เซลล์ในจานเพาะเชื้อ ซึ่งถูกย้อมสีไว้ให้เห็นคีราติน (สีแดง) และ ดีเอ็นเอ (สีเขียว)ในทางชีววิทยา เซลล์ (cell) เป็นโครงสร้างและหน่วยทำงานที่เล็กที่สุดของสิ่งมีชีวิตแทบทุกชนิด ในบางครั้งอาจเรียกว่า หน่วยที่เป็นองค์ประกอบของชีวิต ("building blocks of life") สิ่งมีชีวิตบางชนิด เช่น แบคทีเรีย ประกอบด้วยเซลล์เพียง 3 เซลล์ (unicellular) แต่สัตว์หลายชนิด เช่น มนุษย์เป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ (multicellular) (มนุษย์มีเซลล์อยู่ประมาณ 100 ล้านล้าน หรือ 1014 เซลล์)
ทฤษฎีเซลล์ถูกพัฒนาขึ้นครั้งแรกในปีพ.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 ห้องเล็กๆ ผู้ตั้งชื่อนี้คือโรเบิร์ต ฮุก (Robert Hooke) เมื่อเขาเปรียบเทียบเซลล์ของไม้คอร์กเหมือนกับห้องเล็กๆ ซึ่งเป็นที่อยู่ของพระ
คุณสมบัติของเซลล์
เซลล์ของหนูในจานเพาะเชื้อ เซลล์เหล่านี้กำลังขยายขนาดใหญ่ขึ้น แต่ละเซลล์มีขนาดประมาณ 10 โมโครเมตรแต่ละเซลล์มีองค์ประกอบและดำรงชีวิตได้ด้วยตัวของมันเอง โดยการนำสารอาหารเข้าไปในเซลล์และเปลี่ยนสารอาหารให้กลายเป็นพลังงานเพื่อการดำรงชีวิตและการสืบพันธุ์ เซลล์มีความสามารถหลายอย่างดังนี้:
เพิ่มจำนวนโดยการแบ่งเซลล์
เมแทบอลิซึมของเซลล์ (cell metabolism) ประกอบด้วย การลำเลียงวัตถุดิบเข้าเซลล์, การสร้างส่วนประกอบของเซลล์, การสร้างพลังงานและโมเลกุล และปล่อยผลิตภัณฑ์ออกมา การทำงานของเซลล์ขึ้นกับความสามารถในการสกัดและใช้พลังงานเคมีที่สะสมในโมเลกุลของสารอินทรีย์ พลังงานเหล่านี้จะได้จากวิถีเมแทบอลิซึม (metabolic pathway)
การสังเคราะห์โปรตีนเพื่อใช้ในระบบการทำงานของเซลล์ เช่น เอนไซม์ โดยเฉพาะเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมจะมีโปรตีนต่าง ๆ ถึง 10,000 ชนิด
ตอบสนองต่อสิ่งกระตุ้นทั้งภายนอกและภายใน เช่น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ pH หรือระดับอาหาร.
