วิทยาศาสตร์

การลำเลียงสารเข้าและออกจากเซลล์

สมบัติที่สำคัญประการหนึ่งของสิ่งมีชีวิต คือสามารถควบคุมและคัดเลือกสาร ผ่านเข้าออกเยื้อหุ้มเซลล์ เซลล์สิ่งมีชีวิตจึงดำรงอยู่ได้ โดยมีองค์ประกอบเคมีภายในเซลล์แตกต่างจากสิ่งแวดล้อมภายนอก ทั้งชนิดและปริมาณสารเคมี รักษาสภาพเซลล์ให้คงสมบูรณ์อยู่ และให้เหมาะสมต่อการเกิด ปฏิกิริยาชีวเคมีต่างๆของเซลล์ ซึ่งต้องการสารวัตถุดิบจากภายนอกและมีของเสียเกิดขึ้นที่กำจัดทิ้ง ตลอดจนมีผลผลิตเกิดขึ้นที่จะต้องส่งออกไปนอกเซลล์ เซลล์มีการแลกเปลี่ยนสารจากสิ่งแวดล้อมแบบคัดเลือกได้เช่นนี้ เพราะเยื้อหุ้มเซลล์มีสมบัติเป็นเยื้อเลือกผ่าน

 

การแพร่ (diffusion) 

คือการเคลื่อนที่ของอนุภาคสารจากบริเวณที่มีความหนาแน่นสูงไปยังบริเวณที่มีความหนาแน่นของสารต่ำ โดยอาศัยพลังงานจลน์ของสารเอง 

(key word สำคัญ สารมากไปสารน้อย หรือบริเวณที่มีสารมากจะเคลื่อนที่ไปบริเวณที่มีสารน้อย) โดยการแพร่มี 2 แบบดังนี้

1.1) การแพร่แบบธรรมดา (Simple diffusion) เป็นการแพร่ที่ไม่อาศัยตัวพา หรือตัวช่วยขนส่ง (carrier) ใดๆเลย เช่น การแพร่ของผงด่างทับทิมในน้ำจนทำให้น้ำมีสีม่วงแดงจนทั่วภาชนะ การได้กลิ่นผงแป้ง หรือ การได้กลิ่นน้ำหอม

รูปที่ 1 เเสดงการเเพร่แบบธรรมดา (สารมากไปสารน้อย)

รูปที่ 2 เเสดงการแพร่ของเเก็สในปอด

1.2) การแพร่แบบฟาซิลิเทต (Facilitated diffusion) เป็นการแพร่ของสารผ่านโปรตีนตัวพา (Carrier) ที่ฝังอยู่บริเวณเยื่อหุ้มเซลล์โดยตรง โปรตีนตัวพา (carrier) จะทำหน้าที่คล้ายประตูเพื่อรับโมเลกุลของสารเข้าและออกจากเซลล์ การแพร่แบบนี้มีอัตราการแพร่เร็วกว่าการแพร่แบบธรรมดามาก ตัวอย่างเช่น การลำเลียงสารที่เซลล์ตับและ เซลล์บุผิวลำไส้เล็ก การแพร่แบบนี้เกิดในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเท่านั้น

รูปที่ 3 เเสดงการเเพร่เเบบฟาซิลิเทต (สารมากไปสารน้อยเเต่ต้องมีตัวพา)

ปัจจัยที่มีผลต่อการแพร่
1.สถานะของสาร โดยแก็สมีพลังงานจลน์สูงสุดจึงมีอัตราการแพร่สูงสุด

2.สถานะของตัวกลางที่สารจะแพร่ผ่าน โดยตัวกลางที่เป็นแก็สจะมีแรงต้านน้อยที่สุดจึงทำให้มีอัตราการแพร่สูงที่สุด

3.ขนาดอนุภาคของสาร โดยอนุภาคยิ่งเล็กยิ่งมีอัตราการแพร่สูง

4.ระยะทางที่สารจะแพร่ในหนึ่งหน่วยเวลา

5.อุณหภูมิ โดยจะมีผลต่อการเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับสารทำให้มีอัตราการแพร่เพิ่มสูงขึ้น

6.ความดัน เมื่อความดันเพิ่มสูงขึ้นจะเพิ่มความหนาแน่นให้กับสาร ส่งผลให้มีอัตราการแพร่เพิ่มสูงขึ้น

7.ความแตกต่างของความเข้มข้นสารระหว่าง 2 บริเวณ

การออสโมซิส (Osmosis)

คือการเคลื่อนที่ของตัวทำละลาย (มักจะกล่าวถึงน้ำ) ผ่านเยื่อเลือกผ่านจากสารละลายที่เข้มข้นต่ำไปยังสารละลายที่เข้มข้นสูง (จำง่ายๆ น้ำมากไปน้ำน้อยและที่สำคัญต้องผ่านเยื่อเลือกผ่าน เช่น เยื่อหุ้มเซลล์ หรือกระดาษเซลโลเฟนที่เราใช่ในการทดลอง)

รูปที่ 1 แสดงการออสโมซิส โดยน้ำมากเคลื่อนที่ไปน้ำน้อยผ่านเยื่อบางๆ (semipermeable membrane)

