Biology A-Level

เซลล์มีขนาดเล็กมาก ดังนั้นคุณจึงไม่สามารถมองเห็นมันได้ด้วยตาเปล่า คุณต้องใช้ กล้องจุลทรรศน์ เพื่อขยายภาพให้ใหญ่ขึ้น ประเภทแรกที่คุณจะพบคือ กล้องจุลทรรศน์แสง它将光线穿过薄薄的 สเปซิมิน (วัสดุที่คุณกำลังสังเกต) และใช้เลนส์แก้วเพื่อขยายมุมมอง

การเตรียมสไลด์และการวาดสิ่งที่เห็น

สำหรับการสังเกตสิ่งมีชีวิต คุณต้องทำ การเตรียมชั่วคราว โดยวางชิ้นส่วนบางๆ ของวัสดุบน สไลด์ แก้ว เพิ่มหยด สไทน์ (ของเหลวที่มีสีช่วยให้เห็นส่วนต่างๆ ชัดเจนขึ้น) แล้วลด เคवरสลิป บางๆ ลงไปด้านบนเพื่อแบนเรียบและป้องกันอากาศ

เมื่อคุณวาดเซลล์จากสไลด์หรือภาพถ่าย ให้ปฏิบัติตามกฎง่ายๆ ดังนี้:

• ใช้ดินสอปลายแหลมและเส้นที่ชัดเจน (ไม่มีการระบายเงา)
• วาดเฉพาะสิ่งที่คุณเห็นจริงๆ ด้วยขนาดส่วนต่างๆ ที่ถูกต้อง
• ติดป้ายชื่อส่วนต่างๆ ด้วยเส้นตรงที่ไม่ตัดกัน

การขยายและขนาดจริง

การขยาย (Magnification) บอกว่าภาพมีขนาดใหญ่กว่าวัตถุจริงกี่เท่า ไม่มีหน่วยวัด คุณหาได้โดยใช้สมการเดียว:

คุณสามารถจัดรูปสมการนี้ใหม่เพื่อหาค่าใดค่าหนึ่งจากอีกสองค่าได้:

ส่วนบนและส่วนล่างของเศษส่วน ต้องใช้หน่วยเดียวกัน เซลล์มีขนาดเล็กมาก ดังนั้นคุณจึงใช้หน่วยเล็ก:

• $1\ \text{mm} = 1000\ \text{micrometre}$ (µm)
• $1\ \text{µm} = 1000\ \text{nanometre}$ (nm)
• ดังนั้น $1\ \text{mm} = 1\,000\,000\ \text{nm}$

ตัวอย่างวิธีทำ ในภาพไมโครกราฟที่ขยาย $5000$ เท่า คลอโรพลาสต์ มีขนาด $25\ \text{mm}$ จากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง ขนาดจริงของมันคือ

สมการเดียวกันนี้ใช้ได้กับภาพวาด ภาพไมโครกราฟ (ภาพถ่ายที่ถ่ายผ่านกล้องจุลทรรศน์แสง) และ ภาพอิเล็กตรอนไมโครกราฟ (ภาพถ่ายที่ละเอียดที่สุด อธิบายด้านล่าง) ต้องแปลงเป็นหน่วยเดียวกันก่อนเสมอ แล้วจึงหาร

สเกลในตาและสเกลบนแท่น

สำหรับการวัดเซลล์จริงภายใต้กล้องจุลทรรศน์ คุณต้องใช้ สเกลในตา (eyepiece graticule) — ซึ่งเป็นสเกลเล็กๆ ภายในเลนส์ตา ส่วนแบ่งของมันไม่มีขนาดตายตัว ดังนั้นคุณต้อง **ปรับเทียบ (calibrate)**它们ก่อน (คำนวณว่าหนึ่งส่วนแบ่งมีค่าเท่ากับเท่าไหร่)

คุณใช้การปรับเทียบด้วย stage micrometer — สไลด์พิเศษที่มีสเกลที่แม่นยำ (มัก $1\ \text{mm}$ แบ่งเป็น $100$ ส่วน ดังนั้นแต่ละส่วนคือ $10\ \text{µm}$) จัดเรียงสเกลทั้งสองให้ซ้อนกัน นับจำนวนช่วง graticule ที่พอดีกับความยาวที่กำหนด แล้วหาร เมื่อปรับเทียบเสร็จแล้ว สามารถเปลี่ยนเป็นสเปซิเมนและวัด它以格尺的

ความละเอียดและความขยาย

คำสองคำนี้สับสนง่าย ผู้สอบจะให้คะแนนตามความแตกต่างของทั้งสองคำ

• ความขยาย (Magnification) คือจำนวนเท่าที่ภาพมีขนาดใหญ่กว่าวัตถุต้นแบบ
• ความละเอียด (Resolution) คือระยะทางน้อยที่สุดระหว่างจุดสองจุดที่ยังทำให้คุณมองเห็นเป็น สอง จุดแยกต่างหากได้

การทำให้ภาพใหญ่ขึ้นไม่จำเป็นต้องแสดงรายละเอียดมากขึ้นเสมอไป เมื่อผ่านจุดหนึ่งไป คุณจะได้เพียงภาพที่ใหญ่ขึ้นแต่เบลอ ความละเอียดคือตัวกำหนดขีดจำกัดจริงของรายละเอียด

