Loading AI tools
โครงสร้างและหน่วยการทำงานพื้นฐานที่สุดของสิ่งมีชีวิต จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
เซลล์ (อังกฤษ: cell จากภาษาละติน cella แปลว่าห้องเล็ก ๆ[1]) เป็นโครงสร้างและหน่วยการทำงานพื้นฐานที่สุดของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดที่ทราบกัน เซลล์เป็นหน่วยย่อยที่สุดที่จะเรียกว่า "ชีวิต" ได้ ในบางครั้งอาจเรียกว่า"หน่วยโครงสร้างของชีวิต" (the building block of life) การศึกษาเกี่ยวกับเซลล์เรียกว่าชีววิทยาของเซลล์ (cell biology), ชีววิทยาระดับเซลล์, หรือเซลล์วิทยา (cytology)
| เซลล์ | |
|---|---|
 | |
 เซลล์ยูแคริโอต (ซ้าย) และเซลล์โพรแคริโอต (ขวา) | |
| ตัวระบุ | |
| MeSH | D002477 |
| TH | H1.00.01.0.00001 |
| FMA | 686465 |
| อภิธานศัพท์กายวิภาคศาสตร์ | |
เซลล์ประกอบจากไซโทพลาซึมที่มีเยื่อหุ้มล้อมรอบ ภายในไซโทพลาซึมบรรจุสารชีวโมเลกุลเช่น โปรตีนและกรดนิวคลิอิก[2] เซลล์ของพืชและสัตว์ส่วนใหญ่สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงที่มีมิติ (dimension) ระหว่าง 1 ถึง 100 ไมโครเมตร[3] กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนให้ความคมชัดและรายละเอียดที่มากกว่า สิ่งมีชีวิตถูกจำแนกออกเป็นสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว (unicellular; เช่นแบคทีเรีย) และหลายเซลล์ (multicellular; เช่น พืชและสัตว์)[4] โดยสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวส่วนมากจัดเป็นจุลชีพ (microorganism)
จำนวนของเซลล์ในพืชและสัตว์แตกต่างกันออกไปตามแต่ละสปีชีส์ มีการประมาณว่าร่างกายของมนุษย์มีจำนวนเซลล์ที่ 40 ล้านล้าน (4×1013) เซลล์[lower-alpha 1][5] สำหรับเซลล์ในสมองอยู่ที่ประมาณ 8 หมื่นล้านเซลล์[6]
รอเบิร์ต ฮุก (Robert Hooke) ค้นพบเซลล์ใน ค.ศ. 1665 โดยตั้งชื่อว่า cell เนื่องจากเขาเปรียบเซลล์ของไม้ก๊อกที่เห็นว่ามีลักษณะคล้ายคลึงกับห้องที่นักบวชในศาสนาคริสต์ใช้อาศัยภายในอาราม[7][8] ใน ค.ศ. 1839 มัตทิอัส ยาคอบ ชไลเดน (Matthias Jakob Schleiden) และทีโอดอร์ ชวานน์ (Theodor Schwann) พัฒนาทฤษฎีเซลล์ที่กล่าวว่า สิ่งมีชีวิตทุกชนิดล้วนประกอบขึ้นจากหนึ่งเซลล์หรือมากกว่าหนึ่ง เซลล์เป็นโครงสร้างและหน่วยการทำงานที่เป็นขั้นมูลฐานของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด และเซลล์ทั้งหมดกำเนิดมาจากเซลล์ที่มีอยู่ก่อน (preexisting cell)[9] เซลล์ปรากฏขึ้นบนโลกเมื่อประมาณ 3.5 พันล้านปีก่อน[10][11][12]
เซลล์มีสองประเภทคือ ยูแคริโอตที่มีนิวเคลียส และโพรแคริโอตที่ไม่มีนิวเคลียส โดยโพรแคริโอตจะพบเป็นเพียงสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวเท่านั้น ในขณะที่ยูแคริโอตสามารถพบได้ทั้งสิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์เดียวและหลายเซลล์
