เซลล์ (ชีววิทยา)
ในทางชีววิทยา เซลล์ (English: Cell) เป็นโครงสร้างและหน่วยทำงานที่เล็กที่สุดของสิ่งมีชีวิตแทบทุกชนิด ในบางครั้งอาจเรียกว่า หน่วยที่เป็นองค์ประกอบของชีวิต ("building blocks of life") สิ่งมีชีวิตบางชนิดเป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว (unicellular organism) เช่น แบคทีเรีย ยีสต์ แต่สิ่งมีชีวิตชนิดอื่น เช่น พืช สัตว์ เป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ (multicellular organism) (มนุษย์มีเซลล์อยู่ประมาณ 100 ล้านล้าน หรือ 1014 เซลล์)
ทฤษฎีเซลล์ถูกพัฒนาขึ้นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2382 (ค.ศ. 1839) โดยแมตเทียส จาคอบ ชไลเดน (Matthias Jakob Schleiden) และ ทีโอดอร์ ชวานน์ (Theodor Schwann) ได้อธิบายว่า สิ่งมีชีวิตทั้งหมดประกอบด้วยเซลล์หนึ่งเซลล์หรือมากกว่า เซลล์ทั้งหมดมีกำเนิดมาจากเซลล์ที่มีมาก่อน (preexisting cells) ระบบการทำงานเพื่อความอยู่รอดของสิ่งที่มีชีวิตทั้งหมดเกิดขึ้นภายในเซลล์ และภายในเซลล์ยังประกอบด้วยข้อมูลทางพันธุกรรม (hereditary information) ซึ่งจำเป็นสำหรับการควบคุมการทำงานของเซลล์ และการส่งต่อข้อมูลทางพันธุกรรมไปยังเซลล์รุ่นต่อไป
คำว่า เซลล์ มาจากภาษาละตินที่ว่า cella ซึ่งมีความหมายว่า ห้องเล็ก ๆ ผู้ตั้งชื่อนี้คือโรเบิร์ต ฮุก (Robert Hooke) เมื่อเขาเปรียบเทียบเซลล์ของไม้คอร์กเหมือนกับห้องเล็ก ๆ ซึ่งเป็นที่อยู่ของพระ
แต่ละเซลล์มีองค์ประกอบและดำรงชีวิตได้ด้วยตัวของมันเอง โดยการนำสารอาหารเข้าไปในเซลล์และเปลี่ยนสารอาหารให้กลายเป็นพลังงานเพื่อการดำรงชีวิตและการสืบพันธุ์ เซลล์มีความสามารถหลายอย่างดังนี้:
เพิ่มจำนวนโดยการแบ่งเซลล์ เมแทบอลิซึมของเซลล์ (cell metabolism) ประกอบด้วย การลำเลียงวัตถุดิบเข้าเซลล์,การสร้างส่วนประกอบของเซลล์,การสร้างพลังงานและโมเลกุลและปล่อยผลิตภัณฑ์ออกมา การทำงานของเซลล์ขึ้นกับความสามารถในการสกัดและใช้พลังงานเคมีที่สะสมในโมเลกุลของสารอินทรีย์ พลังงานเหล่านี้จะได้จากวิถีเมแทบอลิซึม (metabolic pathway) การสังเคราะห์โปรตีนเพื่อใช้ในระบบการทำงานของเซลล์ เช่น เอนไซม์ โดยเฉพาะเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจะมีโปรตีนต่าง ๆ ถึง 10,000 ชนิด ตอบสนองต่อสิ่งกระตุ้นทั้งภายนอกและภายใน เช่น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ pH หรือระดับอาหาร. การขนส่งของเวสิเคิล (vesicle)
วิธีการจัดกลุ่มเซลล์ไม่ว่าเซลล์นั้นจะอยู่ตามลำพังหรืออยู่เป็นกลุ่ม ได้แก่ สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว (unicellular) ซึ่งดำรงชีวิตเพื่อความอยู่รอด จนไปถึงการอยู่รวมกันเป็นกลุ่มที่เรียกว่า โคโลนี (colonial forms) หรือ สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ (multicellular) ซึ่งเซลล์เหล่านี้จะกลายเป็นเซลล์เฉพาะทางที่แตกต่างกันหลายรูปแบบ เช่น เซลล์ต่าง ๆ ในร่างกายมนุษย์
