821201 General Physiology

Introduction and physiology of cell

อ.ดร. ชลี ไพบูลยกิจกุล

• บทนํ า• การขนสงสารผานเยื่อเซลล• ศักยไฟฟาที่เยื่อเซลล

สรีรวิทยา (Physiology) คืออะไร

เปนวิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับหนาที่กลไก และกระบวนการควบคุมการทํ างานของเซลลอวยัวะ หรือระบบตาง ๆ ของสิ่งมีชีวิต

การทรงสภาพปกติในรางกาย (homeostasis)

การจัดระบบของรางกาย

จดุประสงคเพื่ออะไร

ความอยูรอดของชีวิตและเผาพันธุ

ชนิดของเนื้อเยื่อ

1. เนือ้เยื่อบุผิว (epithelial tissue)2. เนือ้เยื่อเกี่ยวพัน (connective tissue)3. เนือ้เยื่อกลามเนื้อ (muscle tissue)4. เนือ้เยื่อประสาท (nervous tissue)

เนื้อเยื่อบุผิว (epithelial tissue)

คอืกลุมเซลลที่วางตัวเปนแผน ชั้นเดียวหรือหลายชั้น พบบรเิวณผิวรางกาย โพรงชองวาง ทอและพื้นผิวของอวัยวะตาง ๆ ชวยในการขนสงสารตาง ๆ ระหวางภายนอกและภายในสวนที่หอหุมดวยกระบวนการดูดซึม (absorption) การกรอง (filtration) และการคัดหลั่ง (secretion) เชนผิวหนัง เยื่อบุลํ าไส ทอไต

เนื้อเยื่อเกี่ยวพัน (connective tissue)

คอืกลุมเซลลที่มีการรวมตัวอยางหลวม ๆ มีชองวางเต็มไปดวยผลิตภัณฑของเซลลในรูปเสนใยโปรตีน และผลึกสารประกอบเชิงซอน พบไดทั่วไป ทํ าหนาที่รองรับ ปองกัน ยึดเหนี่ยว และแบงแยกสวนตาง ๆ ของรางกาย ตัวอยางเชนกระดูกออน กระดูกแข็ง เอ็น เลือด ไขมัน

เนื้อเยื่อกลามเนื้อ (muscle tissue)

เปนกลุมเซลลกลามเนื้อที่มีรูปรางยาวเปนเสนหรือเปนรูปกระสวย มีหนาที่เฉพาะคือการหดตัว ทํ าใหรางกายหรืออวัยวะเคลื่อนไหวไดประกอบดวย 3 ชนิด

•กลามเนื้อลาย•กลามเนื้อหัวใจ•กลามเนื้อเรียบ

เนื้อเยื่อประสาท (nervous tissue)

ประกอบดวยเซลลประสาท (neurons) เซลลเกลีย (glialcells) และเสนประสาท (nerve fibers)

• เซลลประสาทท ําหนาที่รับและนํ าสัญญาณประสาทในรูปกระแสไฟฟา• เซลลเกลียท ําหนาที่คํ้ าจุนโครงสราง และสนับสนุน

metabolism ของเซลล• เสนประสาท เปนแขนงของเซลลประสาทยื่นออกจากลํ าตัวเซลลประสาท

Cell: ทฤษฎีเซลล (cell theory)

1. สิ่งมีชีวิตทั้งหลายประกอบดวย cell และผลิตภัณฑจาก cell

2. cell ใหมยอมเกิดจาก cell ที่มีอยูเดิมเทานั้น

3. ทุก cell มสีวนประกอบพื้นฐานทางเคมีและmetabolism เหมือนกันหมด

4. กจิกรรม พฤติกรรม และกระบวนการตาง ๆของสิ่งมีชีวิต เปนผลจากการทํ างานรวมกัน และประสานงานระหวางกลุม cell ในรางกาย

ประเภทของ cell

1. eukaryotic cell2. prokaryotic cellความแตกตางระหวาง cell ทั้ง 2 ประเภท คอื

การมหีรือไมมีเยื่อหุมกลุมของสารพันธุกรรม(nucleus membrane)

cell สามารถอยูไดอยางอิสระเพราะ

1. ยีน (gene)2. กลไกการถายทอดพลังงานจากสารอาหารเพื่อน ํามาใชในกระบวนการตาง ๆ

3. เยื่อหุมเซลล (cell membrane)

กระบวนการตางๆ ที่เกิดขึ้นภายใน cell

1. กระบวนการสังเคราะห (synthesis)2. กระบวนการสลาย (degradation)รวมทั้ง 2 กระบวนการเรียกวา metabolism

องคประกอบ โครงสราง และหนาที่ของorganelles

- องคประกอบทางเคมีของ cellประกอบดวยนํ้ า โปรตีน ไลปด คารโบไฮเดรต เกลอืแร- โครงสรางของ cell

