เยื่อหุ้มเซลล์และการลำเลียง

เยื่อหุ้มเซลล์คัดเลือกสารผ่านเข้าออก โดยดูทั้งสมบัติของสาร เส้นทางผ่านเยื่อ และทิศเทียบกับความชันของสารหรือประจุ จึงต้องแยกการแพร่แบบไม่ใช้พลังงานโดยตรงออกจากการลำเลียงทวนความชัน

พื้นฐานที่ใช้: ความเข้มข้นบอกจำนวนอนุภาคต่อปริมาตร; ประจุไฟฟ้ามีผลต่อทิศการเคลื่อนที่ของไอออน; ATP เป็นแหล่งพลังงานเคมีของเซลล์

เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข

1. ชั้นฟอสโฟลิพิดเลือกสารตามสมบัติ

• เยื่อหุ้มเซลล์มีสมบัติเป็นเยื่อเลือกผ่าน (Selectively permeable membrane) ตามแบบจำลอง Fluid Mosaic Model

• ความสามารถในการผ่านชั้นฟอสโฟลิพิดไบเลเยอร์:
  • ผ่านได้ง่ายและเร็ว: โมเลกุลขนาดเล็กไม่มีขั้ว (เช่น $O_2, CO_2, N_2$) และสารที่ละลายในลิพิดได้ดี
  • ผ่านได้ช้ามาก: โมเลกุลขนาดเล็กมีขั้วที่ไม่มีประจุ (เช่น $H_2O$, กลีเซอรอล)
  • ผ่านไม่ได้โดยตรง: โมเลกุลขนาดใหญ่มีขั้ว (เช่น กลูโคส, กรดอะมิโน) และไอออนทุกชนิดที่มีประจุ ($Na^+, K^+, Ca^{2+}, Cl^-$) จำเป็นต้องอาศัยโปรตีนลำเลียง (Transport proteins)
• โปรตีนบนเยื่อหุ้มเซลล์:
  • Channel proteins: ช่องโปรตีนเปิดให้ไอออนหรือน้ำ (Aquaporin) ไหลผ่านตามเกรเดียนต์
  • Carrier proteins: โปรตีนพาหะที่เปลี่ยนรูปทรงเมื่อจับกับสารจำเพาะ

• จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
  • ภาพรวม: โครงสร้าง Fluid Mosaic Model ประกอบด้วยฟอสโฟลิพิด 2 ชั้น แทรกด้วยโปรตีน คอเลสเตอรอล และคาร์โบไฮเดรต
  • ส่วนประกอบและสัญลักษณ์: ช่องผ่านของสารไม่มีขั้วผ่านชั้นไขมันได้ตรง สารมีขั้ว/ไอออนต้องผ่านโปรตีนขนส่ง
  • ข้อจำกัดของภาพจำลอง: แสดงภาพตัดขวางแบบคงที่ ในสภาพจริงโมเลกุลฟอสโฟลิพิดและโปรตีนเคลื่อนที่ด้านข้างได้ตลอดเวลา

2. น้ำเคลื่อนสุทธิด้วยออสโมซิสตามความต่างของศักย์น้ำ

• การออสโมซิสเป็นการเคลื่อนที่ของโมเลกุลน้ำผ่านเยื่อเลือกผ่านตามศักย์น้ำ

• ทิศทางการเคลื่อนที่ของน้ำ:
  • น้ำเคลื่อนที่สุทธิจากบริเวณที่มี ศักย์น้ำสูง ($\Psi_w$ สูง / สารละลายเจือจาง) ไปยังบริเวณที่มี ศักย์น้ำต่ำ ($\Psi_w$ ต่ำ / สารละลายเข้มข้น)
• ผลของสารละลายต่อเซลล์:
  • Hypotonic solution (ภายนอกเจือจางกว่า): น้ำออสโมซิสเข้า เซลล์สัตว์จะเต่งจนแตก (Lysis) เซลล์พืชจะเต่ง (Turgid) โดยมีผนังเซลล์ต้านแรงดันเต่ง
  • Isotonic solution (ความเข้มข้นเท่ากัน): อัตราน้ำเข้าเท่ากับออก เซลล์คงรูปเดิม
  • Hypertonic solution (ภายนอกเข้มข้นกว่า): น้ำออสโมซิสออก เซลล์สัตว์เหี่ยว (Crenation) เซลล์พืชเกิดพลาสโมไลซิส (Plasmolysis: เยื่อหุ้มเซลล์ร่นแยกจากผนังเซลล์)

3. ลำเลียงทวนความชันต้องพึ่งพาพลังงาน

• การขนส่งสารข้ามเยื่อหุ้มแบ่งเป็น 2 รูปแบบหลักตามการใช้พลังงาน

• การลำเลียงแบบไม่ใช้พลังงาน (Passive transport):
  • Simple diffusion: สารแพร่ผ่านชั้นไขมันโดยตรงจากความเข้มข้นสูง $\rightarrow$ ต่ำ
  • Facilitated diffusion: สารแพร่ผ่านโปรตีนช่องหรือพาหะจากความเข้มข้นสูง $\rightarrow$ ต่ำ โดยไม่ต้องใช้ ATP
• การลำเลียงแบบใช้พลังงาน (Active transport):
  • ลำเลียงสาร ทวนความชันความเข้มข้นหรือความชันไฟฟ้าเคมี (ต่ำ $\rightarrow$ สูง)
  • ต้องอาศัยโปรตีนตัวพาและ พลังงานจาก ATP โดยตรงหรือโดยอ้อม (เช่น $Na^+/K^+$ ATPase ปั๊ม $3 Na^+$ ออก และ $2 K^+$ เข้าเซลล์)

4. Receptor-mediated endocytosis รับ cargo ที่จับกับ receptor จำเพาะ

• การลำเลียงสารขนาดใหญ่ (Bulk transport) เข้าสู่เซลล์ด้วยเวสิเคิล

• ประเภทของ Endocytosis:
  • Phagocytosis: การกินของแข็งโดยยื่น pseudopodia ล้อมรอบ (เช่น เม็ดเลือดขาวกินแบคทีเรีย)
  • Pinocytosis: การดื่มสารละลายโดยเยื่อหุ้มเซลล์เว้าเข้าด้านใน
  • Receptor-mediated endocytosis: สารจำเพาะ (Ligand) จับกับตัวรับ (Receptor) บนเยื่อหุ้ม กระตุ้นให้เกิดหลุมเว้าที่มีโปรตีน Clathrin เคลือบด้านใน แล้วหลุดเข้าเป็น Clathrin-coated vesicle (เช่น การนำคอเลสเตอรอลในรูป LDL เข้าสู่เซลล์)

• จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
  • ภาพรวม: ขั้นตอนการนำเข้าสารขนาดใหญ่อย่างจำเพาะผ่านตัวรับ
  • ส่วนประกอบและสัญลักษณ์: Ligand (โมเลกุลสาร) $\rightarrow$ Receptor บนผิวเซลล์ $\rightarrow$ Clathrin coat โค้งงอ $\rightarrow$ Coated vesicle หลุดเข้าสู่ไซโทพลาซึม
  • ข้อจำกัดของภาพจำลอง: แสดงวัฏจักรนำเข้า ไม่แสดงกระบวนการรีไซเคิลตัวรับกลับสู่เยื่อหุ้มเซลล์

ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด