CELL

CELL MICROBIOLOGY INTRODUCTION STRUCTURE MEMBRANE DIVISION RESPIRATION 0

บทนํ า จุลชี ววิ ทยา Robert Hooke ส่องดแู ผ่นไม้คอร์กบาง ๆ เหน็ ชอ่ งว่างคล้ายชอ่ งว่าง ๆ จึงต้ังชื่อ ว่าเซลล์ (Cell) ต่อมา Matthias Schleiden กล่าวว่าพืชทกุ ชนิดเกิดจากการ รวมกลุ่มของเซลล์, ตามมาด้วย Theodor Schwann พบว่าเนื้อเยื่อสตั ว์ทุกชนิด ประกอบไปด้วยเซลล์ จึงเปน็ ที่มาของทฤษฎีเซลล์ โดย Schwann และ Schleiden • สิ่งมีชีวิตทั้งหลายอาจมีเพียงเซลล์เดียวหรือหลายเซลล์ ซึง่ ภายในมี สารพันธกุ รรมและมีกระบวนการเมแทบอลิซึม ทำให้สิง่ มีชีวิต ดำรงชีวิตอยู่ได้ • เซลล์เปน็ หน่วยพื้นฐานที่เล็กที่สดุ ของสิ่งมีชีวิตที่มีการจดั ระบบการ ทำงานภายในโครงสร้างของเซลล์ แบ่งไปมากกว่านี้จะไม่สามารถจัด ว่าเป็นสิ่งมีชีวิตได้ • เซลล์เกิดจากการแบ่งตวั ของเซลล์ก่อนหน้า แม้ว่าชีวิตแรกเริ่มจะมี วิวัฒนาการมาจากสิง่ ไม่มีชีวิตแต่นักชีววิทยายงั คงถือว่าการเพิม่ ขึ้น ของจำนวนเซลล์เป็นผลสืบเนื่องมาจากเซลล์รุ่นกอ่ น เมื่อเซลล์ใหญ่ขึ้น ปริมาตรของเซลล์เพิ่มขึ้นเรว็ กว่าพื้นทีผ่ ิวของเซลล์ เช่นถ้ารศั มีของเซลล์เพิ่มขึ้น 10 เท่า พื้นที่ผิวจะเพิ่มประมาณ 100 เท่า แต่ปริมาตร จะเพิม่ ถึง 1000 เท่า ฉะน้ันถ้าขนาดของเซลล์ใหญ่มากแต่พื้นทีผ่ ิวกลับเลก็ น้อย จะทำให้เซลล์น้ันดำรงอยู่ยากเพราะการแลกเปลี่ยนสาร อาหาร อากาศ กจ็ ะจำกดั ไป ดังน้ันสิง่ ทีเ่ ปน็ ตัวจำกัดขนาดเซลล์คืออตั ราสว่ นของพืน้ ที่ผิวเซลลต์ อ่ ปริมาตรเซลล์ (Surface to Volume Ratio) 1

โครงสร้ างของเซลล์ จุลชี ววิ ทยา เซลลโ์ พรคาริโอตคือเซลล์ทีไ่ มม่ ีเยือ่ หุ้มนิวเคลียสตลอดชีวิต อยู่ใน Domain Bacteria (น้ันหมายความว่าแบคทีเรียทุกชนิดเปน็ โพรคาริโอต) และ Domain Archeae โดยโพรคาริโอตที่เปน็ แบคทีเรียมีคุณสมบตั ิดงั นี้ • เยือ่ หุม้ เซลลท์ ำมาจาก Phospholipid Bilayer เหมือนยูคาริโอต • ขนาดเล็ก ประมาณไมโครเมตร ผนังเซลลท์ ีท่ ำจากสาร Peptidoglycan ซึ่งเกิดจากสารประกอบโปรตีน และคาร์โบไฮเดรต การทดสอบแบบ Gram-staining แยกแบคทีเรีย จากผนังเซลล์ เป็น 2 แบบคือ 1. แกรมบวก ติดสีม่วง Crystal Violet 2. แกรมลบ ติดสีแดง Safranin O และอาจมีการสร้างสารเคลือบห่อหุ้มอีกชั้นหนึ่ง เพื่อป้องกันตัวเอง เรียกว่า Glycocalyx นอกจากนี้มีโครงสร้างพิเศษ เช่น Flagellum ที่ทำมาจากโปรตีน Flagellin คนละแบบกับยคู าริโอตที่ทำมาจาก Tubulin, Fimbriae ใช้ใน การยึดติดหรือลากเซลล์ไปมา, และ Pilli ใช้แลกเปลีย่ น DNA ภายในไซโทพลาซึมมีสิง่ ที่น่าสนใจดงั นี้ • มีไรโบโซมใช้สร้างโปรตีน เกิดจากสองอนั ย่อย (Subunit) คือ 50S กบั 30S และประกบกนั เปน็ ไรโบโซม 70S • มีบริเวณของสารพนั ธุกรรม (DNA) เรียกว่า Nucleoid ลอยอยู่ใน Cytosol เพราะไม่มีเยือ่ หุ้มนิวเคลียส • DNA จะเปน็ วงแหวนและไม่มีโปรตีน histone • นอกจากนี้มี DNA ทีไ่ ม่อยู่ใน Nucleoid เรียกว่า Plasmid นอกเหนือจากนี้ออร์แกเนล หนึ่งเยื่อหุ้ม สองเยื่อหุ้ม เซนทริโอล ไม่พบในโพรคาริโอต 2

เซลล์ยคู าริโอต (Eukaryote : True Nucleus) มีโครงสร้างที่ซบั ซ้อนกว่า สำคญั คือมีเยือ่ หุ้มนิวเคลียส 3

ผนังเซลล์ (Cell Wall) มีหน้าทีค่ งรูปร่างและป้องกันเซลล์แตกจากแรงดันเต่ง มีคณุ สมบตั ิยอมสารเข้าออกหมด (Permeable Membrane) • ผนงั เซลล์พืช พบในทุกเซลล์พืช ผนงั เซลล์ทำมาจาก Cellulose (polysaccharide ทีม่ ีหน่วยย่อยเป็น beta-1,4-glucose) • เซลล์พืชต้องการความแขง็ แรงจะมี Secondary Cell Wall มีสารเช่น Pectin, Lignin อยู่ถัดเข้ามาข้างในผนังเซลล์หลัก • ระหว่างผนงั เซลล์ของสองเซลล์มีพื้นทีต่ รงกลางว่าง ๆ ว่า Middle Lamella และมีรูเชือ่ มระหว่างสองเซลล์พืชเรียก Plasmodesmata ซึ่ง จะต้องมี smooth endoplasmic reticulum ของสองเซลล์เชือ่ มกนั • ผนงั เซลล์เห็ดรา ทำจาก Chitin (โพลิเมอร์ของ N-acetyl-glucosamine) เยื่อห้มุ เซลล์ (Cell Membrane) ควบคุมการเข้าออกของสาร มีคณุ สมบัติเปน็ เยื่อเลือกผ่าน (Selectively Permeable Membrane) อธิบายหน้าตาโดยใช้แบบจำลอง Fluid Mosaic Model เปรียบเสมือนแผ่น Mosaic เป็นโปรตีนลอยอยู่ใน/บน ฟอสโฟลิพิดไบเลเยอรท์ ี่มีลื่นไหล Phospholipid Bilayer เป็นชั้นของฟอสโฟลิพิดสองชั้นประกบกนั โมเลกุลฟอสโฟลิพิดเปน็ Amphipathic (สารทีม่ ีและไม่มีข้ัว) • หวั ฟอสเฟตเปน็ Polar Hydrophilic หันเข้าหาน้ำ • หางลิพิดเป็นกรดไขมนั (Non-Polar Hydrophobic) หนั ออกจากน้ำ ด้วยเหตนุ ี้ทำให้สารไม่มีขั้วเท่านั้นทีผ่ ่านเข้าออกได้อย่างอิสระ เช่น กรดไขมนั • ฟอสโฟลิพิดติดกนั ด้วยแรง Hydrophobic Interaction ติดกนั หลวมๆพอ ขยบั ได้ อาจจะหมนุ /ขยับหน้าหลงั /หรือตีลังกาเลย • เยื่อหุ้มเซลล์ทีม่ ีลิพิดแบบ Unsaturated fatty acid มีความลื่นไหล มากกว่าลิพิดแบบ Saturated fatty acid โดยเฉพาะเมือ่ อณุ หภูมิต่ำ Cholesterol เข้ามาแทรกตามฟอสโฟลิพิด โดยในอุณหภมู ิปกติจะลดความลืน่ ไหลของ cell membrane แต่เมื่ออุณหภมู ิตำ่ จะเพิม่ ความลืน่ ไหล 4