1. Nuclease2. Cytoplasm

ของเหลวภายใน cell เรียกวา cytosol

organelles ตาง ๆ ภายใน cell

1. Nucleusเซลลในรางกายทุกเซลลยกเวนเม็ดเลือดจะมี

nucleus และมีเยื่อหุม 2 ชั้น ชั้นนอกตอกับendoplasmic reticulum เยื่อชั้นในตอเปนระยะกับชัน้นอกทํ าใหเกิดรูพรุนรอบ nucleus ภายในประกอบดวยโปรตีน DNA และ RNA โปรตีนที่รวมตัวกันแนนปรากฏใหเห็นในรูป chromosome

2. Ribosome และ Endoplasmic reticulum (ER)ribosome คอื RNA ที่รวมตัวกับโปรตีนชนิดหนึ่ง ท ําหนาที่ในการสรางโปรตีน โปรตีนจะถูกสรางโดยribosome เทานั้น

รูปรางของ ribosome มีลักษณะเปนกอนกลม อยูอยางอิสระ หรือติดกับรางแห endoplasmicreticulum

- rough ER (RER) มีหนาที่ในการสังเคราะหโปรตีน- smooth ER (SER) มีหนาที่ในการสังเคราะหสารประเภทไลปด

3. Golgi apparatusเปนแผนบาง ๆ ที่วางเรียงซอนกันเปนชั้น ๆ ทํ าหนาที่เติมกลุมคารโบไฮเดรตใหกับโปรตีนที่สังเคราะหขึ้น โดยกระบวนการคัดหลั่ง พบมากที่เซลลตับ ตับออน

4. Lysosomesเปนถุงขนาดเล็กภายในบรรจุ enzyme จ ํานวนมากมายหลายชนิด enzyme เหลานี้ทํ าหนาที่ในการยอยสารตาง ๆ เชน โปรตีน ลิปด กรดนิวคลิอิกและ โพลีแซคคาไรด

5. Mitochondriaมลีักษณะเปนทรงกระบอกคลายแตงกวา เยื่อหุม 2ชั้น ชัน้ในพับไปมาเรียกวา cristae เพือ่เพิ่มพื้นที่บนเยื่อชั้นในมีเอนไซมเกาะอยูจํ านวนมาก ทํ าหนาที่ในการสังเคราะหสารพลังงานสูง คอื ATP(adenosine triphosphate) ซึ่งเปนแหลงกํ าเนิดพลังงาน

6. Cell cytoskeletonภายในไซโทโซลมโีครงรางขนาดเล็กประกอบดวยโปรตีนชนิดตาง ๆ ทํ าหนาที่ยึด organelles ตางๆ ไว ทํ าใหรูปรางเซลลไมเปลี่ยนแปลงไดงาย

- microtubules- microfilaments- myosin filaments

สภาวะแวดลอมของ cell

1. สภาวะแวดลอมทางกายภาพ (physicalenvironment)

- ความดันบรรยากาศ- อุณหภูมิ

2. สภาวะแวดลอมทางเคมี (chemical enviroment)-H2O- CO2

- O2

- nutrients- electrolyte

สภาวะแวดลอมภายในรางกาย

นํ ้าเปนสวนประกอบหลัก รอยละ 601. ของเหลวภายใน cell (intracellular fluids)2. ของเหลวภายนอก cell (extracellular fluids)

- นํ้ าเลือด (blood plasma)- ของเหลวระหวาง cell (interstitial fluid)- ของเหลวขาม cell (transcellular fluid)

การทรงสภาพปกติในรางกาย (homeostasis)

- การคงที่ของสภาวะแวดลอมภายในรางกายเกิดขึ้นไดอยางไร

- สภาวะแวดลอมภายในมีประโยชนอยางไร- ท ําไมสภาวะแวดลอมภายในจึงตองมีการทรงสภาพปกติ

การขนสงสารผาน cell membrane(Membrane transport)

โครงสรางของ cell membrane- fluid-mosaic model

lipid bilayerglobular proteincarbohydrate

องคประกอบของ cell membrane

1. Protein- โปรตีนภายใน (integral protein) มมีากถึงรอยละ

70 สวนใหญจะแทรกตัวอยูในชั้นของไขมัน- โปรตีนภายนอก (peripheral protein) มี ประจุชอบนํ้ า จะจับอยูภายนอกดวยพันธะไฮโดรเจน

2. Lipid- phospholipid- cholesterol- glycolipids

3. Carbohydrate มปีระมาณรอยละ 1-8 ทํ าหนาที่เปน antigen และ receptor

- glycoprotein- glycolipid

หนาที่ของ cell membrane

1. ควบคมุการเคลื่อนยายสารผานเขา-ออก cell2. จ ําแนกพวกของ cell (cell-cell recognition)3. การสือ่สารระหวาง cell (cell-cell

communication)

