การลำเลียงสารโดยใช้พลังงาน

    โดยทั่วไปเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทั้งพืชและสัตว์จะมีความเข้มข้นภายในเซลล์สูงกว่าภายนอกเซลล์ เช่น เซลล์ของรากพืช แม้ในขณะที่ภายในเซลล์มีความเข้มข้นของสารละลายแร่ธาตุสูงกว่าภายนอก แต่เซลล์รากพืชก็ยังสามารถดูดซึมลำเลียงแร่ธาตุซึ่งละลายอยู่ในดินเข้าสู่เซลล์ได้อีก เป็นต้น เซลล์สามารถลำเลียงสารจากบริเวณที่มีความเข้มข้นของสารนั้นต่ำเข้าสู่ภายในเซลล์ซึ่งมีความเข้มข้นของสารนั้นสูงกว่าได้ ก็เพราะเซลล์ใช้พลังงานที่ได้จากการสลายสารอาหารมาใช้ในการลำเลียงสารนั่นเอง การลำเลียงโดยใช้พลังงานนี้ต้องอาศัยโปรตีนตัวพาที่มีความจำเพาะต่อสารนั้นซึ่งอยู่บนเยื่อหุ้มเซลล์ด้วย

การลำเลียงสารขนาดใหญ่

    ในกรณีที่สารขนาดใหญ่ เช่น โปรตีน หรือคาร์โบไฮเดรต เป็นต้น เป็นสารที่มีความจำเป็นต้องลำเลียงเข้าและออกจากเซลล์ แต่ไม่สารมารถผ่านชั้นไขมันหรือช่องทางโปรตีนตัวพาได้ เซลล์จึงต้องมีวิธีการที่จะจับสารเหล่านี้เข้าและออกเซลล์ โดยเยื่อหุ้มเซลล์จะเว้าเข้าไปในไซโทพลาสซึมแล้วโอบล้อมสารนั้นไว้ จนกลายเป็นถุงเล็กๆ แล้วถุงนั้นก็จะเคลื่อนที่เข้าสู้ภายในเซลล์ เรียกวิธีนำสารเข้าสู้เซลล์แบบนี้ว่า กระบวนการ เอนโดไซโทซิส(endocytosis)

ส่วนการลำเลียงสารขนาดใหญ่ออกจากเซลล์เรียกว่า กระบวนการเอกโซไซโทซิส(exocytosis) สารที่ถูกขับออกจากเซลล์จะอยู่ภายในถุงที่หุ้มไว้โดยเยื่อหุ้มเซลล์ ถุงนี้จะเคลื่อนที่ไปจนชิดติดกับเยื่อหุ้มเซลล์ แล้วเชื่อมเป็นเนื้อเดียวกับเยื่อหุ้มเซลล์แล้วจึงเปิดเป็นช่อง ผลักดันสารนั้นออกนอกเซลล์

การออสโมซิส (Osmosis) คือการเคลื่อนที่ของตัวทำละลาย (มักจะกล่าวถึงน้ำ) ผ่านเยื่อเลือกผ่านจากสารละลายที่เข้มข้นต่ำไปยังสารละลายที่เข้มข้นสูง (จำง่ายๆ น้ำมากไปน้ำน้อยและที่สำคัญต้องผ่านเยื่อเลือกผ่าน เช่น เยื่อหุ้มเซลล์ หรือกระดาษเซลโลเฟนที่เราใช่ในการทดลอง)

การออสโมซิสมีแรงดันที่เกี่ยวข้อง 2 ชนิด คือ

(1) แรงดันออสโมติก (Osmotic pressure) คือแรงดันที่เกิดขึ้นเพื่อต้านการเคลื่อนที่ของตัวทำละลายที่ผ่านเยื่อบางๆ เช่นเยื่อหุ้มเซลล์