โพรแคริโอตประกอบด้วยแบคทีเรียและอาร์เคีย ซึ่งเป็นสองจากสามโดเมนของสิ่งมีชีวิต เซลล์โพรแคริโอตเป็นรูปแบบแรกของชีวิตบนโลก ซึ่งถูกกำหนดลักษณะด้วยการมีกระบวนการทางชีววิทยาที่จำเป็น อันรวมไปถึงการสื่อสารระหว่างเซลล์ เซลล์ประเภทนี้มีความซับซ้อนน้อยและขนาดที่เล็กกว่าเซลล์ยูแคริโอต และไม่มีนิวเคลียสกับออร์แกเนลล์ที่มีเยื่อหุ้ม ดีเอ็นเอของเซลล์โพรแคริโอตประกอบด้วยโครโมโซมแบบวงกลมเพียงหนึ่งวงที่สัมผัสกับไซโทพลาซึมโดยตรง บริเวณของไซโทพลาซึมที่มีสารพันธุกรรมเรียกว่า นิวคลีออยด์ (nucleoid) โพรแคริโอตเกือบทุกชนิดเป็นสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 0.5 ถึง 2.0 μm[13]
เซลล์โพรแคริโอตมีสามบริเวณ คือ
พืช, สัตว์, เห็ดรา, ราเมือก, โพรโทซัว, และสาหร่าย ล้วนเป็นสิ่งมีชีวิตยูแคริโอต เซลล์ประเภทนี้มีความกว้างมากกว่าเซลล์โพรแครโอตทั่วไปประมาณ 15 เท่า และอาจมีปริมาตรที่มากกว่าถึง 1000 เท่า คุณลักษณะสำคัญที่ใช้แยกเซลล์ยูแคริโอตออกจากเซลล์โพรแคริโอตคือ การจัดส่วนการทำงานภายในเซลล์ (compartmentalisation) ด้วยการมีออร์แกเนลล์ที่มีเยื่อหุ้ม (ส่วนการทำงาน) ที่ซึ่งเกิดกิจกรรมต่าง ๆ ภายในเซลล์ โดยออร์แกเนลล์ที่สำคัญที่สุดคือนิวเคลียส[4] อันบรรจุดีเอ็นเอของเซลล์ไว้ นิวเคลียสยังเป็นที่มาของของชื่อ ยูแคริโอต ที่แปลว่า แก่นแท้จริง (true kernel) และยังมีความแตกต่างอื่น ๆ เช่น
| โพรแคริโอต | ยูแคริโอต | |
|---|---|---|
| Typical organisms | แบคทีเรีย, อาร์เคีย | โพรทิสต์, เห็ดรา, พืช, สัตว์ |
| ขนาดโดยทั่วไป | ~ 1–5 μm[18] | ~ 10–100 μm[18] |
| ประเภทของนิวเคลียส | นิวคลีออยด์; ไม่มีนิวเคลียสแท้จริง | นิวเคลียสแท้จริงที่มีเยื่อหุ้มสองชั้น |
| ดีเอ็นเอ | แบบวงแหวน (โดยปกติ) | แบบเส้น (โครโมโซม) พร้อมกับมีโปรตีนฮิสโตน |
| อาร์เอ็นเอ/การสังเคราะห์โปรตีน | เกิดขึ้นควบคู่กันในไซโทพลาซึม | การสังเคราะห์อาร์เอ็นเอเกิดขึ้นในนิวเคลียส การสังเคราะห์โปรตีนเกิดขึ้นในไซโทพลาซึม |
| ไรโบโซม | 50S และ 30S | 60S และ 40S |
| โครงสร้างภายในไซโตพลาสซึม | มีโครงสร้างน้อยมาก | มีความซับซ้อนสูงจากการที่มีเอนโดเมมเบรนและไซโทสเกเลตัน |
| การเคลื่อนไหวของเซลล์ | แฟลกเจลลาที่สร้างด้วยแฟลเจลลิน | แฟลกเจลลาและซิเลียที่มีไมโครทิวบูล; ลาเมลลิโพเดียและฟิโลโพเดียที่มีแอกติน |
| ไมโทคอนเดรีย | ไม่มี | ตั้งแต่หนึ่งจนถึงหลายพัน |
| คลอโรพลาสต์ | ไม่มี | ในสาหร่ายและพืช |
| การจัดระเบียบ | ปกติเป็นเซลล์เดี่ยว | เซลล์เดี่ยว, โคโลนี, สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ชั้นสูงจะมีเซลล์หลายชนิดที่มีหน้าที่เฉพาะมากมาย |
| การแบ่งเซลล์ | การแบ่งตัวออกเป็นสอง (การแบ่งเซลล์อย่างง่าย) | ไมโทซิส (แบ่งออกเป็นสองหรือแตกหน่อ) ไมโอซิส |
| โครโมโซม | โครโมโซมหนึ่งอัน | มีโครโมโซมมากกว่าหนึ่งอัน |
| เยื่อหุ้ม | เยื่อหุ้มเซลล์ | เยื่อหุ้มเซลล์และเยื่อหุ้มออร์แกเนลล์ |