โดยสรุป เซลล์สามารถแบ่งได้เป็น 2 รูปแบบคือ
โพรแคริโอต (prokaryote) เป็นเซลล์ที่มีโครงสร้างอย่างง่าย อาจอยู่เป็นเซลล์เดี่ยว ๆ หรือรวมกลุ่มเป็นโคโลนี (Colony) ในการจำแนกชั้นทางวิทยาศาสตร์แบบระบบสามโดเมน (three-domain system) ได้จัดโพรแคริโอตอยู่ในโดเมนอาร์เคีย (Archaea) และแบคทีเรีย (Eubacteria)
ยูแคริโอต (eukaryote) เป็นเซลล์ที่มีออร์แกเนลล์ (organelle) และผนังของออร์แกเนลล์ มีตั้งแต่เซลล์เดียวเช่น อะมีบา (amoeba) และเห็ดรา (fungi) หรือเป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ เช่นพืชและสัตว์รวมทั้งสาหร่ายสีน้ำตาล
เซลล์ทุกชนิดไม่ว่าจะเป็นโพรแคริโอตหรือยูแคริโอตจะต้องมีเยื่อหุ้มเซลล์ (cell membrane) ทำหน้าที่ห่อหุ้มเซลล์เสมอ เพื่อแยกส่วนประกอบภายในเซลล์ออกจากสิ่งแวดล้อม เป็นการควบคุมการขนส่งสารเข้าออกเซลล์ และเพื่อรักษาความต่างศักย์ทางไฟฟ้าของเซลล์ (cell potential) ภายในเยื่อหุ้มเซลล์จะประกอบไปด้วย ไซโทพลาซึมที่มีสภาพเป็นเกลือ และเป็นเนื้อที่ส่วนใหญ่ของเซลล์ ภายในเซลล์จะมี ดีเอ็นเอ หน่วยพันธุกรรมของเซลล์หรือยีน และ อาร์เอ็นเอชึ่งจะมีข้อมูลที่จำเป็นในการถ่ายทอดพันธุกรรม รวมทั้งโปรตีนต่าง ๆ เช่น เอนไซม์ นอกจากนี้ภายในเซลล์ก็ยังมีสารชีวโมเลกุล (biomolecule) ชนิดต่าง ๆ อีกมากมาย
ไซโทพลาซึมของเซลล์ประเภทยูแคริโอตจะถูกห้อมล้อมด้วยส่วนที่เรียกว่า เยื่อหุ้มเซลล์ หรือ พลาสมา เมมเบรน (plasma membrane) พลาสมาเมมเบรนจะพบในเซลล์ประเภทโพรแคริโอตด้วย เยื่อนี้จะทำหน้าที่แยกและปกป้องเซลล์จากสิ่งแวดล้อมรอบข้าง ส่วนใหญ่แล้วถูกสร้างขึ้นจากชั้นของลิพิดสองชั้น หรือ ฟอสโฟลิพิด ไบแลร์ (Phospholipid bilayer) และโปรตีน ภายในเยื่อจะมีโมเลกุลหลากชนิดที่ทำหน้าที่เป็นทั้งช่องทางผ่านของสารและ ปั๊ม (channels and pumps) เพื่อทำหน้าที่เฉพาะในการขนส่งโมเลกุลเข้าหรือออกจากเซลล์
ไซโทสเกเลตอนเป็นโครงสร้างที่สำคัญ ซับซ้อน และเคลื่อนไหวเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา มีบทบาทในการจัดรูปแบบและจัดเรียงตำแหน่งของออร์แกเนลล์ให้อยู่ในที่ที่เหมาะสม, ช่วยให้เกิดกระบวนการเอนโดไซโทซิส (endocytosis) หรือการนำสารจากภายนอกเซลล์เข้ามาในเซลล์เพื่อใช้ในกระบวนการเจริญเติบโตและการเคลื่อนไหว, บทบาทในการทำงานของกล้ามเนื้อ, และมีโปรตีนจำนวนมากมายในไซโทสเกลเลตอนที่ควบคุมโครงสร้างของเซลล์
ไซโทสเกเลตอน แบ่งออกได้เป็น 3 ชนิดตามขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง ได้แก่ ไมโครทูบูล (Microtubule) , อินเทอร์มีเดียท ฟิลาเมนท์ (Intermediate Filament) และ ไมโครฟิลาเมนท์ (Microfilament)
สารพันธุกรรมแตกต่างกันสองชนิดคือ:
ดีเอ็นเอ (deoxyribonucleic acid-DNA) อาร์เอ็นเอ (ribonucleic acid-RNA)