สัดส่วนของลิพิดท้ังหมดบนเยือ่ หุ้มคิดเปน็ ประมาณ 80% ทีเ่ หลือจะเป็นโปรตีน แบ่งได้ดงั นี้ • Peripheral protein (โปรตีนทีล่ อยบนเยื่อหุ้ม) แนบชิดไปกับเยื่อหุ้ม เซลล์ด้านใดด้านหนึง่ • Integral Protein (โปรตีนที่ฝงั ตวั ในเยือ่ หุ้ม) มีส่วนที่มีขั้วและไมม่ ีข้วั สร้าง Hydrophobic Interaction กบั หางลิพิดของฟอสโฟลิพิดซึง่ จะ กระเพือ่ มไปมา นอกจากนี้จะพบ Glycoprotein (โปรตีนทีม่ ีน้ำตาล) และ Glycolipid (ฟอสโฟลิพิดที่มีน้ำตาล) ใช้ในการจดจำระหว่างเซลล์ (Recognition) Extracellular Matrix (ECM) พบในเยื่อหุ้มเซลล์สัตว์ส่วนนอก ทำหน้าที่เช่น เพิ่มความยืดหยุ่น เซลล์สตั ว์อาจจะมี Glycocalyx เปน็ สารเคลือบเซลล์อีกที Nucleus คือศนู ย์กลางการควบคุมการทำงานของเซลล์ บรรจุสารพนั ธุกรรม แบ่งเซลล์และการสืบพนั ธ์ุของเซลล์ ควบคุมการสร้างโปรตีน การสร้าง RNA ท่วั ไปมี 1 นิวเคลียสต่อเซลล์ ยกเว้นในสิง่ มีชีวิตชั้นต่ำ เชน่ Paramecium มี2นิวเคลียส บางชนิดไม่มีเชน่ เซลล์เมด็ เลือดแดงที่เติบโตเตม็ ที่ • เยือ่ หุ้มนิวเคลียส (Nuclear Envelope) ลกั ษณะเป็น ฟอสโฟลิพิด ไบเลเยอร์ สองช้ัน เปน็ ทีเ่ กาะติดของ Ribosome เชือ่ มเปน็ เนื้อเดียวกนั กับ Endoplasmic Reticulum มีเพือ่ แยกนิวเคลียสจาก Cytoplasm ควบคมุ การเข้าออกสารผ่านนิวเคลียส พบนิวเคลียร์พอร์ เป็นรูสำหรบั ส่งสารเข้า ออกนิวเคลียส เลก็ กว่า DNA แต่ใหญ่พอให้ RNA กับโปรตีนผ่าน • นิวเคลียร์ลามิน่า เปน็ เส้นใยโปรตีน คงรปู ร่าง นิวเคลียสเอาไว้ • นิวคลีโอพลาซึม (Nucleoplasm) สารที่อยู่ภายใน นิวเคลียส มีเอนไซม์ นิวคลีโอไทด์ และประจุอิสระ • นิวคลีโอลัส เปน็ เมด็ กลมขนาดเล็กในนิวเคลียส อาจมี หนึ่งหรือสองเมด็ มองเห็นชัด ประกอบด้วย โปรตีนและ RNA โดย nucleolus ทำหน้าทีส่ ร้าง ribosome • โครมาติน เปน็ เส้นใยที่กกั เกบ็ สารพันธกุ รรม DNA ประกอบไปด้วย DNA และ Histone Protein เป็นโปรตีน ก้อนให้ดีเอนเอพนั รอบ ๆ เรียกว่า นิวคลีโอโซม โครงสร้างคล้ายเม็ดลูกปัด เปน็ หน่วยย่อยของโครมาติน ท้ังนี้เราพบ RNA ใน Nucleus แบ่งได้สามแบบคือ • Messenger RNA บรรจุข้อมลู สำหรบั การสร้างโปรตีน • Ribosomal RNA เป็นองค์ประกอบหลักของไรโบโซม • Transfer RNA ขนส่งกรดอะมิโนใช้ในการสร้างโปรตีน 5

ไซโทพลาซึม คือทกุ อย่างทีอ่ ยู่ใน cell membrane ทีไ่ ม่ใช้ nucleus แบ่งเปน็ ส่วนน้ำๆเรียก Cytosol มีไอออนคอยทำหน้าที่ควบคมุ สมดุลกรดเบสภายใน เซลล์ (Buffer) เชน่ HCO3- และส่วนของแขง็ เรียก ออรแ์ กเนล ออรแ์ กเนล เปรียบเสมือนอวัยวะของเซลล์ แยกเป็นพวกทีไ่ มม่ ีเยือ่ หุม้ เยื่อหุ้มช้ันเดียวและเยือ่ ห้มุ สองช้นั ; พวกไม่มีเยือ่ หุ้มได้แก่ Ribosome, Cytoskeletal, Centrosome Ribosome เปน็ ออร์แกเนลไม่มีเยื่อหุ้ม ประกอบจาก Protein และ Ribosomal RNA แบ่งเปน็ Subunit ใหญ่ (60S) และเลก็ (40S) ซ้อนกันเปน็ Ribosome 80S มาประกบกนั เวลาจะสรา้ งโปรตีนเท่าน้ัน สร้างจากนิวคลีโอลัส โดยพบได้สองแบบคือ • Bound Ribosome ติดอยู่กับโครงสร้างต่างๆเชน่ Nuclear Envelope, RER มักทำหน้าทีส่ ร้างโปรตีนออกนอก เซลล์ พบมากในเซลล์ทีส่ ร้างโปรตีนเช่น Cell ในตบั อ่อนสร้างอินซูลิน, Cell ในกระเพาะสร้างเอนไซม์ • Free Ribosome ล่องลอยอยู่ในไซโทซอลหรืออยู่ในไมโตคอนเดรียกบั คลอโรพลาสต์ มักจะสร้างโปรตีนให้กับ เซลล์/ออร์แกเนลนั้น ๆ Cytoskeleton ทำหน้าทีเ่ ป็นโครงร่างให้กับเซลล์ ตลอดจนให้การเคลื่อนที่ การแบ่งเซลล์ และอื่น ๆ แบ่งเป็น ชื่อ โปรตีน ขนาด 25-21 nm Microtubule โปรตีน Tubulin เรียงเปน็ สาย 14-8 nm แต่ละสายรวมกนั เป็นท่อกลวง Intermediate 7 nm Filament เส้นใยหลาย ๆ ประเภท เชน่ Keratin Microfilament โปรตีน Actin มัดเปน็ เส้นขนาดเลก็ Microtubule ตามการจดั เรียงออกเปน็ สองแบบคือ • 9+2 = 20 Arrangement ท่อไมโครทบู ลู รวมกนั เปน็ เซทสองท่อ (Doublet) แต่ละ Doublet วนเปน็ วงกลมเปน็ จำนวนเกา้ อัน ตรงกลาง มีแท่งไมโครทบู ูลเปน็ แกนอีก 2 อนั o Cilia พบในเยื่อบทุ างเดินหายใจ ผนังท่อนำไข่ o Flagella พบในหางสเปิร์ม ยูกลีน่า • 9+0 = 27 Arrangement ท่อไมโครทบู ลู รวมกันเปน็ เซทสามทอ่ (Triplet) แต่ละ Triplet วนเป็นวงกลมเปน็ จำนวนเก้าอัน o Basal Body เปน็ ฐานให้กบั Flagellum, Cilia o Centriole เป็นทีจ่ ัดเกบ็ และสร้าง Microtubule ในเซลล์ Intermediate Filament • ใช้ในการยึดออร์แกเนลล์ให้ประจำที่ • รักษาโครงร่างให้เซลล์และนิวเคลียส • เชื่อมเซลล์ให้ติดกนั (Anchoring Junction) ย้ำอีกครั้งว่า Flagella ใน eukaryote ทำมาจาก microtubule แต่ใน prokaryote แม้จะ เรียก flagella เหมือนกัน แต่ทำมาจาก flagellin ไม่ได้จดั ว่าเป็น microtubule 6