เซลล์ทุกชนิดไม่ว่าจะเป็นโพรแคริโอตหรือยูแคริโอต ล้วนมีเยื่อหุ้มล้อมรอบเซลล์ เพื่อควบคุมการผ่านเข้าออกของสาร (เยื่อเลือกผ่าน), และรักษาศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ ด้านในของเยื่อหุ้ม ไซโทพลาซึมกินปริมาตรเกือบทั้งหมดของเซลล์ เซลล์ทุกชนิด (ยกเว้นเซลล์เม็ดเลือดแดงที่ไม่มีนิวเคลียสและออร์แกเนลล์เกือบทุกชนิด เพื่อเอื้อให้มีพื้นที่สูงสุดสำหรับรองรับฮีโมโกลบิน) มีดีเอ็นเอที่เป็นสารที่ถ่ายทอดได้ทางพันธุกรรมของยีน, และอาร์เอ็นเอมที่บรรจุข้อมูลที่จำเป็นสำหรับโปรตีนหลายชนิดเช่น เอนไซม์ (หน่วยปฏิบัติงานที่สำคัญของเซลล์) และยังมีชีวโมเลกุลอีกหลายชนิด ในที่นี้จะกล่าวถึงองค์ประกอบของเซลล์ที่สำคัญเท่านั้น
เยื่อหุ้มเซลล์ หรือพลาสมาเมมเบรน เป็นเยื่อชีวภาพที่ล้อมรอบไซโทพลาซึม สำหรับในสัตว์ เยื่อหุ้มเป็นขอบเขตนอกสุดของเซลล์ ในขณะที่พืชและโพรแคริโอตมักหุ้มด้วยผนังเซลล์ เยื่อหุ้มทำหน้าที่แยกและปกป้องเซลล์จากสิ่งแวดล้อมภายนอก โดยประกอบจากชั้นคู่ของฟอสโฟลิพิดที่มีสมบัติเป็นแอมฟิฟิลิก (มีทั้งส่วนที่เป็นไฮโดรโฟบิกและไฮโดรฟิลิก) ด้วยเหตุนี้จึงถูกเรียกว่าฟอสโฟลิพิดไบแลร์ (phospholipid bilayer) หรืออาจเรียกว่าฟลูอิดโมเซอิคเมมเบรน (fluid mosaic membrane) มีโครงสร้างระดับมหโมเลกุลที่เรียกว่าพอโรโซม (porosome) เป็นทางผ่านเอนกประสงค์สำหรับการหลั่งสารของเซลล์ และมีโมเลกุลของโปรตีนจำนวนมากทำหน้าที่เป็นทั้งช่องทางผ่านและปั๊มสำหรับเคลื่อนสารเข้าและออกจากเซลล์[4] เยื่อหุ้มเซลล์ยอมให้สารบางอย่างผ่าน โดยให้สสาร (เช่นโมเลกุลหรือไอออน) ผ่านได้อย่างอิสระ, ผ่านได้ในจำนวนที่จำกัด, หรือผ่านไม่ได้เลยแม้แต่น้อย นอกจากนี้ผิวนอกของเยื่อหุ้มเซลล์ยังมีโปรตีนตัวรับ (receptor protein) ที่ทำให้เซลล์สามารถตรวจจับโมเลกุลสื่อสัญญาณเช่น ฮอร์โมน
ไซโทสเกเลตันทำหน้าที่จัดและรักษารูปร่างของเซลล์; ยึดออร์แกเนลล์ให้อยู่กับที่, ช่วยให้เกิดกระบวนการเอนโดไซโทซิสที่ทำให้เซลล์สามารถรับสารเข้ามาได้, และกระบวนการไซโทไคนีซิสซึ่งเป็นกระบวนการแยกเซลล์ลูกหลังจากการแบ่งเซลล์; และเคลื่อนส่วนของเซลล์ในระหว่างการเจริญเติบโตและการเคลื่อนที่ ไซโทสเกเลตันของยูแคริโอตประกอบด้วยไมโครฟิลาเมนต์, อินเทอร์มีเดียทฟิลาเมนต์, และไมโครทิวบูล อินเทอร์มีเดียตฟิลาเมนต์ของเซลล์ประสาทเรียกว่านิวโรฟิลาเมนต์ (neurofilament) โดยมีโปรตีนเข้ามาช่วยการทำงานทั้งการกำกับ, รวมกลุ่ม, และจัดเรียง[4] ไซโทสเกเลตันในโพรแคริโอตยังไม่มีการศึกษาอย่างกระจ่างนัก แต่มีความเกี่ยวข้องกับรูปร่าง, ขั้วเซลล์ (polarity), และการแบ่งเซลล์ (cytokinesis)[19] โปรตีนที่เป็นหน่วยย่อยของไมโครฟิลาเมนต์มีขนาดเล็กและเป็นโมโนเมอริกโปรตีน (monomeric protein) เรียกว่าแอกติน โปรตีนที่เป็นหน่วยย่อยของไมโครทิวบูลเป็นโมเลกุลไดเมอร์ (dimeric protein) ที่เรียกว่าทูบิวลิน สำหรับอินเทอร์มีเดียตฟิลาเมนต์เป็นเฮเทอโรโพลีเมอร์ (heteropolymer) ซึ่งมีหน่วยย่อยต่างกันไปตามชนิดของเซลล์ที่อยู่ในเนื้อเยื่อต่าง ๆ โปรตีนหน่วยย่อยของอินเทอร์มีเดียทฟิลาเมนต์มีได้ตั้งแต่ไวเมนทิน, เดสมิน, ลามิน (ลามินเอ, บี, และซี), เคอราทิน (ทั้งที่มีสมบัติเป็นกรดและเบสหลายชนิด), โปรตีนนิวโรฟิลาเมนต์ (NF–L, NF–M)