การขนส่งของเวสิเคิล (vesicle)
ประเภทของเซลล์
ภาพเปรียบเทียบเซลล์ยูแคริโอต (eukaryotes) และเซลล์โพรแคริโอต (prokaryotes) - รูปนี้แสดงเซลล์มนุษย์ (ยูแคริตโอต) และ เซลล์แบคทีเรีย (โพรแคริโอต) ด้านซ้ายแสดงโครงสร้างภายในของเซลล์ยูแคริโอต ซึ่งประกอบด้วย นิวเคลียส (สีฟ้า) , นิวคลีโอลัส (สีน้ำเงิน) , ไมโทคอนเดรีย (สีส้ม) , และไรโบโซม (สีน้ำเงินเข้ม) รูปทางขวาแสดงดีเอ็นเอของแบคทีเรีย ที่อยู่ในโครงสร้างที่เรียกว่า นิวคลิออยด์ (สีฟ้าอ่อน) และโครงสร้างอื่นๆ ที่พบในเซลล์โพรแคริโอต ซึ่งประกอบด้วย เยื่อหุ้มเซลล์ (สีดำ) , ผนังเซลล์ (สีน้ำเงิน) , แคปซูล (สีส้ม) , ไรโบโซม (สีน้ำเงินเข้ม) , แฟลกเจลลัม (สีดำ)วิธีการจัดกลุ่มเซลล์ไม่ว่าเซลล์นั้นจะอยู่ตามลำพังหรืออยู่เป็นกลุ่ม ได้แก่ สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว (unicellular) ซึ่งดำรงชีวิตเพื่อความอยู่รอด จนไปถึงการอยู่รวมกันเป็นกลุ่มที่เรียกว่า โคโลนี (colonial forms) หรือ สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ (multicellular) ซึ่งเซลล์เหล่านี้จะกลายเป็นเซลล์เฉพาะทางที่แตกต่างกันหลายรูปแบบ เช่น เซลล์ต่างๆ ในร่างกายมนุษย์
โดยสรุป เซลล์สามารถแบ่งได้เป็น 2 รูปแบบคือ
โพรแคริโอต (prokaryote) เป็นเซลล์ที่มีโครงสร้างอย่างง่าย อาจอยู่เป็นเซลล์เดี่ยวๆ หรือรวมกลุ่มเป็นโคโลนี (Colony) ในการจำแนกชั้นทางวิทยาศาสตร์แบบระบบสามโดเมน (three-domain system) ได้จัดโพรแคริโอตอยู่ในโดเมนอาร์เคีย (Archaea) และแบคทีเรีย (Eubacteria)
ยูแคริโอต (eukaryote) เป็นเซลล์ที่มีออร์แกเนลล์ (organelle) และผนังของออร์แกเนลล์ มีตั้งแต่เซลล์เดียวเช่น อะมีบา (amoeba) และเห็ดรา (fungi) หรือเป็นสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ เช่นพืชและสัตว์รวมทั้งสาหร่ายสีน้ำตาล
ส่วนประกอบย่อยของเซลล์
ภาพเซลล์โดยสัตว์ทั่วไป ประกอบด้วยออร์แกเนลล์ต่าง ๆ ดังนี้ (1) นิวคลีโอลัส, (2) นิวเคลียส, (3) ไรโบโซม, (4) เวสิเคิล, (5) เอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบผิวขรุขระ, (6) กอลจิแอปพาราตัส, (7) ระบบเส้นใยของเซลล์, (8) เอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบผิวเรียบ, (9) ไมโทคอนเดรีย, (10) แวคิวโอล, (11) ไซโทพลาซึม, (12) ไลโซโซม, (13) เซนทริโอล