(แรงดันออสโมติกก็คือแรงที่ใช้ต้านการเคลื่อนที่ของน้ำไม่ให้น้ำเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีน้ำมากไปยังบริเวณที่มีน้ำน้อย ดังนั้น หากมีแรงต้านการเคลื่อนที่ของน้ำไม่มาก น้ำจะเคลื่อนที่ผ่านเยื่อบางๆได้มาก (แรงต้านไม่มาก = แรงดันออสโมติกต่ำ)โดยน้ำมีแรงดันออสโมติกต่ำสุด)

(2) แรงดันเต่ง (turgor pressure) คือแรงดันที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ เกิดขึ้นเนื่องมาจากน้ำออสโมซิสเข้าไปภายในเซลล์แล้วดันให้เซลล์แต่งหรือบวมขึ้นมา เมื่อน้ำเข้าไปภายในเซลล์มากเกินไปในกรณีที่เป็นเซลล์สัตว์อาจเกิดการแตกได้ แต่หากเป็นเซลล์พืชมักจะไม่มีการแตกของเซลล์เนื่องจากมีผนังเซลล์คงรูปร่างไว้

โดยที่จุดสมดุลของการแพร่พบว่า แรงดันออสโมติกของสารละลาย = แรงดันแต่งสูงสุด

ประเภทของสารละลายจำแนกตามแรงดันออสโมติก

สารละลายที่มีความเข้มข้นต่างกันจะมีผลต่อเซลล์แตกต่างกันด้วย จึงทำให้แบ่งสารละลายที่อยู่นอกเซลล์ออกได้เป็น 3 ชนิด ตามการเปลี่ยนขนาดของเซลล์ เมื่ออยู่ภายในสารละลายนั้น คือ

1. สารละลายไฮโพโทนิก (Hypotonic solution) คือสารละลายที่มีแรงดันออสโมติกต่ำ หรือสารละลายที่มีความเข้มข้นต่ำ(มีน้ำมาก) เมื่อนำเซลล์มาแช่ในสารละลายไฮโพโทนิก น้ำจากสารละลายจะเข้าสู่เซลล์ส่งผลให้เกิดการเต่งของเซลล์หรือที่เรียกว่า Plasmoptysis 
ตัวอย่างเช่น สมมติว่านำเซลล์เม็ดเลือดแดงที่มีความเข้มข้น 0.85% ไปแช่ในสารละลาย 0.25% พบว่าน้ำจากสารละลายจะแพร่จาก0.25% ไปยัง 0.85% จนทำให้เซลล์แต่งและหากน้ำยังเข้าได้เรื่อยก็จะส่งผลให้เซลล์เม็ดเลือดแดงแตกหรือที่เรียกว่าฮีโมไลซิส (Haemolysis)

เซลล์พืชจะแตกได้หากเป็นเซลล์อ่อนๆเท่านั้นเนื่องจากผนังเซลล์ยังไม่แข็งแรง แต่หากมีผนังเซลล์แข็งแรงแล้วจะไม่แตก

2. สารละลายไฮเพอร์โทนิก (Hypertonic solution) สารละลายที่มีแรงดันออสโมติกสูง หรือสารละลายที่มีความเข้มข้นสูงแต่น้ำน้อย ดังนั้นหากนำเซลล์มาแช่ในสารละลายไฮเพอร์โทนิกจะทำให้น้ำจากเซลล์จะที่เคลื่อนที่ออกมายังสารละลายจนทำให้เซลล์เหี่ยวที่เรียกว่า plasmolysis ตัวอย่างเช่น การนำเม็ดเลือดแดงไปแช่ในสารละลายไฮเพอร์โทนิกก็จะส่งผลให้เซลล์เหี่ยว หรืออื่นๆ เช่น เมื่อนำเกลือใส่ไปในผลไม้ทิ้งไว้ซักพักจะมีน้ำไหลออกมา นั้นแสดงว่าน้ำออสโมซิสออกมาจากเซลล์ของผลไม้หรือ เมื่อเราล้างจานซักพักมือจะเหี่ยวนั้นก็เพราะว่าน้ำออกจากเซลล์ชองเราเช่นกัน