Microfilament • ใช้ใแบ่งไซโทพลาซึมตอนแบ่งเซลล์จบ (Cytokinesis) เรียกว่า Contractile Ring • ใช้หมนุ วนของของเหลวในไซโทพลาซึม (Cyclosis) • ใช้เคลื่อนที่แบบเทไซโทซอล (Pseudopodium) • ใช้ยืดหดของเซลล์กล้ามเนื้อ (Thin filament) • ใช้เพิ่มพื้นทีผ่ ิวในเซลล์เยื่อบลุ ำไส้เล็ก (Microvilli) Centrosome คือ Centriole สองอนั ตั้งฉากกนั ทำหน้าทีส่ ร้าง microtubule ให้กับเซลล์ พบได้ขณะแบ่ง เซลล์ เพราะทำหน้าที่สร้าง spindle fiber ระบบ Endomembrane System เปน็ ระบบของเยื่อหุ้มทีอ่ ยู่ในเซลล์ ทำหน้าที่จดั สรรพื้นทีต่ ลอดจน แบ่งเปน็ ออร์แกเนลต่าง ๆ ได้แก่ Nuclear Envelope, Endoplasmic Reticulum, Golgi Body, Lysosome, Vacuole, Vesicle ทั้งหมดมีเยื่อหมุ้ ช้ันเดียว รา่ งแหเอนโดพลาสมิก มีเยือ่ หุ้มเหมือนเยือ่ หุ้มเซลล์เรียก Cisternae แต่หนาน้อยกว่า ลกั ษณะเปน็ ท่อแบนหรือกลม ล้อมรอบนิวเคลียสเอาไว้ แบ่งเปน็ ร่างแหเอนโดพลาสมิกแบบเรียบ (Smooth Endoplasmic Reticulum) ชอบเจอในเซลล์ตับ เซลล์หลอดสร้างอสจุ ิ เซลล์กล้ามเนื้อ § ไม่มี Bound Ribosome มาเกาะ § กำจัดสารพิษด้วย เชน่ ในยาบางชนิดหรือแอลกอฮอล์ § กกั เก็บ Ca2+ และปลดปล่อยเพือ่ ให้เซลล์กล้ามเนื้อหดตัว เรียกว่า Sarcoplasmic Reticulum § สงั เคราะห์สเตียรอยด์ เชน่ ฮอร์โมนสเตียรอยด์ (Testosterone, Aldosterone, etc.) § สงั เคราะห์รงควตั ถนุ ้ำดี (Bilirubin) รา่ งแหเอนโดพลาสมิกแบบขรขุ ระ (Rough Endoplasmic Reticulum) ชอบเจอในเซลล์สร้าง Antibody, เซลล์ตับอ่อน เซลล์ในกระเพาะ § มี Bound Ribosome มาเกาะ § Bound Ribosome สงั เคราะห์โปรตีน เอนไซม์ ฮอร์โมนเปปไทด์เช่น Insulin, ADH, Growth Hormone § เติมน้ำตาลปรับแต่ง (Glycosylation) § บรรจุโปรตีนที่ได้ออกไปยงั กอลจิบอดี้ ในถุง Transport Vesicle 7

กอลจิบอดี้ (Golgi Body, Golgi Apparatus, Golgi Complex) • รบั Transport Vesicle เข้ามาด้าน “cis-face” • ปรับแต่งไกลโคโปรตีน เช่นการเติมหมู่ฟอสเฟต • ส่งออกผลิตภณั ฑ์ด้วยถุง Vesicle (Packaging) ณ ด้าน “trans-face” แล้ว Exocytosis ออกไป • กลายเปน็ ถุง Acrosome บนหัวอสจุ ิ มีเอนไซม์ไว้ เจาะผนงั เซลล์ไข่ • กลายเป็น Cell Plate ในการ Cytokinesis เซลล์ พืช ท้ายสุดกก็ ลายเปน็ Middle Lamella • กลายเป็น Root Cap ให้กับปลายรากพืช • ขนส่งสารสื่อประสาทด้วย synaptic vesicle ไลโซโซม (Lysosome) พฒั นามาจาก Vesicle พบมากในเซลล์ภมู ิคุ้มกัน มีเอนไซม์ Lysozyme คา่ pH ประมาณ 5.0 • เมื่อ Phagocytosis, Lysosome รวมกบั Food vacuole ปล่อยเอนไซม์สลายเหยือ่ • เมือ่ ออร์แกเนลหมดอายจุ ะถกู หุ้มด้วยเวซิเคิล แล้วรวมกับ Lysosome ปล่อยเอนไซม์สลาย เรียกว่า Autophagy แวคิลโอล (Vacuole) พฒั นามาจาก Vesicle • Central (Sap) Vacuole ในพืช ซึ่งกินพื้นที่เกือบ 80% ของเซลล์ ทำหน้าที่สะสมสารต่าง ๆ เช่น รงควัตถุ น้ำตาล น้ำมันหอมระเหย เป็นต้น มีเยื่อหุ้มเรียกว่า Tonoplast ถ้าขนาด ใหญ่และเข้มมกั แปลว่าเซลล์น้ันมีอายเุ ยอะ • Food Vacuole ในสตั ว์ เกิดจากการ Phagocytosis • Gas Vacuole ในสาหร่าย ทำให้ลอยขึ้นมาเหนือน้ำ • Contractile Vacuole ในโพรโทซวั น้ำจืด กำจัดน้ำส่วนเกินและของเสียที่ไม่ใชก่ ากอาหาร ออกจากเซลล์ ทำหน้าทีค่ วบคุมสมดุลออสโมติก เพอรอกซิโซม (Peroxisome) ปัจจบุ นั เชือ่ วา่ ไม่ได้เกิดจาก Golgi Body § กำจดั อนุมลู อิสระด้วยการ oxidation ได้ H2O2 แล้วกำจัด H2O2 ด้วย Catalase ได้ O2 § เกิดการสลายสายกรดไขมนั ในกระบวนการ beta-oxidation § ทำงานร่วมกบั chloroplast และ mitochondria ในกระบวนการ photorespiration 8