ภาพเซลล์พืชทั่วไป แสดงส่วนประกอบย่อยของเซลล์ (ดูตาราง 2 แสดงการเปรียบเทียบระหว่างเซลล์พืชและสัตว์)เซลล์ทุกชนิดไม่ว่าจะเป็นโพรแคริโอตหรือยูแคริโอตจะต้องมีเยื่อหุ้มเซลล์ (cell membrane) ทำหน้าที่ห่อหุ้มเซลล์เสมอ เพื่อแยกส่วนประกอบภายในเซลล์ออกจากสิ่งแวดล้อม เป็นการควบคุมการขนส่งสารเข้าออกเซลล์ และเพื่อรักษาความต่างศักย์ทางไฟฟ้าของเซลล์ (cell potential) ภายในเยื่อหุ้มเซลล์จะประกอบไปด้วย ไซโทพลาซึมที่มีสภาพเป็นเกลือ และเป็นเนื้อที่ส่วนใหญ่ของเซลล์ ภายในเซลล์จะมี ดีเอ็นเอ หน่วยพันธุกรรมของเซลล์หรือยีน และ อาร์เอ็นเอชึ่งจะมีข้อมูลที่จำเป็นในการถ่ายทอดพันธุกรรม รวมทั้งโปรตีนต่างๆ เช่น เอนไซม์ นอกจากนี้ภายในเซลล์ก็ยังมีสารชีวโมเลกุล (biomolecule) ชนิดต่างๆ อีกมากมาย
เยื่อหุ้มเซลล์ - ส่วนหุ้มและปกป้องเซลล์ไซโทพลาซึมของเซลล์ประเภทยูแคริโอตจะถูกห้อมล้อมด้วยส่วนที่เรียกว่า เยื่อหุ้มเซลล์ หรือ พลาสมา เมมเบรน (cell membrane หรือ plasma membrane) พลาสมาเมมเบรนจะพบในเซลล์ประเภทโพรแคริโอตด้วย เยื่อนี้จะทำหน้าที่แยกและปกป้องเซลล์จากสิ่งแวดล้อมรอบข้าง ส่วนใหญ่แล้วถูกสร้างขึ้นจากชั้นของลิพิดสองชั้น หรือ ลิพิด ไบเลเยอร์ (lipid bilayer) และโปรตีน ภายในเยื่อจะมีโมเลกุลหลากชนิดที่ทำหน้าที่เป็นทั้งช่องทางผ่านของสารและ ปั๊ม (channels and pumps) เพื่อทำหน้าที่เฉพาะในการขนส่งโมเลกุลเข้าหรือออกจากเซลล์
ไซโทสเกเลตอน (cytoskeleton) - ส่วนที่เป็นโครงสร้างของเซลล์ไซโทสเกเลตอนเป็นโครงสร้างที่สำคัญ ซับซ้อน และเคลื่อนไหวเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา มีบทบาทในการจัดรูปแบบและจัดเรียงตำแหน่งของออร์แกเนลล์ให้อยู่ในที่ที่เหมาะสม, ช่วยให้เกิดกระบวนการเอนโดไซโทซิส (endocytosis) หรือการนำสารจากภายนอกเซลล์เข้ามาในเซลล์เพื่อใช้ในกระบวนการเจริญเติบโตและการเคลื่อนไหว, บทบาทในการทำงานของกล้ามเนื้อ, และมีโปรตีนจำนวนมากมายในไซโทสเกลเลตอนที่ควบคุมโครงสร้างของเซลล์
ไซโทสเกเลตอน แบ่งออกได้เป็น 3 ชนิดตามขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง ได้แก่ ไมโครทูบูล (Microtubule) , อินเทอร์มีเดียท ฟิลาเมนท์ (Intermediate Filament) และ ไมโครฟิลาเมนท์ (Microfilament)
สารพันธุกรรม (Genetic Material)สารพันธุกรรมแตกต่างกันสองชนิดคือ :
ดีเอ็นเอ (deoxyribonucleic acid-DNA)
อาร์เอ็นเอ (ribonucleic acid-RNA)
รหัสพันธุกรรม (Genetic code) ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเป็นข้อมูลทางพันธุกรรมของเซลล์ซึ่งเก็บอยู่ในรูปดีเอ็นเอหรืออาร์เอ็นเอ สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ใช้ดีเอ็นเอสำหรับเก็บข้อมูลทางพันธุกรรม แต่ไวรัสบางชนิด เช่น รีโทรไวรัส (retrovirus) มีอาร์เอ็นเอเป็นสารพันธุกรรม อาร์เอ็นเอนอกจากจะเป็นสารพันธุกรรมแล้วยังทำหน้าที่เป็นสารที่ขนถ่ายข้อมูลด้วย ได้แก่ เมสเซนเจอร์ อาร์เอ็นเอ หรือ (mRNA) และอาจทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ได้โดยเฉพาะในเซลล์ที่มีอาร์เอ็นเอเป็นสารพันธุกรรม ได้แก่ ไรโบโซมัล อาร์เอ็นเอ หรือ (rRNA)