รหัสพันธุกรรม (Genetic code) ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเป็นข้อมูลทางพันธุกรรมของเซลล์ซึ่งเก็บอยู่ในรูปดีเอ็นเอหรืออาร์เอ็นเอ สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ใช้ดีเอ็นเอสำหรับเก็บข้อมูลทางพันธุกรรม แต่ไวรัสบางชนิด เช่น รีโทรไวรัส (retrovirus) มีอาร์เอ็นเอเป็นสารพันธุกรรม อาร์เอ็นเอนอกจากจะเป็นสารพันธุกรรมแล้วยังทำหน้าที่เป็นสารที่ขนถ่ายข้อมูลด้วย ได้แก่ เมสเซนเจอร์ อาร์เอ็นเอ (mRNA) และอาจทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ได้โดยเฉพาะในเซลล์ที่มีอาร์เอ็นเอเป็นสารพันธุกรรม ได้แก่ ไรโบโซมัล อาร์เอ็นเอ หรือ (rRNA)
สารพันธุกรรมของพวกโปรคาริโอต จะถูกจัดอยู่ในโมเลกุลของดีเอ็นเอรูปวงกลมง่าย ๆ เช่น ดีเอ็นเอของแบคทีเรียซึ่งอยู่ในบริเวณนิวคลอยด์ (nucleoid region) ของไซโตพลาสซึม ส่วนสารพันธุกรรมของพวกยูคาริโอต จะถูกจัดแบ่งให้อยู่ในโมเลกุลที่เป็นเส้นตรงที่เรียกว่า โครโมโซม (chromosome) ภายในนิวเคลียส และยังพบว่ามีสารพันธุกรรมอื่น ๆ นอกจากในโครโมโซมในออร์แกเนลล์บางชนิด เช่น ไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ (ดูเพิ่มเติมที่ทฤษฎีเอ็นโดซิมไบโอติก (endosymbiotic theory)) เช่น ในเซลล์มนุษย์จะมีสารพันธุกรรมในบริเวณดังนี้ในนิวเคลียส เรียกว่า นิวเคลียร์ จีโนม (nuclear genome) แบ่งเป็นโมเลกุลเส้นตรง ดีเอ็นเอ 46 เส้น หรือ 23 คู่ เรียกว่า โครโมโซม
ในไมโทคอนเดรีย เรียกว่า ไมโทคอนเดรียล จีโนม (mitochondrial genome) เป็นโมเลกุลดีเอ็นเอรูปวงกลมที่แยกจากดีเอ็นเอในนิวเคลียส ถึงแม้ไมโทคอนเดรีย จีโนมจะเล็กมากแต่ก็มีรหัสสำหรับการสร้างโปรตีนที่สำคัญ
สารพันธุกรรมจากภายนอกที่สังเคราะห์ขึ้นได้เองสามารถนำไปใส่ในเซลล์ได้เราเรียกกระบวนการนี้ว่า ทรานสเฟกชัน (transfection)
ตารางที่ 1: เปรียบเทียบรูปร่างของเซลล์ แบบโพรแคริโอต และแบบยูแคริโอตโพรแคริโอตยูแคริโอตตัวอย่างสิ่งมีชีวิตแบคทีเรีย, อาร์เคียโพรทิสต์, เห็ดรา, พืช, สัตว์ขนาดตัวอย่าง~ 1-10 ไมโครเมตร~ 10-100 ไมโครเมตร (เซลล์สเปิร์มหากไม่นับหาง จะมีขนาดเล็กกว่านี้)ชนิดของนิวเคลียสบริเวณนิวคลอยด์; ไม่มีนิวเคลียสแท้จริงนิวเคลียสจริง มีผนังสองชั้นดีเอ็นเอวงกลม (ธรรมดา)โมเลกุล เป็นแนวตรง (โครโมโซม) และมีโปรตีนฮิสโตนอาร์เอ็นเอ/การสังเคราะห์โปรตีนทั้งคู่เกิดในไซโทพลาซึมอาร์เอ็นเอ-สังเคราะขึ้นภายในนิวเคลียส สังเคราะห์โปรตีนในไซโตพลาสซึมขนาดไรโบโซม50S+30S60S+40Sโครงสร้างภายในไซโตพลาสซึมโครงสร้างเล็กมากจัดโครงสร้างโดย เอ็นโดเมมเบรน และ ไซโตสเกเลตัน (cytoskeleton)การเคลื่อนไหวของเซลล์แฟกเจลลา สร้างจากโปรตีนแฟลเจลลิน (flagellin)แฟกเจลลา และ ซีเลีย สร้างจากโปรตีนทูบูลิน (tubulin)ไมโทคอนเดรียไม่มีมี ตั้งแต่ หนึ่ง ถึงหลายสิบคลอโรพลาสต์ไม่มีพบในสาหร่ายและพืชการประสานงานกันระหว่างเซลล์ปกติเป็นเซลล์เดี่ยวเซลล์เดี่ยว, เป็นโคโลนี, สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ชั้นสูงจะมีเซลล์หลายชนิดที่มีหน้าที่เฉพาะมากมายการแบ่งเซลล์การแบ่งเป็นสองส่วน (simple division)ไมโทซิส ไมโอซิส