ออร์แกเนลทีม่ ีเยือ่ หมุ้ สองชน้ั ได่แก่ Plastid และ Mitochondria เชือ่ วา่ เกิดจากทฤษฎี Endosymbiosis คือเซลล์โพรคาริโอตเข้าอาศัยอยู่ข้างในเซลล์อืน่ ๆ จนตวั มันกลายเป็นออร์แกเนลให้กบั เซลล์น้ันๆ เนื่องจากมีการพบ Circular DNA, 70s Ribosome ซึ่งเป็นของโพรคาริโอต ไมโตคอนเดรีย (Mitochondria) แหล่งสร้างพลังงาน ATP มีเยือ่ ห้มุ ชัน้ นอกและช้ันใน โครงสร้างเป็น ฟอสโฟลิพิดไบเลเยอร์ แต่มีสองช้ัน ส่วนIntermembrane Space คือพื้นที่ระหว่างเยือ่ หุ้ม ทำหน้าที่รกั ษา ความเข้มข้นของโปรตอน • Cristae เกิดจากการพนั ทบของเยือ่ หุ้มชั้นใน พบเอนไซม์เชน่ ATP Synthase • Matrix ของเหลวภายใน พบเอนไซม์เกีย่ วข้องกบั วฎั จกั รเครป (Krebs Cycle) • 70S Ribosome และ Circular DNA เอกลักษณ์ของออร์แกเนลทีเ่ กิดจาก Endosymbiosis พลาสติด เป็นเม็ดสี มีรงควัตถุอยู่ภายใน พบในพืช สาหร่าย และโพรทวั ซวั บางชนิดที่สังเคราะห์ด้วยแสง ได้แก่ คลอโรพลาสต์ (Chloroplast) มี Chlorophyll สีเขียว ทำหน้าทีแ่ ปลงพลงั งานแสงเป็น Glucose พบในเซลล์พืช มีเยื่อหุม้ ชัน้ นอกและชั้นใน เช่นเดียวกบั chloroplast • แกรนุ่ม (Granum) เป็นชั้น ๆ เหมือนเหรียญวางซ้อนกัน แต่ละเหรียญนั้นเรียกว่า Thylakoid ซึง่ มีเยือ่ หุ้ม (Thylakoid Membrane) เปน็ ที่สิงสถิต ของคลอโรฟิลล์ และ Thylakoid Lumen เปน็ ของเหลว ทำหน้าที่รกั ษาความเข้มข้นของโปรตอนไว้ • สโตรมา ลาเมลล่า (Stroma Lamella) เชือ่ มแต่ละแกรนุ่มด้วยกัน • สโตรมา (Stroma) เปน็ น้ำใสๆ ในคลอโรพลาสต์ มีเอนไซม์เกีย่ วข้องกบั วัฎจกั รแคลวิน ฉน้ัน Intermembrane Space ของ Mitochondria เทียบเคียงกบั Thylakoid Membrane ของ Chloroplast ในเชิงหน้าที่ Cell Junction คือบริเวณทีเ่ ชือ่ มเซลล์กัน แบ่งเป็น 1. Tight Junction พบในเยื่อบตุ ่างๆ ผนงั ลำไส้ ป้องกนั ไม่ให้ น้ำ/สารเข้าระหว่างเซลล์ 2. Desmosome หรือ Anchoring Junction ยึดเซลล์ให้ติดกัน ไว้ พบในกล้ามเนื้อ 3. Gap Junction เปิดและปิดได้ เพื่อควบคุมสารเล็กๆ/ประจุ พบในเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจ 9

การขนส่งสารผ่ านเยื - อหุ้ มเซลล์ จุลชี ววิ ทยา เยือ่ หุ้มเซลล์ทำหน้าทีค่ วบคมุ การเข้าออกของสาร จากคุณสมบัติการเปน็ เยือ่ เลือกผ่าน โดยสารบางชนิดผ่านเข้ามาได้ แต่บางชนิดไม่ได้ โดยหลักการ ของการขนส่งสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์อาศัย มีดงั นี้ 1) ขนาด 2) ประจุ 3) สภาพขัว้ • สามารถผา่ นฟอสโฟลิพิดไบเลเยอร์เข้ามาไดโ้ ดยตรง § โมเลกลุ ขนาดเล็กทีไ่ มม่ ีขวั้ ไมม่ ีประจุ เช่น CO2 O2 N2 กรดไขมัน สเตียรอยด์ จะไวที่สดุ § โมเลกลุ ขนาดเลก็ ทีม่ ีข้วั ไม่มีประจุ เชน่ น้ำ ยูเรีย ช้ากว่าสารด้านบน บางทีสารเหล่านี้กเ็ คลือ่ นที่ผ่านโปรตีนช่วย (protein channel) เพื่อความรวดเรว็ ขึ้น (เชน่ ยูเรียจะแพร่ผ่าน Urea Transporter เปน็ ต้น) • ไมส่ ามารถผา่ นฟอสโฟลิพิดไบเลเยอร์เข้ามาได้ทนั ที ตอ้ งอาศยั โปรตีน (Integral Protein) § โมเลกุลขนาดเลก็ ทีม่ ีประจุ มีขวั้ เช่น Na+, K+, HCO3-, HPO32- § โมเลกุลขนาดใหญ่ เชน่ Sucrose, Triacylglycerol (Triglyceride), Polynucleotide, Cellulose ตามธรรมชาติ สารขนาดเลก็ จะเคลือ่ นที่จากความเข้มข้นมากไปหาความเข้มข้นนอ้ ยเสมอ • การขนส่งสารขนาดเลก็ ตามความเข้มข้นมากไปนอ้ ย เรียกว่า Passive Transport, • สวนทางความเข้มข้นคือจากความเขม้ ข้นนอ้ ยไปความเข้มข้นมาก ตอ้ งอาศัยพลงั งาน ในการขนส่งขนาดเลก็ เรียก Active Transport โดย Passive Transport มีหลกั การดงั นี้ • Simple Diffusion คือการแพร่ โดยดูที่การเคลือ่ นทีข่ องตัวถกู ละลาย (Solute) จากความเข้มข้นมาก ไปน้อย เช่น หยดด่างทบั ทิมอยู่ในน้ำ น้ำทำละลายด่างทับทิม เพราะน้ำเยอะกว่า ด่างทับทิมจึงถูกน้ำทำละลาย § เมือ่ เวลาผ่านไป ตัวถกู ละลายเคลื่อนทีจ่ ากบริเวณทีค่ วามเข้มขน้ มากไปความเขม้ ขน้ น้อย § เกิดขึ้นได้ท้ังในสิง่ มีชีวิตและไม่มีชีวิต เชน่ ในบ่อน้ำ หรือในถงุ ลมเรา § การแพร่จะคงที่ กต็ ่อเมื่อทกุ ๆ ที่มีความ เข้มข้นของตวั ถูกละลายเท่ากัน (Equilibrium) คือการแพร่ยงั คงเกิดขึ้นแต่ การเคลือ่ นทีใ่ นทกุ ทิศทางเท่า ๆ กนั § อุณหภูมิ ความดัน มีผลต่ออัตราการแพร่ 10

