๆ เป็นรูปตัว X

  3. โครโมโซมจับคู่ประกบกันแลกเปลี่ยนรหัสพันธุกรรม 

  4. แต่ละคู่แยกตัวจากกัน 

  5. เซลล์เริ่มขยายตัวออก 

  6. เซลล์สร้างผนังแบ่งเป็น 2 นิวเคลียส 

  7. เซลล์แยกตัวออกเป็น 2 เซลล์โดยอิสระ 

  8. เซลล์เริ่มขยายตัวทำให้โครโมโซมแยกตัวออกสองข้าง 

  9. เซลล์สร้างผนังแบ่งเป็น 2 นิวเคลียส 

  10. เซลล์แยกตัวออกเป็น 4 เซลล์โดยอิสระ การแบ่งตัวแบบนี้ทำให้เซลล์ที่เกิดขึ้นใหม่แต่ละเซลล์ มีสมบัติเฉพาะตัวแตกต่างไปจากเซลล์ต้นกำเนิด นี่เป็นสาเหตุทำให้ตัวเรามีทั้งความคล้ายคลึงและแตกต่างจากบรรพบุรุษ

รหัสพันธุกรรม (Genetic code)

        โครโมโซมประกอบด้วยโมเลกุลของกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก หรือ DNA ซึ่งเป็นโมเลกุลสายคู่บิดเป็นเกลียวต่อเนื่องดังที่แสดงในภาพที่ 7 แสดงถึงโครงสร้างโมเลกุลของ DNA ซึ่งประกอบขึ้นด้วยกลุ่มโมเลกุลย่อยของกรดนิวคลีอิกที่เรียกว่า "นิวคลีโอไทด์" (Nucleotide) แต่ละนิวคลีโอไทด์ประกอบด้วยหน่วยย่อย 3 หน่วย คือ น้ำตาลไรโบส 5 อะตอมคาร์บอน [R] อยู่ตรงกลาง ปลายข้างหนึ่งต่อเชื่อมกับกลุ่มฟอสเฟต (P) โดยมีปลายอีกข้างหนึ่งต่อเชื่อมกรดนิวคลีอิกที่ฐานไนโตรจีเนียส [B] ซึ่งมีด้วยกัน 4 ชนิดคือ อะดีนิน (A), ไทมิน (T), กัวนิน (G) และไซโทซิน (C) หากนำโครโมโซม (ในเซลล์มนุษย์) หนึ่งเส้นมายืดออกจะได้ระยะทางประมาณ 2 - 3 เมตร ซึ่งมีฐานไนโตรจีเนียสประมาณ 3 ล้านฐาน

ภาพที่ 7 โครงสร้าง DNA

        เนื่องจากโครงสร้างของ DNA ซึ่งเป็นโมเลกุลสายคู่ (Double helix) นิวคลีโอไทด์ซึ่งอยู่คู่กันจึงเชื่อมต่อกันที่ฐานไนโตรจีเนียสโดยมีข้อแม้ว่า A คู่กับ T และ C คู่กับ G เท่านั้น ดังนั้นลักษณะของการจับคู่ฐานจึงมีเพียง 4 รูปแบบ เท่านั้น คือ {A-T}, {T-A}, {C-G} และ {G-C} เท่านั้น นี่คือตัวอักษรในรหัสพันธุกรรม ภาษาพันธุกรรมมีความคล้ายคลึงกับภาษามนุษย์ คำที่ใช้ในรหัสพันธุกรรมเรียกว่า "โคดอน"  (Codon) หนึ่งโคดอนประกอบด้วย กลุ่มลำดับฐาน ซึ่งอ่านครั้งละ 3 ตัวอักษร เช่น [{A-T}, {C-G}, {T-A}] ดังตัวอย่างในภาพที่ 8  ดังนั้นกลุ่มของลำดับฐานจึงมี 64 กลุ่ม ที่แตกต่างกัน ถ้อยคำเหล่านี้จัดเรียงต่อกันคำต่อคำ เป็นประโยคข้อมูลตลอดความยาวของสาย DNA

ภาพที่ 8 รหัสพันธุ์กรรม 1 โคดอน

        เมื่อเซลล์เกิดการแบ่งตัว สายดีเอ็นเอจะจำลองแบบตัวเอง (Replication) โดยการถอดซิปตัวเองออก คลายฐานไนโตรจีนัสเพื่อให้โมเลกุลของกรดนิวคลีอิกคัดลอกแบบตัวเอง จนเกิดสายโมเลกุลใหม่อีก 2 เส้น ซึ่งเหมือนกันทุกประการประกบกันเป็น สายเก่า-ใหม่ จำนวน 3 คู่ ดังภาพที่ 9

ภาพที่ 9 การจำลองแบบ DNA

        ในการทำงานของร่างกาย เซลล์จะต้องถอดรหัสพันธุกรรม เพื่อนำข้อมูลข่าวสารจาก DNA ไปสู่ปฏิบัติ โดยมีผลลัพธ์เป็นการสังเคราะห์โปรตีนชนิดต่างๆ จากโมเลกุลของกรดอะมิโนหลายชนิด (ภาพที่ 10) เมื่อการถอดรหัสเริ่มขึ้น เอนไซม์ (โปรตีนเร่งปฏิกิริยา) จะเปิดสายโมเลกุลเกลียวคู่ให้แยกจากกันตามจุดที่ต้องการ เอนไซม์อีกชนิดหนึ่งจะสร้างสาย "เมสเซนเจอร์ อาร์เอ็นเอ” (messenger RNA) หรือ mRNA เข้าไปประกบคู่กับ สาย DNA ข้างหนึ่ง โดยการเชื่อมฐานนิวโตรจีเนียสเข้าด้วยกัน แต่ฐานใน RNA มีเพียง A, C, G, ไม่มี T (ไทมิน) แต่มี U (ยูราซิล) แทน   เมื่อ mRNA ทำการคัดลอกข้อมูลจาก DNA เสร็จแล้ว จะเดินทางผ่านผนังนิวเคลียสออกมา จากนั้นไรโบโซมซึ่งมี RNA อีกชนิดหนึ่งซึ่งบรรจุอยู่ภายในเรียกว่า “ทรานสเฟอร์อาร์เอ็นเอ” (transfer RNA) หรือ tRNA จะเคลื่อนตัวไปตามสาย mRNA เพื่อแปลรหัสพันธุกรรมทีละ 1 โคดอน หรือ 3 ตัวอักษร เช่น [{A-U}, {U-A}, {C-G}] ข้อมูลจาก nRNA เป็นคำสั่งการให้ tRNA คัดเลือกโมเลกุลของกรดอะมิโนทั้ง 20 ชนิด เรียงลำดับให้ถูกต้องเพื่อสังเคราะห์โปรตีนชนิดที่ต้องการ เมื่อไรโบโซมเคลื่อนที่มาถึงรหัสที่บอกว่า หยุด ก็จะได้สายโปรตีนโมเลกุลที่สมบูรณ์ และหลุดออกไปจากไรโบโซม เพื่อทำหน้าที่ๆ เป็นเซลล์ตามที่ต้องการต่อไป

ภาพที่ 10 การทำงานของ RNA