ตาราง 2: การเปรียบเทียบโครงสร้างของ เซลล์พืช และ เซลล์สัตว์เซลล์สัตว์เซลล์พืชออร์แกเนลล์ (Organelles) นิวเคลียส (Nucleus) นิวคลีโอลัส (Nucleolus in nucleus) เอนโดพลาสมิกเรติคูลัม (Endoplasmic reticulum) เอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบผิวขรุขระ (Rough endoplasmic reticulum) เอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบผิวเรียบ (Smooth endoplasmic reticulum) ไรโบโซม (Ribosome) ไซโทสเกเลตอน (Cytoskeleton) กอลจิแอปพาราตัส (Golgi apparatus) ไซโทพลาซึม (Cytoplasm) ไมโทคอนเดรีย (Mitochondria) เวสิเคิล (Vesicle) แวคิวโอล (Vacuole) ไลโซโซม (Lysosome) เซนทริโอล (Centriole) นิวเคลียส (Nucleus) นิวคลีโอลัสในนิวเคลียส (Nucleolus in nucleus) เอนโดพลาสมิกเรติคูลัม (Endoplasmic reticulum) เอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบผิวขรุขระ (Rough endoplasmic reticulum) เอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบผิวเรียบ (Smooth endoplasmic reticulum) ไรโบโซม (Ribosomes) ไซโทสเกเลตอน (Cytoskeleton) กอลจิแอปพาราตัส หรือ ดิกไทโอโซม (dictiosomes) ไซโทพลาซึม (Cytoplasm) ไมโทคอนเดรีย (Mitochondria) เวสิเคิล (Vesicle) คลอโรพลาสต์ (Chloroplast) และ พลาสติด (plastid) แวคิวโอล (Central vacuole) โทโนพลาสต์ (Tonoplast-central vacuole membrane) เพอรอกซิโซม (Peroxisome) ไกลออกซิโซม (Glyoxysome) ซิเลีย (Cilium) แฟลเจลลัม (Flagellum) พลาสมา เมมเบรน (Plasma membrane) พลาสมา เมมเบรน (Plasma membrane) ผนังเซลล์ (Cell wall) พลาสโมเดสมาตา (Plasmodesmata) แฟลเจลลัมในเซลล์สืบพันธุ์ (Flagellum in gametes)
วัฏจักรของเซลล์หนึ่ง ๆ จะเริ่มจากการเจริญสะสมสารอาหารและทำกิจกรรมต่าง ๆ จนถึงระยะหนึ่งก็จะแบ่งตัวเพือสร้างเซลล์ใหม่ไปเรื่อย ๆ ในเซลล์ยูคาริโอตนั้น วัฏจักรของเซลล์มี 4 ระยะที่ชัดเจน คือ
G1 เป็นช่วงหลังจากเซลล์ผ่านการแบ่งตัวมาใหม่ จนถึงเตรียมการจะแบ่งตัวอีกครั้ง เป็นช่วงที่เซลล์มีกิจกรรมมาก S เป็นช่วงเวลาที่มีการจำลองตัวของ DNA เพิ่มจาก 1 ชุดเป็น 2 ชุด เพื่อเตรียมสารพันธุกรรมไว้ให้เซลล์ใหม่ต่อไป G2 เป็นช่วงเวลาหลังจากจำลอง DNA เสร็จแล้ว รอการแบ่งเซลล์ต่อไป M เป็นช่วงเวลาที่มีการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส ซึ่งเมื่อแบ่งตัวเสร็จแล้วจะได้เซลล์ลูก 2 เซลล์ ซึ่งมีสารพันธุกรรมเหมือนเซลล์ตั้งต้นทุกประการ
ในเซลล์ที่ผิดปรกติหรือเซลล์บางชนิดเช่นเซลล์ประสาทจะเข้าไปในระยะ G0 ซึ่งเป็นช่วงที่เซลล์จะไม่มีการแบ่งเซลล์อีกและจะไม่สามารถอกกจากระยะนี้ได้ ซึ่งถ้าเป็นเซลล์ที่ผิดปรกติจะถูกทิ้งให้ตาย
หมวดหมู่:ชีววิทยาของเซลล์