3. สารละลายไอโซโทนิก (Isotonic solution) สารละลายที่มีความเข้มข้นระหว่างภายในเซลล์และภายนอกเซลล์เท่ากัน เพราะฉะนั้นหากนำเซลล์ไปแช่ในสารละลายไอโซโทนิกจะทำให้เซลล์ไม่เปลี่ยนรูปร่าง

สารละลายไอโซโทนิกที่ควรจะจำไว้สอบเนื่องจากเซลล์เหล่านี้จะช่วยรักษาสภาพเซลล์ เช่น

1. น้ำเกลือ (Normal saline) 0.85% รักษาสภาพเม็ดเลือดแดง 

(คอยออกสอบหมอธรรมศาสตร์ด้วย)

2. น้ำเลือด (Plasma) รักษาเซลล์เม็ดเลือด

3. น้ำเหลือง (Lymph) รักษาเซลล์ร่างกาย

การแพร่ (diffusion) คือการเคลื่อนที่ของอนุภาคสารจากบริเวณที่มีความหนาแน่นสูงไปยังบริเวณที่มีความหนาแน่นของสารต่ำ โดยอาศัยพลังงานจลน์ของสารเอง (เคยออกข้อสอบเอนท์นะ)

(key word สำคัญ สารมากไปสารน้อย หรือบริเวณที่มีสารมากจะเคลื่อนที่ไปบริเวณที่มีสารน้อย)   โดยการแพร่มี 2 แบบดังนี้

1.1) การแพร่แบบธรรมดา (Simple diffusion) เป็นการแพร่ที่ไม่อาศัยตัวพา หรือตัวช่วยขนส่ง (carrier) ใดๆเลย เช่น การแพร่ของผงด่างทับทิมในน้ำจนทำให้น้ำมีสีม่วงแดงจนทั่วภาชนะ การได้กลิ่นผงแป้ง หรือ การได้กลิ่นน้ำหอม

การแพร่แบบฟาซิลิเทต (Facilitated diffusion) เป็นการแพร่ของสารผ่านโปรตีนตัวพา (Carrier) ที่ฝังอยู่บริเวณเยื่อหุ้มเซลล์โดยตรง โปรตีนตัวพา (carrier) จะทำหน้าที่คล้ายประตูเพื่อรับโมเลกุลของสารเข้าและออกจากเซลล์ การแพร่แบบนี้มีอัตราการแพร่เร็วกว่าการแพร่แบบธรรมดามาก ตัวอย่างเช่น การลำเลียงสารที่เซลล์ตับและ เซลล์บุผิวลำไส้เล็ก การแพร่แบบนี้เกิดในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตเท่านั้น

ปัจจัยที่มีผลต่อการแพร่

1.สถานะของสาร โดยแก็สมีพลังงานจลน์สูงสุดจึงมีอัตราการแพร่สูงสุด

2.สถานะของตัวกลางที่สารจะแพร่ผ่าน โดยตัวกลางที่เป็นแก็สจะมีแรงต้านน้อยที่สุดจึงทำให้มีอัตราการแพร่สูงที่สุด

3.ขนาดอนุภาคของสาร โดยอนุภาคยิ่งเล็กยิ่งมีอัตราการแพร่สูง

4.ระยะทางที่สารจะแพร่ในหนึ่งหน่วยเวลา

5.อุณหภูมิ โดยจะมีผลต่อการเพิ่มพลังงานจลน์ให้กับสารทำให้มีอัตราการแพร่เพิ่มสูงขึ้น

6.ความดัน เมื่อความดันเพิ่มสูงขึ้นจะเพิ่มความหนาแน่นให้กับสาร ส่งผลให้มีอัตราการแพร่เพิ่มสูงขึ้น

7.ความแตกต่างของความเข้มข้นสารระหว่าง 2 บริเวณ