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

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. 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)

การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิสหรืออาศัยเพศ มีขั้นตอนตามภาพที่ 6 ดังนี้

1. 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

ภาพที่ 6 การแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส (อาศัยเพศ)

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