การขนสงสารผานเขา-ออกจาก cell

1. แบบไมผานทะลุ cell membrane- pinocytosis เยือ่เซลลกลืนกินสารละลาย- phygocytosis เยื่อเซลลกลืนกินวัตถุ- exocytosis เซลลคัดหลั่งสารที่บรรจุอยูในถงุออกจากเซลล

2. แบบผานทะลุ cell membrane- โมเลกุลของสารแทรกผานชั้น lipid bilayer- โมเลกุลของสารแทรกผานรูหรือชองในชั้น

lipid bilayer- โมเลกุลของสารจับตัวพาในชั้นของ cell

membrane

ชนิดของการขนสงสารผานทะลุ cellmembrane

แบงโดยใชพลังงาน1. การขนสงแบบไมใชพลังงาน (passive transport)2. การขนสงแบบใชพลังงาน (active transport)

แบงโดยใชตัวพา (carrier)1. การขนสงแบบแพรธรรมดา (simple diffusion)2. การขนสงแบบอาศัยตัวพา (carrier mediated

transport)

Passive transport

1. การแพรแบบธรรมดา (simple diffusion)2. การแพรแบบเรงรัด (facilitated diffusion)

ขอแตกตางของการแพรแบบเรงรัด กับการแพรแบบธรรมดา

1. การแพรแบบเรงรัดมีอัตราการแพรเร็วกวาแบบธรรมดา

2. อตัราการแพรเปนสัดสวนโดยตรงกับความเขมขนของสารที่จุดอิ่มตัว (saturation)

3. เปนกระบวนการจํ าเพาะในการเคลื่อนยายสารใดสารหนึ่งเทานั้น

4. อตัราการแพรอาจถูกยับยั้งแบบแกงแยง(competitive inhibition) โดยสารที่มีโครงสรางโมเลกุลคลายกัน

Active transport

ในธรรมชาติสารบางชนิดมีการขนสงผานเยื่อเซลลตานความลาดเชิงความเขมขน (concentrationgradient) ระหวางเยื่อเซลล หรือตานความลาดเชิงความเขมขนและเชิงศักยไฟฟา(electrochemical gradient) การขนสงแบบนี้จํ าเปนตองใชพลังงานจากเมตาบอลิซึมของเซลล

Active transport

คุณลักษณะ1. สามารถขนสงสารตานความลาดเชิงความเขมขน (concentration gredient) และเชิงศักยไฟฟา(electrochemical gradient)

2. มีจุดอิ่มตัวของอัตราการขนสง

3. มคีวามจํ าเพาะในการขนสงสารบางชนิด และมีการยับยั้งแบบแกงแยงโดยสารที่มีโครงสรางโมเลกุลคลายกัน

4. ถูกยับยั้งโดยสารเคมี หรือกระบวนการหยุดสรางพลังงานจาก metabolism ของ cell

ชนิดของ active transport

1. การขนสงแบบใชพลังงานปฐมภูมิ (primaryactive transport) การขนสงสารที่อาศัยพลังงานจากเมตาบอลิซึมของเซลลโดยตรง เชน ปมโซเดียม (sodium pump, Na+/K+ ATPase pump)ใชพลังงานจาก ATP

2. การขนสงแบบใชพลังงานทุติยภูมิ (secondaryactive transport) การขนสงสารที่อาศัยพลังงานโดยทางออม เปนการใชพลังงานที่สะสมไวในรูปของความลาดเชิงความเขมขน และเชิงศักยไฟฟาของสารตาง ๆ สวนใหญ ไดแก โซเดียมไอออน

co-transportantiport

การแพรของนํ้ าผาน cell membrane (Osmosis)

- osmosis กบัการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของ cellเซลลสัตวมีกลไกควบคุมปริมาตรเซลล โดยการควบคมุความเขมขนของไอออนตาง ๆ เชน Na+, K+

และ Cl-

isotonic solutionhypertonic solutionhypotonic solution

- การขนสงสารกับปริมาตรของ cell มสีารหลายชนิดเปนตัวกํ าหนดแรงดันออสโมติก โดย Na+ มีความส ําคัญมากที่สุด เนื่องจากเยื่อเซลลมีโซเดียมปม

ศักยไฟฟาที่ cell membrane(Membrane potential)

ศกัยไฟฟาที่เกิดจากการแพร (Diffusion potential)

สมดุลของกิบสและดอนแนน(Gibbs-Donnan equilibrium)

ศักยไฟฟาที่ cell membrane

1. ศกัยไฟฟาที่เกิดจากการแพร (Diffusionpotential)

2. สมดุลของกบิสและดอนแนน (Gibbs-Donnanequilibrium)

3. ปมอิเลคโตรเจนนิก (Electrogenic pump)

สรุปการเกิดศักยไฟฟาที่ cell membrane

1. การมีไอออนลบ ทีไ่มสามารถแพรผาน cellmembrane อยูภายใน cell

2. สวนหนึ่งของศักยไฟฟาที่ cell membrane เกิดจาก eletrogenic pump