สารพันธุกรรมมีอยู่สองรูปแบบที่แตกต่างกันคือ กรดดีออกซีไรโบนิวคลิอิก (ดีเอ็นเอ) และกรดไรโบนิวคลิอิก (อาร์เอ็นเอ) เซลล์ใช้ดีเอ็นเอเป็นแหล่งเก็บข้อมูลทางชีวภาพในระยะยาว โดยข้อมูลจะถูกเข้ารหัสอยู่ในลำดับของดีเอ็นเอ[4] อาร์เอ็นเอใช้สำหรับขนส่งข้อมูล (เช่นเอ็มอาร์เอ็นเอ) และทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ (เช่นไรโบโซมัลอาร์เอ็นเอ) สำหรับทรานส์เฟอร์อาร์เอ็นเอมีหน้าที่เพิ่มกรดอะมิโนระหว่างกระบวนการแปลรหัสโปรตีน
สารพันธุกรรมของโพรแคริโอตจัดตัวเป็นวงกลมอยู่ในบริเวณนิวคลีออยด์ของไซโทพลาซึม และสารพันธุกรรมของยูแคริโอตจัดตัวเป็นเส้นที่แตกต่างกัน[4] เรียกว่าโครโมโซม อยู่ภายในนิวเคลียส โดยอาจพบสารพันธุกรรมอยู่ภายในออร์แกเนลล์เช่นไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ (ดู − ทฤษฎีเอนโดซิมไบโอติก)
เซลล์ของมนุษย์มีสารพันธุกรรมที่ถุกบรรจุอยู่ในนิวเคลียส (nuclear genome) และในไมโทคอนเดรีย (mitocondrial genome) ในมนุษย์ จีโนมในนิวเคลียสถูกแบ่งออกเป็นโมเลกุลดีเอ็นเอ 46 เส้นที่เรียกว่าโครโมโซม อันประกอบด้วยโฮโมโลกัสโครโมโซม 22 คู่ และโครโมโซมเพศหนึ่งคู่ จีโนมของไมโทคอนเดรียเป็นโมเลกุลดีเอ็นเอแบบวงกลมซึ่งต่างจากดีเอ็นเอในนิวเคลียส[4] แม้ว่าดีเอ็นเอของไมโทคอนเดรียจะมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับโครโมโซมในนิวเคลียส แต่ก็เก็บรหัสสำหรับโปรตีน 13 ชนิดที่เกี่ยวข้องกับการสร้างพลังงานของไมโทคอนเดรีย และทีอาร์เอ็นเอบางชนิด
สารพันธุกรรมแปลกปลอม (ส่วนมากเป็นดีเอ็นเอ) สามารถถูกนำเข้าสู่เซลล์ได้ด้วยกระบวนการทรานส์แฟกชัน (transfaction) โดยอาจอยู่ได้ชั่วคราวหากดีเอ็นเอไม่ถูกแทรกเข้าจีโนม หรือเสถียรหากแทรกตัวเข้าไปแแล้ว ไวรัสบางชนิดสามารถแทรกสารพันธุกรรมของมันเข้าสู่จีโนมของเจ้าบ้านได้
ออร์แกเนลล์เป็นส่วนหนึ่งของเซลล์ที่ปรับตัวและ/หรือพัฒนาไปทำหน้าที่สำคัญ เปรีบยได้กับอวัยวะ (organ) ของร่างกายมนุษย์เช่นหัวใจ, ไต, และตับ โดยแต่ละอวัยวะมีหน้าที่ต่างกันออกไป[4] ทั้งโพรแคริโอตและยูแคริโอตมีออร์แกเนลล์ แต่ออร์แกเนลล์ของโพรแคริโอตมีความซับซ้อนน้อยกว่าและไม่มีเยื่อหุ้มออร์แกเนลล์
ออร์แกเนลล์มีอยู่หลายชนิด บางชนิดพบแยกอยู่เดี่ยว ๆ (เช่น นิวเคลียสและกอลไจแอปพาราตัส) ในขณะที่บางชนิดพบได้จำนวนมาก ตั้งแต่หลายร้อยถึงหลายพัน (เช่น ไมโคอนเดรีย, คลอโรพลาสต์, เพอรอกซิโซม, และไลโซโซม) ไซโทซอลเป็นของเหลวคล้ายวุ้นที่เติมเต็มช่องว่างในเซลล์และล้อมรอบออร์แกเนลล์
เซลล์หลายชนิดมีโครงสร้างที่อยู่ภายนอกเยื่อหุ้มเซลล์ทั้งหมดหรือแต่เพียงบางส่วน โครงสร้างเหล่านี้ค่อนข้างเด่นชัดเนื่องจากมันไม่ได้รับการปกป้องจากสภาพแวดล้อมภายนอกโดยเยื่อหุ้มเซลล์ที่เป็นเยื่อเลือกผ่าน องค์ประกอบของโครงสร้างเหล่านี้จำต้องมีกระบวนการส่งออกข้ามเยื่อหุ้มเซลล์สำหรับการประกอบเป็นโครงสร้างต่อไป
เซลล์โพรแคริโอตและยูแคริโอตหลายชนิดมีผนังเซลล์ที่ทำหน้าที่ปกป้องเซลล์จากสิ่งแวดล้อมทั้งเชิงกลและเชิงเคมี และเป็นชั้นเสริมการป้องกันให้กับเยื่อหุ้มเซลล์ เซลล์ต่างชนิดกันมีผนังเซลล์ที่องค์ประกอบต่างกันออกไปเช่น เซลล์พืชมีผนังเซลล์ที่ประกอบขึ้นจากเซลลูโลส, ผนังเซลล์ของเห็ดราที่ประกอบขึ้นจากไคทิน, และผนังเซลล์ของแบคทีเรียที่ประกอบขึ้นจากเพปทิโดไกลแคน