• Facilitated Diffusion มีหลักการเหมือนการแพร่แบบแรก แต่ต้องมีโปรตีนตวั พาคอยช่วย (Integral) § ถ้าโปรตีนเปน็ เหมือนท่อประปา ไม่เปลี่ยนแปลงให้เข้ากับสาร เรียกว่า Channel Protein (ภาพ a) § ถ้าโปรตีนเป็นเหมือนท่อยาง มีการเปลีย่ นแปลงให้เข้ากับสาร เรียกว่า Carrier Protein (ภาพ b) § สารบางชนิดเท่าน้ันทีจ่ ะผ่านได้ มีความจำเพาะสงู ต่างจากการแพร่ปกติ § ยิ่งตัวถูกละลายเยอะ ยิ่งเกิด facilitated diffusion มากขึ้นเรือ่ ย ๆ แต่ถ้ามาก เกินจำนวนโปรตีน การแพร่จะเข้าสู่จุดอิ่มตวั (Vmax) ต่างจากการแพร่แบบปกติที่ เกิดการแพร่ได้เรือ่ ย ๆ § การแพร่จะคงที่ กต็ ่อเมื่อทุก ๆ ที่มีความเข้มข้นของตัวถูกละลายเท่ากัน (Equilibrium) คือการแพร่ยงั คงเกิดขึ้นแต่การเคลือ่ นที่ในทกุ ทิศทางเท่า ๆ กนั • Osmosis เปน็ การแพรข่ องน้ำผา่ นเยือ่ เลือกผา่ น เคลื่อนทีจ่ ากตัวทำละลายความเข้มข้นมากไปนอ้ ย พิจารณาดงั นี้ สมมติว่ามีเซลล์ว่าน กาบหอย ความเข้มข้น 10% แชอ่ ยู่ในสารละลาย NaCl ความเข้มข้น 5% § ในเซลล์ว่านกาบหอย จาก 100ส่วน มีตัวถกู ละลาย 10ส่วน ดงั นั้นตวั ทำละลายมี 90 ส่วน (เขม้ ข้นกว่า) ทำนองเดียวกบั สารละลาย NaCl จาก 100 ส่วนมีตัวถกู ละลายอยู่ 5 ส่วน ก็ต้องมีตวั ทำละลายอยู่ 95 ส่วน (เจือจางกว่า) § น้ำเคลือ่ นทีจ่ ากสารละลายเข้าสู่เซลล์ว่านกาบหอยตามหลักการ ตวั ทำละลายมาก (เจือจางกว่า, น้ำมาก) เคลื่อนทีห่ าตวั ทำ ละลายนอ้ ย (เขม้ ขน้ กว่า, น้ำนอ้ ย) § ถ้าเซลล์อยู่ในสารละลายทีเ่ จือจางกว่า เรียกว่า Hypotonic Solution → น้ำเข้าเซลลท์ ำใหเ้ ตง่ ในเซลล์สตั ว์อาจแตก แต่เซลล์พืชอวบแบบสวย ๆ เพราะมีผนงั เซลล์กั้นไว้ § ถ้าเซลล์อยู่ในสารละลายทีเ่ ขม้ ขน้ กว่า เรียกว่า Hypertonic Solution → นำ้ ออกจากเซลลท์ ำใหเ้ หี่ยว เซลล์สัตว์จะ เหีย่ ว ส่วนเซลล์พืชขนาดเซลล์ลดลงไม่มากหนกั แต่เซลล์ร่น เข้ามาจนเหน็ เยื่อหุ้มเซลล์ชัด § ถ้าความเข้มข้นของในและนอกเซลล์เท่ากนั เรียกว่า Isotonic Solution สภาวะนี้เป็น Equilibrium น้ำเข้าออกเท่ากนั § แรงดนั ออสโมซิส คือแรงดนั ทีด่ ึงน้ำออสโมซิสเข้าหาตวั เอง ยิ่งความเข้มขน้ มาก แรงดันออสโมซิสยิง่ มาก (เพราะสาร รอบตัวจะอยากจะออสโมซิสเข้ามามากกว่า สารตวั เอง ออสโมซิสออก) § แรงดนั เตง่ คือแรงที่น้ำกระทำตั้งฉากกับผนังเซลล์ เนื่องจาก การขยายตวั (เต่งตวั ) สังเกตว่าแรงดนั ออสโมซิสคือแรง “เข้าหาตวั ” ขณะที่แรงดันเต่งคือแรง “ผลักออกจากตวั ” 11

การขนสง่ สารแบบ Active Transport อาศัยพลังงาน และเปน็ การเคลื่อนที่สวนทางกับ ความเข้มข้น (น้อยไปมาก) • Primary Active Transport คือปัม๊ ที่สลาย ATP โดยตรงเพื่อใช้ขบั สาร เช่น Na+/K+ Pump ในภาพซ้าย (การส่งสารแบบนี้ส่งได้สารมากกว่า 1 ชนิด) • Secondary Active Transport เชน่ SGLT2 ในภาพซ้าย ที่ขนส่ง Glucose และ Na+ โดยพลังงานในการปม๊ั Glucose (ภายนอกเซลล์มีน้อยกว่าภายใน) เข้ามา อาศัยการพลังงานจากการแพร่เข้าของ Na+ (ภายนอกเซลล์มีมากกวา่ ภายใน) ถ้าไม่มี Na+ แพร่เข้า Glucose ก็ไม่เข้า (เพราะไม่มีพลงั งานจากการแพร่เข้าของ Na+) ดงั นั้น Na+ ต้องแพร่เข้าตลอดเวลา ซึง่ ก็อาศัย Na+/K+ Pump ในการปั๊ม ให้ Na+ นอกเซลล์ให้เยอะตลอดเวลา สดุ ท้ายก็ต้องใช้ ATP อยู่ดี แต่ SGLT ไมไ่ ด้สลายเองโดยตรง การนำสารเขา้ ออกเซลลท์ ีม่ ีขนาดใหญ่ ไม่สามารถผ่านเยือ่ หุ้มเซลล์จึง อาศยั Vesicle เปน็ ตวั กลาง มี2แบบคือส่งออกนอกเซลล์และส่งเข้าเซลล์: การขนสง่ สารเข้าเซลลข์ นาดใหญ่ (Endocytosis) มีท้ังหมด 3 วิธีได้แก่ • Phagocytosis เปน็ การยืน่ เอา Cytoplasm ไปโอบลอ้ มสารนั้น เหมือนการเขมือบ พบในการเขมือบเชื้อโรคใน Macrophage • Pinocytosis เปน็ การเวา้ ของเยือ่ หุ้มเซลล์ แล้วรอให้สารหลุดเข้า ไป เชน่ การดดู ซึมไขมันที่ลำไส้เลก็ • Receptor-Mediated Endocytosis เปน็ การที่สารจับกบั โปรตีน บนเยื่อหมุ้ พอเข้าลอ็ คก็จะลากเข้าไปในเซลล์เชน่ การดูดซึม Vitamin B12 ที่ลำไส้เลก็ ส่วน ileum • สารที่เข้ามาจะไม่รวมกบั Cytoplasm ทนั ทีแต่จะถกู แยกอยู่ใน Vesicle สว่ นการนำสารออกนอกเซลลเ์ รียกว่า Exocytosis เปน็ การนำ Vesicle ที่บรรจสุ ารเชือ่ มเข้ากับเยือ่ หุ้มเซลล์แล้วปล่อยสารน้ันไป 12