การออสโมซิสมีแรงดันที่เกี่ยวข้อง 2 ชนิด คือ

(1) แรงดันออสโมติก (Osmotic pressure) คือแรงดันที่เกิดขึ้นเพื่อต้านการเคลื่อนที่ของตัวทำละลายที่ผ่านเยื่อบางๆ เช่นเยื่อหุ้มเซลล์

(แรงดันออสโมติกก็คือแรงที่ใช้ต้านการเคลื่อนที่ของน้ำไม่ให้น้ำเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีน้ำมากไปยังบริเวณที่มีน้ำน้อย ดังนั้น หากมีแรงต้านการเคลื่อนที่ของน้ำไม่มาก น้ำจะเคลื่อนที่ผ่านเยื่อบางๆได้มาก (แรงต้านไม่มาก = แรงดันออสโมติกต่ำ)โดยน้ำมีแรงดันออสโมติกต่ำสุด)

(2) แรงดันเต่ง (turgor pressure) คือแรงดันที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ เกิดขึ้นเนื่องมาจากน้ำออสโมซิสเข้าไปภายในเซลล์แล้วดันให้เซลล์แต่งหรือบวมขึ้นมา เมื่อน้ำเข้าไปภายในเซลล์มากเกินไปในกรณีที่เป็นเซลล์สัตว์อาจเกิดการแตกได้ แต่หากเป็นเซลล์พืชมักจะไม่มีการแตกของเซลล์เนื่องจากมีผนังเซลล์คงรูปร่างไว้

โดยที่จุดสมดุลของการแพร่พบว่า แรงดันออสโมติกของสารละลาย = แรงดันแต่งสูงสุด

ประเภทของสารละลายจำแนกตามแรงดันออสโมติก

สารละลายที่มีความเข้มข้นต่างกันจะมีผลต่อเซลล์แตกต่างกันด้วย จึงทำให้แบ่งสารละลายที่อยู่นอกเซลล์ออกได้เป็น 3 ชนิด ตามการเปลี่ยนขนาดของเซลล์ เมื่ออยู่ภายในสารละลายนั้น คือ

1. สารละลายไฮโพโทนิก (Hypotonic solution) คือสารละลายที่มีแรงดันออสโมติกต่ำ หรือสารละลายที่มีความเข้มข้นต่ำ(มีน้ำมาก) เมื่อนำเซลล์มาแช่ในสารละลายไฮโพโทนิก น้ำจากสารละลายจะเข้าสู่เซลล์ส่งผลให้เกิดการเต่งของเซลล์หรือที่เรียกว่า Plasmoptysis
ตัวอย่างเช่น สมมติว่านำเซลล์เม็ดเลือดแดงที่มีความเข้มข้น 0.85% ไปแช่ในสารละลาย 0.25% พบว่าน้ำจากสารละลายจะแพร่จาก0.25% ไปยัง 0.85% จนทำให้เซลล์แต่งและหากน้ำยังเข้าได้เรื่อยก็จะส่งผลให้เซลล์เม็ดเลือดแดงแตกหรือที่เรียกว่า ฮีโมไลซิส (Haemolysis)
เซลล์พืชจะแตกได้หากเป็นเซลล์อ่อนๆเท่านั้นเนื่องจากผนังเซลล์ยังไม่แข็งแรง แต่หากมีผนังเซลล์แข็งแรงแล้วจะไม่แตก

2. สารละลายไฮเพอร์โทนิก (Hypertonic solution) สารละลายที่มีแรงดันออสโมติกสูง หรือสารละลายที่มีความเข้มข้นสูงแต่น้ำน้อย ดังนั้นหากนำเซลล์มาแช่ในสารละลายไฮเพอร์โทนิกจะทำให้น้ำจากเซลล์จะที่เคลื่อนที่ออกมายังสารละลายจนทำให้เซลล์เหี่ยวที่เรียกว่า plasmolysis ตัวอย่างเช่น 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 จะมีผลให้น้ำออกจากเซลล์เม็ดเเดงจนทำให้เซลล์เหี่ยว

สารละลาย Isotonic น้ำเข้าเเละออกจากเซลล์เท่ากัน รักษาสภาพเซลล์

สารละลาย hypotonic น้ำเข้าเซลล์จนทำให้เซลล์เเตกใครจำประเภทของสารละลายฟังนะ คงเคยได้ยินคำว่าเด็ก hyper กันมั้ย เป็นเด็กที่มีการกระทำหรือพฤติกรรมมากเกินไปใช่มัยครับ เพราะฉะนั้นสารละลาย hypertonic ก็เป็นสารละลายที่มีความเข้มข้นมากเกินไปจนทำให้น้ำในเซลล์เคลื่อนที่ออกมา ซึ่งมันจะตรงข้ามกับ Hypo ที่แปลว่าต่ำซึ่งน้ำจะเข้าเซลล์ไงครับ ดังนั้นเหลือเเต่คำว่า Iso ที่เเปลว่าเท่ากันไงครับ นั้นคือน้ำเข้าเเละออกจากเซลล์เท่ากัน