แคปซูลเจลาตินพบได้ภายนอกเยื่อหุ้มเซลล์และผนังเซลล์ของแบคทีเรียบางชนิด แคปซูลอาจเป็นได้ทั้งพอลิแซ็กคาไรด์เช่นใน pneumococci และ meningococci, เป็นพอลิเพปไทด์ดังเช่น Bacillus anthracis, หรือเป็นกรดไฮยาลูรอนิกดังที่พบใน streptococci แคปซูลไม่สามารถทำให้เด่นชัดได้ด้วยกระบวนการย้อมตามปกติ สีย้อมที่ใช้สำหรับตรวจหาแคปซูลเช่นอินเดียอิงค์, เมทิลบลู ทำให้แคปซูลมีความแตกต่าง (contrast) จากเซลล์มากพอที่จะทำการส่องภายใต้กล้องจุลทรรศน์ได้[21]: 87
แฟลเจลลาเป็นออร์แกเนลล์สำหรับการเคลื่อนไหวในระดับเซลล์ แฟลเจลลาของแบคทีเรียยืดออกมาจากไซโทพลาซึมผ่านเยื่อหุ้มเซลล์และโผล่ออกทางผนังเซลล์ แฟลเจลลาเป็นรยางคล้ายเส้นด้ายที่ยาวและหนา ประกอบขึ้นจากโปรตีน ชนิดของแฟลเจลลาต่างกันออกไปในอาร์เคียและยูแคริโอต
ฟิมเบรียเป็นฟิลาเมนต์คล้ายเส้นผมที่สั้นและบาง พบบนผิวเซลล์แบคทีเรีย ก่อตัวขึ้นจากโปรตีนที่เรียกว่าพิลิน (pilin) และมีความเกี่ยวข้องกับการจับตัวของแบคทีเรียกับตัวรับที่จำเพาะบนผิวเซลล์ของมนุษย์ และยังมีพิไลชนิดพิเศษที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการคอนจูเกชันในแบคทีเรีย
การแบ่งเซลล์เกี่ยวข้องกับการที่เซลล์หนึ่งแบ่งตัวออกเป็นเซลล์ลูกสองเซลล์ ซึ่งนำไปสู่การเจริญเติบโตของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ (การเจริญของเนื้อเยื่อ) และการสืบพันธุ์ (แบบไม่อาศัยเพศ) ในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว เซลล์โพรแคริโอตแบ่งตัวด้วยกระบวนการแบ่งออกเป็นสอง (binary fission) ในขณะที่เซลล์ยูแคริโอตแบ่งผ่านกระบวนการแบ่งนิวเคลียสที่เรียกว่าไมโทซิส (mitosis) ตามด้วยกระบวนการแบ่งเซลล์ที่เรียกว่าไซโทไคนีซิส (cytokinesis) เซลล์ดิพลอยด์อาจผ่านกระบวนการไมโอซิสเพื่อผลิตเซลล์แฮพลอยด์ ที่ปกติได้เซลล์ลูกสี่เซลล์ เซลล์แฮพลอยด์ที่ได้ทำหน้าที่เป็นเซลล์สืบพันธุ์ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ โดยรวมตัวกันเป็นเซลล์ดิพลอยด์
การจำลองดีเอ็นเอ (หรือกระบวนการทำสำเนาจีโนมของเซลล์)[4] เกิดขึ้นเมื่อเซลล์แบ่งตัวผ่านกระบวนการไมโทซิสหรือการแบ่งออกเป็นสอง ในระยะ S ของวัฏจักรเซลล์
ในไมโอซิส ดีเอ็นเอถูกจำลองเพียงครั้งเดียว ในระยะที่เซลล์มีการแบ่งตัวสองครั้ง การจำลองดีเอ็นเอเกิดขึ้นก่อนระยะไมโอซิส I เท่านั้น โดยจะไม่เกิดขึ้นในการแบ่งเซลล์ระยะที่สองของระยะไมโอซิส II[22] และเช่นเดียวกับกิจกรรมอื่น ๆ ของเซลล์ การจำลองตัวเองต้องอาศัยโปรตีนที่พัฒนามาเป็นพิเศษสำหรับดำเนินกระบวนการ[4]
โดยปกติ เซลล์ของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดบรรจุเอนไซม์ที่ตรวจตราดีเอ็นเอเพื่อหาความเสียหายและดำเนินกระบวนการซ่อมแซมเมื่อตรวจพบ[23] สิ่งมีชีวิตตั้งแต่แบคทีเรียจนถึงมนุษย์ได้พัฒนากระบวนการซ่อมแซมที่หลากหลาย อันเป็นสิ่งที่ระบุได้ถึงความสำคัญของการบำรุงรักษาดีเอ็นเอให้อยู่ในสภาวะปกติเพื่อหลีกเลี่ยงการตายของเซลล์หรือความผิดพลาดในกระบวนการจำลองตัวเองที่เป็นผลมาจากความเสียหายของดีเอ็นเอ ซึ่งอาจนำไปสู่การกลายพันธ์ (mutation) แบคทีเรีย E. coli เป็นตัวอย่างหนึ่งของสิ่งมีชีวิตที่เป็นเซลล์ (cellular organism) ที่มีการศึกษากระบวนการซ่อมแซมดีเอ็นเอที่พัฒนามาเป็นอย่างดีและหลากหลาย อันประกอบด้วย: (1) การซ่อมแซมด้วยการตัดออกของนิวคลีโอไทด์ (nucleotide excision repair) (2) การซ่อมแซมดีเอ็นเอที่มีนิวคลีโอไทด์เข้าคู่กันผิด (DNA mismatch repair) (3) การเชื่อมปลายนอนโฮโมโลกัสของดีเอ็นเอที่ขาดทั้งสองสาย (non-homologous end joining of double-strand breaks) (4) การซ่อมแซมแบบรีคอมบิเนชัน (recombinational repair) และ (5) การซ่อมแซมแบบใช้แสง (light-dependent repair, photoreactivation)
ระหว่างกระบวนการแบ่งเซลล์ที่เกิดขึ้นสืบเนื่อง เซลล์เจริญเติบโตผ่านการทำงานของกระบวนการเมแทบอลิซึมระดับเซลล์ ซึ่งเป็นกระบวนการที่แต่ละเซลล์มีการแปรรูปโมเลกุลของสารอาหาร โดยมีอยู่สองประเภทคือ แคแทบอลิซึมที่เป็นการแยกสลายโมเลกุลซับซ้อนเพื่อให้ได้พลังงานและความสามารถในการรีดิวซ์ (reducing power) และแอแนบอลิซึมซึ่งเซลล์ใช้พลังงานและความสามารถในการรีดิวซ์เพื่อสร้างโมเลกุลซับซ้อนแล[[ะดำเนินกระบวนการทางชีววิทยาอื่น ๆ น้ำตาลเชิงซ้อนที่สิ่งมีชีวิตบริโภคเข้าไปสามารถถูกย่อยสลายเป็นโมเลกุลน้ำตาลอย่างง่ายที่เรียกว่ามอโนแซ็กคาไรด์]] (monosaccharide) เช่นกลูโคส ที่เมื่ออยู่ภายในเซลล์จะถูกแยกสลายไปอีก เพื่อสร้างอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (adenosine triphosphate, ATP)[4] อันเป็นโมเลกุลเป็นแหล่งพลังงานพร้อมใช้งานของเซลล์ ผ่านสองวิถีที่แตกต่างกัน
เซลล์มีความสามารถในการสังเคราะห์โปรตีนขึ้นมาใหม่ โปรตีนที่สร้างใหม่นี้มีความจำเป็นต่อการปรับสภาพและบำรุงรักษากิจกรรมต่าง ๆ ภายในเซลล์ การสังเคราะห์โปรตีนเกี่ยวข้องกับการก่อตัวของโมเลกุลโปรตีนขึ้นจากหน่วยย่อยกรดอะมิโนที่มีพื้นฐานมาจากข้อมูลที่ถูกเข้ารหัสอยู่ในดีเอ็นเอและอาร์เอ็นเอ โดยทั่วไปการสังเคราะห์โปรตีนประกอบด้วยสองขั้นตอนใหญ่คือ การถอดรหัสและการแปลรหัส
การถอดรหัสเป็นกระบวนการซึ่งข้อมูลทางพันธุกรรมในดีเอ็นเอถูกใช้เพื่อสร้างสายอาร์เอ็นเอคู่สม (complimentary RNA) ซึ่งจะถูกนำผ่านกระบวนการที่ทำให้ได้เอ็มอาร์เอ็นเอ (messenger RNA, mRNA) ที่สามารถเคลื่อนย้ายได้อย่างอิสระทั่วเซลล์ โมเลกุลเอ็มอาร์เอ็นเอเข้าจับกับองค์ประกอบของโปรตีน-อาร์เอ็นเอที่เรียกว่าไรโบโซม ซึ่งพบในไซโทซอลอันเป็นที่ซึ่งเอ็มอาร์เอ็นเอถูกแปลรหัสไปเป็นลำดับพอลิเพปไทด์ ไรโบโซมควบคุมการก่อตัวของลำดับพอลิเพปไทด์ที่มีพื้นมาจากเอ็มอาร์เอ็นเอ ลำดับของเอ็มอาร์เอ็นเอสัมพันธ์โดยตรงกับลำดับพอลิเพปไทด์ด้วยการเข้าจับกับทรานส์เฟอร์อาร์เอ็นเอ (transfer RNA, tRNA) ที่เป็นโมเลกุลตัวแปลง ในช่องสำหรับเข้าจับในไรโบโซม สายพอลิเพปไทด์ที่สร้างใหม่จะพับตัวเป็นโปรตีนสามมิติที่พร้อมทำงานต่อไป
การเคลื่อนไหว สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวสามารถเคลื่อนที่เพื่อหาอาหารและหนีจากผู้ล่า กลไกการเคลื่อนไหวมักเกี่ยวข้องกับซิเลียและแฟลเจลลา
ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ เซลล์สามารถเคลื่อนที่ระหว่างกระบวนการเช่น การรักษาบาดแผล, การตอบสนองทางภูมิคุ้มกัน และการแพร่กระจายของเซลล์มะเร็ง อย่างในการรักษาบาดแผล เซลล์เม็ดเลือดขาวเคลื่อนที่ไปยังบาดแผลเพื่อฆ่าจุลชีพที่อาจก่อให้เกิดการติดเชื้อ การเคลื่อนไหวของเซลล์เกี่ยวข้องกับโปรตีนหลายชนิดที่ทำหน้าที่เป็นตัวรับ, ตัวเชื่อมโยง, รวมกลุ่ม, ประสาน, ยึดติด, ขับเคลื่อน, และอื่นๆ[24] การเคลื่อนไหวประกอบด้วยสามขั้นตอนคือ การยื่นขอบนำทาง (leading edge) ของเซลล์, การยึดติดกับพื้นผิวของขอบนำและการปล่อยตัวจากพื้นผิวของตัวและส่วนท้ายของเซลล์, และการหดตัวของไซโทสเกเลตันเพื่อดึงเซลล์ไปข้างหน้า แต่ละขั้นตอนขับเคลื่อนด้วยแรงเชิงกลที่เกิดจากส่วนที่แตกต่างกันของไซโทสเกเลตัน[25][26]
ในเดือนสิงหาคม ค.ศ. 2020 นักวิทยาศาสตร์ได้อธิบายว่าเซลล์วิถีเดียว (one way cell, ค้นพบจากเซลล์ของราเมือกและเซลล์มะเร็งตับอ่อนของหนู) มีความสามารถในการนำทางภายในร่างกายและการระบุเส้นทางที่ดีสุดผ่านเขาวงกตที่ซับซ้อน โดยสร้างระดับขั้นความเข้มข้น (gradient) ผ่านการแยกสลายสารเคโมแอดแทรกแตนท์ (chemoattractant) ที่ละลายอยู่ในตัวกลาง ซึ่งทำให้เซลล์สามารถรับรู้ถึงแยกในเขาวงกตก่อนที่จะไปถึง รวมไปถึงตามมุมต่าง ๆ ด้วย[27][28][29]
สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์คือสิ่งมีชีวิตที่ประกอบขึ้นจากเซลล์หลาย ๆ เซลล์ ตรงกันข้ามกับสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว[30]
ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ที่ซับซ้อน เซลล์มีการพัฒนาไปเป็นหลายประเภทที่แตกต่างกันตามหน้าที่ที่จำเพาะ ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ชนิดหลัก ๆ ของเซลล์คือ เซลล์ผิวหนัง, เซลล์กล้ามเนื้อ, เซลล์ประสาท, เซลล์เม็ดเลือด, ไฟโบรบลาสต์, สเต็มเซลล์, และอื่น ๆ เซลล์ต่างชนิดกันมักมีรูปร่างและการทำงานที่ต่างกันจากการแสดงออกที่ต่างกันของยีนที่เซลล์บรรจุไว้ แต่กระนั้นก็ยังเหมือนกันในทางพันธุกรรม โดยมีจีโนไทป์ที่เหมือนกัน
เซลล์แต่ละชนิดที่แตกต่างกันล้วนมีพัฒนามาจากเซลล์ต้นกำเนิดเพียงเซลล์เดียวที่เรียกว่าไซโกต ซึ่งพัฒนาไปเป็นเซลล์หลายร้อยชนิดที่แตกต่างกันระหว่างกระบวนการพัฒนาไซโกต การพัฒนาไปทำหน้าที่เฉพาะ (differentiation) ถูกขับเคลื่อนด้วยปัจจัยจากสิ่งแวดล้อม (เช่น การมีปฏิสัมพันธ์กับเซลล์ข้างเคียง) และจากความแตกต่างภายในเซลล์ (เช่น ที่เกิดจากการกระจายของโมเลกุลที่ไม่เท่ากันระหว่างกระบวนการแบ่งเซลล์)