การแบ่ งเซลล์ จุลชี ววิ ทยา • การแบ่งเซลล์ Prokaryotic เกิดขึ้นแบบงา่ ย ๆ เรียกว่า Binary Fission • การแบ่งเซลล์ Eukaryotic ทีส่ มบูรณ์ต้องประกอบไปด้วยการแบ่งนิวเคลียส (Karyokinesis) ได้แก่ § การแบ่งนิวเคลียสแบบ Mitosis มุ่งสร้างเซลล์ลกู สองเซลล์ ทั้งสองเซลล์นี้ทุกอย่างเหมือนเซลล์แม่เป๊ะ ๆ นั้นคือจำนวนชดุ โครโมโซม จำนวนแท่งโครโมโซม โครงสร้าง หน้าที่ พบในเซลล์ร่างกายสัตว์ (2n→2n) (3n→3n) § การแบ่งนิวเคลียสแบบ Meiosis มีสองระยะย่อย (รอบแรกแบ่งเป็นสอง รอบสองแบ่งเป็นสีเ่ ซลล์) ท้ังสี่เซลล์นี้ แต่ละเซลล์มี จำนวนชุดโครโมโซมทีล่ ดลงเปน็ ครึ่งหนึ่งของเซลล์แม่ (2n→n) (4n→2n) พบในเซลล์สืบพันธ์ุสตั ว์ • ตามมาด้วยการแบ่งไซโทพลาซึม (Cytokinesis) เป็นอนั เสรจ็ พิธี § ในเซลล์สตั ว์ ใช้วง Actin-Myosin คล้ายเขม็ ขดั รดั เซลล์ให้หลดุ เรียกว่าการคอดกิว่ (Cleavage Furrow) § ในเซลล์พืช ใช้ Golgi Body สร้าง Cell Plate กั้นกลางเซลล์แล้วแบ่งโดย Cell Plate จะกลายเปน็ Middle Lamella • กอ่ นจะพูดถึงการแบ่งเซลล์ ขอพูดถึงพื้นฐานพันธศุ าสตร์นิดหนึง่ § โครโมโซมคือเส้นใยโครมาตินที่หดตัวกันในชว่ งระหว่างการแบ่งเซลล์เทา่ น้ัน ปกติจะเป็นเส้นใยโยงใยไปมา § โครมาติดคือหน่วยของโครโมโซม ถ้าโครโมโซมหน้าตาเหมือนตวั X มี 2 โครมาติด หน้าตาเหมือนตวั I มี 1 โครมาติด § โครมาติดทีอ่ ยู่บนโครโมโซมแท่งเดียวกันเรียกว่า Sister Chromatid § บริเวณโครมาติดเชื่อมกันเรียกว่า Centromere § ทกุ ๆ 1 Chromatid จะมี 1 Kinetochore ซึง่ เป็นโปรตีนตรง Centromere § โครโมโซมใด ๆ ทีด่ ูแล้วตำแหน่ง Centromere/ความสูง/ขนาด เหมือนกันเรียกว่า Homologous Chromosomes § n แสดงถึงจำนวนชุดของโครโมโซมทีเ่ หมือนกัน 2n แปลว่า 1 ชดุ homologous chromosome มี 2 โครโมโซม 3n แปลว่า1 ชดุ homologous chromosome มีสามโครโมโซม § ถ้าในเซลล์มีจำนวนโครโมโซม A แท่ง มีโครโมโซม X ชุดทีเ่ หมือนกัน เขียนเปน็ Xn = A เชน่ รปู เซลล์ด้านล่างนี้ เปน็ เซลล์จากตาแมลงวันมี ค่าเป็น 2n = 6 ลองอ่านดสู ิว่า ได้เหมือนกนั มั้ย? § จำนวนโครโมโซมไม่ได้สือ่ ถึงความซบั ซ้อนของสิง่ มีชีวิต 13

• วัฎจกั รเซลล์จะถกู แบง่ ตามเหตุการณส์ ำคัญ เราไม่พบในการแบ่งแบบ Meiosis เพราะเซลล์ที่แบ่งแบบ Meiosis จะMeiosis แล้ว Meiosis อีกไม่ได้ จึงไม่วนเป็นวัฎจักร ในขณะทีเ่ ซลล์แบบ Mitosis ที่แบ่งเสร็จแล้ว สามารถแบ่งต่อไปได้เรื่อย ๆ จนกว่าจะถึงลิมิต1 • Interphase คือชว่ งกอ่ นการแบ่งเซลล์ ทุกเซลล์ต้องผ่านชว่ งนี้เสมอ § G1 (Gap Phase 1) เป็นชว่ งที่นานที่สุด เซลล์เจริญเติบโตในชว่ งนี้ ถ้า เซลล์จะไม่แบ่งเซลล์ต่อมันจะเข้าสู่ G0 หลงั จากระยะนี้ § S (Synthesis) เป็นชว่ งทีเ่ ซลล์เพิม่ จำนวน DNA เปน็ สองเท่า ถ้าช่วงนี้ มี Chromosome จะมีอีกแขน Chromatid เพิ่มขึ้นมา (แต่ตอนนี้มนั ยังเป็น Chromatin Fiber อยู่นะ เลยมองไม่ออก) § G2 (Gap Phase 2) จะมีการสร้างออร์แกเนลและสารเพิ่มขึ้น Centrosome แบ่งตัวเป็น 2 ชุด และมีการสร้างเส้นใย Spindle Fiber หรือ Mitotic Spindle ระยะนี้โครโมโซมเริ่มหดตวั • M-phase คือชว่ งการแบ่งเซลล์ คอนเซปของ mitosis คือ จับ Chromosome ฉีก Chromatid § Prophase: (นานสุดใน M phase) Chromatin หดตัวกลายเปน็ โครโมโซม แต่ยงั ไม่สมบูรณ์แบบ เยือ่ หุ้มนิวเคลียสจะปริแตก Nucleolus หายไป ส่วน Centrosome เริม่ เคลือ่ นทีต่ รงข้ามกันพร้อม งอกสาย Spindle Fiber § Metaphase: มี Spindle Fiber เชือ่ มกับ Kinetochore แล้วจบั Chromosome ใหอ้ ยกู่ ึง่ กลางเซลล์ เรียงแถวตอนหนึง่ ระยะนี้ มองเห็น Chromosome ชัดสดุ ๆ เลยมักใช้ในการนบั โครโมโซม การศึกษาแบบนี้เรียกว่า Karyotype § Anaphase: (เร็วสุด) Spindle Fiber จะกระฉาก Chromatid ให้หลดุ ออกจากกันแล้วดึงไปไว้ทีข่ ้ัวของเซลล์ แต่ละโครโมโซมตอนนี้จะมีแค่ 1 โครมาติดดังน้ันจำนวนโครโมโซมเพิ่มเปน็ 2 เท่า (แคแ่ ป๊ปเดียว เท่าน้ันแหละ) § Telophase: Spindle Fiber สลายตวั เยือ่ หุ้ม Nucleus และ Nucleolus กลบั มา Chromosome เริม่ คลายตวั เป็น Chromatin พร้อมกันน้ัน… § Cytokinesis จะทำให้ได้สองเซลล์ลกู ท้ังเซลล์ลกู ได้จำนวนโครโมโซมเท่าเดิมเหมือนแม่เป๊ะ ถึงตอนนี้หลายคนอาจจะงง เพราะจำนวน Chromatid ในเซลล์ลกู มนั ลดลงหรือเปล่า จากสองเหลือหนึ่งโครมาติด จากการฉีกในระยะ anaphase \"$# แต่ใจเย็นก่อน '(& % เซลล์แรกเริ่มก็มีแค่หนึ่งโครมาติดแหละ แต่มันพึ่งมามีสองตอน S phase แต่เรามองไม่เห็นเพราะตอนนั้นมนั ยังเปน็ chromatin fiber 14