สารพันธุกรรมของพวกโปรคาริโอต จะถูกจัดอยู่ในโมเลกุลของดีเอ็นเอรูปวงกลมง่ายๆ เช่น ดีเอ็นเอของแบคทีเรียซึ่งอยู่ในบริเวณนิวคลอยด์ (nucleoid region) ของไซโตพลาสซึม ส่วนสารพันธุกรรมของพวกยูคาริโอต จะถูกจัดแบ่งให้อยู่ในโมเลกุลที่เป็นเส้นตรงที่เรียกว่า โครโมโซม (chromosome) ภายในนิวเคลียส และยังพบว่ามีสารพันธุกรรมอื่นๆ 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 ถึงแม้ไมโทคอนเดรียล จีโนมจะเล็กมากแต่ก็มีรหัสสำหรับการสร้างโปรตีนที่สำคัญ
สารพันธุกรรมจากภายนอกที่สังเคราะห์ขึ้นได้เองสามารถนำไปใส่ในเซลล์ได้เราเรียกกระบวนการนี้ว่า ทรานสเฟกชัน (transfection)
: เปรียบเทียบรูปร่างของเซลล์ แบบโพรแคริโอต และแบบยูแคริโอต โพรแคริโอต ยูแคริโอต
ตัวอย่างสิ่งมีชีวิต แบคทีเรีย, อาร์เคีย โพรทิสต์, เห็ดรา, พืช, สัตว์
ขนาดตัวอย่าง ~ 1-10 ไมโครเมตร ~ 10-100 ไมโครเมตร (เซลล์สเปิร์มหากไม่นับหาง จะมีขนาดเล็กกว่านี้)
ชนิดของนิวเคลียส บริเวณนิวคลอยด์; ไม่มีนิวเคลียสแท้จริง นิวเคลียสจริง มีผนังสองชั้น
ดีเอ็นเอ วงกลม (ธรรมดา) โมเลกุล เป็นแนวตรง (โครโมโซม) และมีโปรตีนฮิสโตน
อาร์เอ็นเอ/การสังเคราะห์โปรตีน ทั้งคู่เกิดในไซโทพลาซึม อาร์เอ็นเอ-สังเคราะขึ้นภายในนิวเคลียส
สังเคราะห์โปรตีนในไซโตพลาสซึม
ขนาดไรโบโซม 50S+30S 60S+40S
โครงสร้างภายในไซโตพลาสซึม โครงสร้างเล็กมาก จัดโครงสร้างโดย เอ็นโดเมมเบรน และ ไซโตสเกเลตัน (cytoskeleton)
การเคลื่อนไหวของเซลล์ แฟกเจลลา สร้างจากโปรตีนแฟลเจลลิน (flagellin) แฟกเจลลา และ ซีเลีย สร้างจากโปรตีนทูบูลิน (tubulin)
ไมโทคอนเดรีย ไม่มี มี ตั้งแต่ หนึ่ง ถึงหลายสิบ
คลอโรพลาสต์ ไม่มี พบในสาหร่ายและพืช
การประสานงานกันระหว่างเซลล์ ปกติเป็นเซลล์เดี่ยว เซลล์เดี่ยว, เป็นโคโลนี, สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ชั้นสูงจะมีเซลล์หลายชนิดที่มีหน้าที่เฉพาะมากมาย
การแบ่งเซลล์ การแบ่งเป็นสองส่วน (simple division) ไมโทซิส
ไมโอซิส
: การเปรียบเทียบโครงสร้างของ เซลล์พืช และ เซลล์สัตว์ เซลล์สัตว์ เซลล์พืช
ออร์แกเนลล์ (Organelles) นิวเคลียส (Nucleus)
นิวคลีโอลัส (Nucleolus in nucleus)
เอนโดพลาสมิกเรติคูลัม (Endoplasmic reticulum)