การมีหลายเซลล์มีการพัฒนาขึ้นอย่างเป็นอิสระต่อกันอย่างน้อย 25 ครั้ง[31] รวมถึงในโพรแคริโอตเช่น ไซยาโนแบคทีเรีย, myxobacteria, actinomycetes, Magnetoglobus multicellularis, หรือ Methanosarcina อย่างไรก็ตาม สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ที่มีความซับซ้อนพัฒนาขึ้นในยูแคริโอตเพียงหกกลุ่ม: สัตว์, เห็ดรา, สาหร่ายสีน้ำตาล, สาหร่ายสีแดง, สาหร่ายสีเขียว, และพืช[32] พบว่ามีการวิวัฒน์ขึ้นซ้ำไปมาในพืช (Chloroplastida), หนึ่งหรือสองครั้งในสัตว์, หนึ่งครั้งในสาหร่ายสีน้ำตาล, และอาจหลายครั้งในเห็ดรา, ราเมือก, และสาหร่ายสีแดง[33] การมีหลายเซลล์อาจวิวัฒน์ขึ้นจากโคโลนี (colony) ของสิ่งมีชีวิตที่พึ่งพาระหว่างกัน, การแบ่งออกเป็นเซลล์ (cellularisation), หรือจากสิ่งมีชีวิตที่มีความสัมพันธ์แบบอยู่ร่วมกัน (symbiotic relationship)
หลักฐานแรกของการมีหลายเซลล์มาจากสิ่งมีชีวิตคล้ายไซยาโนแบคทีเรียที่มีชีวิตอยู่ระหว่าง 3 ถึง 3.5 พันล้านปีที่แล้ว[31] ฟอสซิลอื่นของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ยุคแรกมีทั้ง Grypania spiralis (ที่ยังคงมีการโต้แย้งกันอยู่) และฟอสซิลในหินดินดานสีดำจาก Francevillian Group Fossil B Formation ในกาบอง[34]
วิวัฒนาการของการมีหลายเซลล์จากบรรพบุรุษที่มีเซลล์เดียวได้มีการจำลองในห้องปฏิบัติการ เป็นการทดลองเกี่ยวกับวิวัฒนาการที่ใช้การล่าเหยื่อเป็นปัจจัยกดดัน (selective pressure) [31]
มีอยู่หลายทฤษฎีเกี่ยวกับโมเลกุลขนาดเล็กที่นำไปสู่สรรพชีวิตในโลกยุคแรก ซึ่งอาจถูกนำมาที่โลกด้วยอุกกาบาต (ดูเพิ่มที่อุกกาบาตเมอร์ชิสัน), ถูกสร้างขึ้นที่ปล่องน้ำร้อนใต้ทะเลลึก, หรืออาจถูกสังเคราะห์ด้วยฟ้าผ่าในบรรยากาศรีดิวซ์ (ดูเพิ่มที่การทดลองของมิลเลอร์–อูเรย์) มีข้อมูลจากการทดลองน้อยมากที่สามารถให้นิยามว่า "รูปแบบ" แรกที่สามารถจำลองตัวเองได้คืออะไร แต่เชื่อว่าอาร์เอ็นเออาจเป็นโมเลกุลจำลองตัวเองได้รูปแบบแรกสุด จากความสามารถในการจัดเก็บข้อมูลทางพันธุกรรมและการเร่งปฏิกิริยาเคมี (ดูเพิ่มที่ทฤษฎีโลกของอาร์เอ็นเอ) ทั้งนี้ตัวตน (entity) ที่มีศักยภาพในการจำลองตัวเองอาจมีอยู่ก่อนหน้าอาร์เอ็นเอแล้ว เช่นมอนต์มอริลโลไนต์และกรดเพปไทด์นิวคลิอิก[35]
เซลล์ปรากฏขึ้นเมื่อ 3.5 พันล้านปีที่แล้ว[10][11][12] ในปัจจุบันเชื่อว่าเซลล์ที่เกิดขึ้นมาในยุคนั้นเป็นเฮเทอโรทรอพ (heterotroph) เยื่อหุ้มเซลล์มีความเป็นไปได้ว่าจะซับซ้อนน้อยกว่าและยอมให้สารผ่านเข้าออกได้ง่ายกว่าในยุคปัจจุบัน ด้วยการมีกรดไขมันเพียงสายเดียวต่อลิพิด จากที่ทราบกันว่าลิพิดจัดตัวเป็นเวสิเคิลเยื่อไขมันแบบสองชั้นในทันทีเมื่ออยู่ในน้ำ และอาจมีมาก่อนอาร์เอ็นเอ แต่เยื่อหุ้มเซลล์แบบแรก ๆ อาจถูกสร้างขึ้นโดยอาร์เอ็นเอที่เร่งปฏิกิริยาเคมีได้ และอาจต้องอาศัยโปรตีนโครงสร้างสำหรับการก่อตัว[36]
เซลล์ยูแคริโอตอาจวิวัฒน์ขึ้นมาจากกลุ่มสังคมเอนโดซิมไบโอซิสของเซลล์โพรแคริโอต ออร์แกเนลล์ที่บรรจุดีเอ็นเอเช่นไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ สืบเชื้อมาจากโพรทีโอแบคทีเรียโบราณและไซยาโนแบคทีเรียที่หายใจโดยใช้ออกซิเจนตามลำดับ และถูกควบรวมให้เข้ามาอาศัยในเซลล์บรรพบุรุษที่เป็นอาร์เคีย
ปัจจุบันยังคงมีข้อถกเถียงกันว่าออร์แกเนลล์อย่างเช่นไฮโดรเจโนโซมมีมาก่อนกำเนิดของไมโทคอนเดรียหรือว่าเป็นไปในทางกลับกัน (ดูเพิ่มที่ สมมติฐานไฮโดรเจน สำหรับต้นกำเนิดของเซลล์ยูแคริโอต)
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