• การแบ่งนิวเคลียสแบบ Meiosis มุ่งสร้างเซลล์ลกู 4 เซลล์แต่ละเซลล์ไม่มีโครงสร้างทางพนั ธุกรรมเหมือนเซลล์แม่ และพบว่าเกิดความ แปรผนั ทางพันธกุ รรม ในระยะนี้ มีสองระยะย่อย Meiosis I และ Meiosis II (Interphase มีครั้งเดียวและเหมือน Mitosis) • Meiosis I ตอนจบได้สองเซลล์ลกู แตล่ ะเซลลจ์ ำนวนชุดโครโมโซมลดลงครึง่ หนึ่ง (มีการแยก Homologous Chromosome เกิดขึ้น) § Prophase I นอกจากจะเยือ่ หุ้มนิวเคลียสปริแ๊ ตกแล้ว โคร มาตินหดตัวแล้ว มีเหตกุ ารณ์สำคญั ดงั นี้ o Homologous Chromosome เข้าคกู่ ันแล้วประกบ กัน เรียกว่า Synapsis โครงสร้างทีเ่ กิดเหน็ เป็น โครโมโซมสองอนั เรียกว่า Bivalent หรือมองอีกมมุ เหน็ เป็น โครมาติดสีอ่ ันเรียกว่า Tetrad o ต่อมามีการแลกเปลีย่ นชิน้ ส่วนพนั ธุกรรมเรียกว่า Crossing Over โดยการไขว้กันของ Non-Sister Chromatid บริเวณทีม่ ีการแลกเปลี่ยนเรียกว่า Chiasma และจะติดกันจนกว่า Anaphase I § Metaphase I คือ Spindle Fiber จับคู่ Homologous Chromosome เข้ามาไว้ตรงกลางเซลล์ เรียงแถวคู่ § Anaphase I คือการแยกคู่ Homologous Chromosome ออกจากกนั จำนวนคู่จึงลดลง ปริมาณ DNA ลดลง ต่างจาก mitosis ทีฉ่ ีก chromatid เฉย ๆ ดูภาพซ้ายประกอบนะ § Telophase I แต่ละแท่งของ Homologous Chromosome เคลือ่ นทีไ่ ปที่ เซลล์ใหม่ Nucleolus กลบั มาเหมือนเดิม § Cytokinesis I หรือ Interkinesis ได้เซลล์ลูกสองเซลล์ จำนวนแท่ง โครโมโซมและจำนวน n ลดลงครึ่งหนึง่ ปริมาณ DNA เท่า G1 • Meiosis II แบ่งแบบ Mitosis เป๊ะ ๆ แต่ละเซลล์แบ่งได้สองเซลล์ลกู โครมาติดจะลดลงไป ในขณะจำนวนแท่งโครโมโซมเท่าเดิม § Prophase II จะมีการสลายเยื่อหุ้มนิวเคลียสเหมือนเดิม Centrosome เคลือ่ นทีต่ รงข้ามและออกห่างจากกนั § Metaphase II Spindle Fiber จบั กบั Kinetochore ลาก Chromosome มาทีก่ ึ่งกลางเซลล์ เรียงแถวเดีย่ ว § Anaphase II มีการกระฉาก Sister Chromatid ออกจากกันแล้วลากไปไว้ทีข่ ้ัวเซลล์ DNA ลดจำนวนลง § Telophase II Spindle Fiber สลายตวั เยือ่ หุ้ม Nucleus และ Nucleolus กลับมา Chromosome คลายตวั § Cytokinesis จะทำให้ได้สองเซลล์ลกู ทั้งเซลล์ลูกจะไม่เหมือนเซลล์แม่เลย (เกิดจาก Crossing Over นั้นเอง) ปริมาณ DNA 0.5 เท่าทีเ่ หลือในตอนสุดท้าย ถ้าสเปิร์มกับไข่มาเจอกัน ก็จะได้ปริมาณ DNA เท่ากับ 1 เหมือนเดิมน้ันเอง 15

การแบ่ง Mitosis เซลล์ จำนวน n (กำหนดให้ 2n 4n 2n เซลล์เริม่ มี ลด 2n) จาก 2 1 แขน 1 แข เป็น 1 จำนวนแขน 1 แขน เพิม่ 2 แขน โครมาติด จาก 1 เป็น 2 ต่อ1 โครโมโซม ปริมาณ DNA 1 เท่า เพิ่ม 2 เท่า ลด ตอ่ 1 เซลล์ จาก 1 จาก 2 1 เท่า 1 เท เป็น 2 เปน็ 1 ระยะ G1 S G2 P M A T G1

Meiosis ลด 2n จาก 2n n 2n n เปน็ n เพิม่ ลด ขน จาก 1 2 แขน จาก 2 1 แขน เปน็ 2 เป็น 1 เพิ่ม 2 เท่า ลด 1 เท่า ลดจาก 0.5 ท่า จาก 1 จาก 2 1 เป็น เท่า เป็น 1 0.5 เปน็ 2 1 S G2 PI MI AI TI PII MII AII TII 16

พลั งงาน จุลชี ววิ ทยา • พลงั งานในสิ่งมีชีวิตได้มาจากการสลายพนั ธะของสารพลงั งานสงู ATP พนั ธะระหว่าง Phosphate ใน ATP (Anhydride bond) เมื่อสลายจะให้ พลังงาน 7.3 kcal/mol ส่วนพันธะระหว่าง Phosphate กับโมเลกลุ Adenosine (Ester Bond) ได้ 3.4 kcal/mol • การสร้าง ATP เรียกว่า Phosphorylation มีสองวิธีดงั นี้ § Substrate-Level เกิดจากการเอาหมู่ฟอสเฟตจาก สารตั้งต้น (substrate) มาแปะกบั ADP โดย ADP(2P) + Pi = ATP(3P) แค่นี้กไ็ ด้ ATP แล้ว § Oxidative-Level เกิดจากการแพร่ของ proton (H+) ผ่านเอนไซม์ ATP synthase โดยเราจะได้ H+ (และได้ electron ด้วย) จากการ oxidation ของ glucose โดย H+ และ e- จะบรรจใุ นสารขนส่งสองตัว ก่อนจะนำไป reduce (จ่าย e- และในขณะเดียวกนั จา่ ย H+) ให้กับกลุ่มโปรตีนบริเวณ cristae ใน mitochondria โดยสารขนส่งได้แก่ o NAD+ (อาศยั วิตามิน V3 ในการสร้าง) เมือ่ รบั 2e- และ 2H+ จะกลายเป็น NADH + H+ สามารถใช้สร้าง 3 ATP1 o FAD เมื่อรบั 2e- และ 2H+ จะกลายเป็น FADH2 สามารถใช้สร้าง 2 ATP1 • กระบวนการหายใจระดบั เซลลค์ ือการนำอาหาร (Glucose) มาสร้างพลงั งานด้วย วิธีใด ๆ ทั้งสองวิธีด้านบนนี้ ทีนี้ electron ในสารขนส่ง จะถูกส่งต่อไปมาใน mitochondria ให้ตัวรับ electron ตวั สดุ ท้าย แบ่งเป็น § ตัวรบั ตัวสุดท้ายเปน็ Oxygen เรียกว่า Aerobic Respiration § ตวั รับตัวสุดท้ายไม่ใช่ Oxygen เรียกว่า Anaerobic Respiration ถ้า ตัวรบั เป็นสารอินทรีย์เรียกว่าการหมกั • การหายใจระดับเซลล์แบบใช้ Oxygen มีสมการสดุ คลาสิคคือ C6H12O6 + 6O2 → 12H2O + 6CO2 + 36-38ATP แบ่งเปน็ 4 กระบวนการย่อยได้แก่ • Glycolysis เกิดขึ้นที่ Cytosol ตอนจบได้สาร 3 คาร์บอนนามว่า Pyruvate 2 โมเลกุล มีสิบกระบวนการ แยกออกเปน็ สองชว่ ง § glucose โดนเติมหมู่ฟอสเฟตไปสองหมู่ (ใช้ไป 2 ATP) ต่อมา glucose (สาร 6 คาร์บอน) จะโดนหัน่ ออกเปน็ สาร 3 คาร์บอน 1 ฟอสเฟต 2 โมเลกลุ ชือ่ ว่า G3P § ต่อมา 1 G3P จะถูก oxidize ด้วย NAD+ และได้รบั การเติมหมู่ฟอสเฟต อิสระ กลายเปน็ สาร 3 คาร์บอน 2 ฟอสเฟตเรียกว่า BPG แล้ว BPG ก็ ถกู ขูดรีดโดย ADP 2 โมเลกุล เอาหมู่ฟอสเฟต 2 อนั ออกมาจนหมด เหลือเป็นสาร 3 คาร์บอนเปล่า ๆ เรียกว่า pyruvate (ตอนกอ่ นจบได้ 1 H2O ด้วย) § โดยสรปุ 1 G3P จะได้ 1 NADH + H+, 2 ATP, 1 H2O เนือ่ งจากเราได้ G3P 2 โมเลกลุ ต่อ 1 glucose ดังนั้นสรปุ : [1] ปจั จุบนั จากการคำนวณโดยใช้ปริมาณสารสมั พันธ์เข้ามาคิดแล้ว หนังสือส่วนใหญ่จะระบุ ว่าเปน็ 1 NADH ≈ 2.5 ATP และ 1 FADH2 ≈ 1.5 ATP 17

กระบวนการท้ังหมดนับแต่นี้ไปจะเกิดกต็ ่อเมื่อมี Oxygen เท่านั้น ถ้าไม่มี Oxygen, Pyruvate จะเข้าสู่การหมัก Acetal CoA Formation หรือ Pyruvate Oxidation เกิดที่ Matrix ของ Mitochondria โดยนำ Pyruvate มาแล้วกระฉากเอา Carbon ออกได้เป็น CO2 พรอ้ ม ทั้งได้ NADH + H+ เกิดเป็นสารใหม่ชือ่ ว่า Acetyl Coenzyme A (Acetyl CoA) เป็น สาร 2 คาร์บอน 18

Krebs Cycle (Citric Acid Cycle) เกิดที่ Matrix ของ Mitochondria ประกอบไปด้วยหลายข้ันตอนแต่ทีเ่ น้น ๆ มีดงั นี้ • Acetyl CoA ที่ได้ (2 คาร์บอน) รวมกับ oxaloacetate (4 คาร์บอน) กลายเปน็ Citrate (6 คาร์บอน) • Citrate (6 คาร์บอน) ถูกกระชากคาร์บอนออกเป็น α-ketoglutarate (5 คาร์บอน) ได้ CO2 พร้อมทั้งได้ NADH + H+ • α-ketoglutarate (5 คาร์บอน) ถูกกระฉากคาร์บอนออกเป็น Succinyl CoA (4 คาร์บอน) ได้ CO2 พร้อมทั้งได้ NADH + H+ และนำมา มาช่วยสร้าง ATP กลายเป็น Succinate • Succinate (4 คาร์บอน) กลายเป็น Fumarate (4 คาร์บอน) ได้ FADH2 • Fumarate กลายเป็น oxaloacetate ได้ NADH + H+ และเสีย 1 H2O สรุปทั้งหมดจะได้ 6 NADH + H+ 4 CO2 2 FADH2 2 ATP (เพราะ 1Glucose ได้ 2 Acetyl-CoA จึงวน2รอบ) การถา่ ยทอด Electron (electron transport chain) เกิดขึ้น ณ บริเวณ Cristae หรือ Inner Membrane ของ Mitochondria โดยในเยือ่ หุ้มนั้นมีโปรตีน ฝงั อยู่ เรียกว่า Complex มี 4 ชนิดได้แก่ I, II, III, IV โดยมีหน้าที่ป๊มั H+ ใน Matrix ออกไปยัง Intermembrane Space (ยกเว้น II ที่ป๊ัมไม่ได้) • NADH + H+ เอา 2e- มาให้ Complex I ทำให้ตวั เองกลายเป็น NAD+ เหมือนเดิม โดย e- เคลื่อนที่ ผ่าน Complex I → III → IV และท้ายสดุ ไปอยู่กบั Oxygen กลายเปน็ H2O ระหว่างทาง สามารถป๊มั ได้ 10 H+ • FADH2 เอา 2e- มาให้ Complex II ตวั เองกลายเปน็ FAD เหมือนเดิม โดย e- เคลื่อนทีผ่ ่าน Complex II → III → IV และท้ายสดุ ไปอยู่กบั Oxygen ระหว่างทางปั๊มได้ 6 H+ • H+ จะกรกู นั เข้ามาแบบ Osmosis (เพราะโดน complex I,III,IV ปั๊มออกไป) จึงพยายามเข้ามาผ่าน ATP Synthase โดย 4 H+ จะทำให้เอนไซม์สร้างได้ 1 ATP 19

• สรปุ ATP ทีไ่ ด้เปน็ 38-36 ในคน เซลล์หวั ใจ ไต ตบั สรา้ ง 38 ATP ส่วน เซลล์สมองและ กล้ามเนื้อลายได้ 36 ATP เพราะตอนเอา NADH จาก Glycolysis เข้า Mitochondria จะ ย้าย e- ไปไว้บน FADH2 แล้วส่งต่อไปแทน เสีย 1 ATP ในกระบวนการนี้ • ถา้ Cell ไมม่ ี Oxygen Pyruvate ที่ได้จาก Glycolysis จะเข้าสู่กระบวนการนี้หมัก มี 2 แบบ คือ • Lactic Fermentation ได้กรดแลคติก เป็นผลิตภัณฑ์ พบใน เซลล์กล้ามเนื้อลายเมื่อขาด Oxygen ทำให้รู้สึกปวดเมื่อย กล้ามเนื้อ โดย Pyruvate เป็นตวั รบั e ตวั สดุ ท้ายจาก NADH • Ethanol Fermentation ได้เอทานอล เป็นผลิตภณั ฑ์ พบใน ยีสต์ ใช้ในการหมักไวน์และเหล้า โดย Pyruvate โดนกระชาก CO2 ออกมาเปน็ Acetaldehyde แลว้ เป็นตวั รบั e ตวั สดุ ทา้ ยจาก NADH บรรณานุ กรม Mader, S. S. & Windelspecht, M. (2015). Biology (12 ed.). USA: McGraw-Hill Education. Mason, K. A., Losos, J. B., & Singer, S. R. (2017) Biology (11 ed.). USA: McGraw-Hill Education Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky P. V., & Jackson, R. B. (2014) Campbell Biology (11ed.). USA: Pearson. 20