กล้องจุลทรรศน์แสงมีความละเอียดต่ำกว่าเพราะแสงมี ความยาวคลื่น ค่อนข้างยาว กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ใช้ลำแสงของ อิเล็กตรอน แทนแสง อิเล็กตรอนมีความยาวคลื่นสั้นกว่ามาก ความละเอียดจึงสูงกว่ามากและสามารถมองเห็นโครงสร้างขนาดเล็กมากภายในเซลล์ได้ มีสองประเภทคือ แบบสแกน (scanning) ซึ่งแสดงพื้นผิวใน 3D และ แบบส่งผ่าน (transmission) ซึ่งส่งอิเล็กตรอนผ่านแผ่นบางเพื่อแสดงรายละเอียดภายใน

เซลล์พืชและสัตว์เป็น เซลล์ยูเคยาริโอต: DNA ของพวกมันถูกเก็บรักษาอยู่ภายใน นิวเคลียส ภายในเซลล์ประกอบด้วยส่วนย่อยๆ หลายส่วนเรียกว่า ออร์แกเนลล์ ซึ่งแต่ละส่วนมีหน้าที่ของตัวเอง ของเหลวคล้ายเจลลี่รอบๆ คือ ไซโตพลาซึม

*เซลล์พืชยังมีผนังเซลล์, คลอโรพลาสต์ และ vacuole ขนาดใหญ่

ในภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์หรือภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน คุณระบุออร์แกเนลล์ได้จากรูปร่าง ขนาด และตำแหน่ง; ในภาพวาดคุณแสดงขอบ轮廓และติดฉลาก

เซลล์ใช้ ATP ที่ผลิตจากการหายใจเป็นแหล่งพลังงานสำหรับทุกงานที่ต้องใช้พลังงาน เช่น การสร้างโปรตีน การเคลื่อนย้ายสิ่งของ และการแบ่งเซลล์

เปรียบเทียบเซลล์พืชและสัตว์

ทั้งสองมีเยื่อหุ้มเซลล์, ไซโตพลาซึม, นิวเคลียส, ไมโทคอนเดรีย, ไรโบโซม, ER และกอลจิบอดี

เซลล์โปรคาริโอต, เช่น แบคทีเรีย, มีขนาดเล็กและเรียบง่ายกว่าเซลล์ยูเคยาริโอตมาก คุณสมบัติสำคัญคือ:

• เซลล์เดียว (unicellular) — เป็นเซลล์เดียว
• โดยทั่วไปขนาด $1$–$5\ \text{µm}$
• ผนังเซลล์ทำจาก เพปทิโดไกลแคน (peptidoglycan) (ไม่ใช่เซลลูโลส)
• DNA วงกลมลอยอิสระในไซโตพลาซึม — ไม่มีนิวเคลียส
• $70\text{S}$ ไรโบโซม (เล็กกว่า $80\text{S}$ ones ในไซโตพลาซึมของยูเคยาริโอต)
• ไม่มีออร์แกเนลล์ที่มีเยื่อหุ้มสองชั้น — ดังนั้นไม่มีนิวเคลียส ไม่มีไมโทคอนเดรีย และไม่มีคลอโรพลาสต์

*เซลล์โปรคาริโอต: DNA วงกลม (nucleoid) ลอยอิสระ, ไม่มีนิวเคลียสและไม่มีออร์แกเนลล์ที่มีเยื่อหุ้มสองชั้น

เปรียบเทียบเซลล์โปรคาริโอตและยูเคยาริโอต

ไวรัสทั้งหมดเป็น non-cellular ——they are not made of cells at all. Each virus is built from just two or three parts:

• แกนกลางของ กรดนิวเคลียม ซึ่งเป็น DNA หรือ RNA อย่างใดอย่างหนึ่ง (ไม่อาจเป็นทั้งสองพร้อมกัน).
• เปลือกโปรตีนหุ้มรอบแกนกลางเรียกว่า แคปซิด.
• ในบางชนิดมี เอนVELOPE ด้านนอกทำจาก ฟอสโฟลิพิด.

*ไวรัสแบบทั่วไป: กรดนิวเคลียมภายในแคปซิดโปรตีน และมีเอนVELOPE ไขมันในบางชนิด

ไวรัสไม่มีไซโทพลาซึม ไม่มีออร์แกเนลล์ และไม่มีไรโบโซม ไม่สามารถหายใจหรือสร้างโปรตีนเองได้ สามารถISTRUE only copy itself inside a living host cell, so it sits at the edge of what we call "living". ดังนั้นจึงอยู่ที่ขอบเขตของสิ่งที่เราเรียกว่า "มีชีวิต"

• การขยาย $=$ = ขนาดภาพ $\div$ / ขนาดจริง — แปลงหน่วยก่อน ($\text{mm} \leftrightarrow \mu\text{m} \leftrightarrow \text{nm}$), แล้วจัดรูปสมการเพื่อหาตัวที่ต้องการ.
• แยกความแตกต่างระหว่าง การขยาย (ใหญ่ขึ้นกี่เท่า) กับ ความละเอียด (ระยะใกล้ที่สุดที่ยังมองเห็นเป็นจุดแยกสองจุดได้); กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมีความละเอียดสูงกว่าเพราะคลื่นของอิเล็กตรอนสั้นกว่า.
• ระบุคู่ โครงสร้าง + หน้าที่ ของออร์แกเนลล์แต่ละชนิด (เช่น ไมโทคอนเดรีย: เมมเบรนภายในพับ → การหายใจแบบใช้ออกซิเจน).
• ระบุความแตกต่างระหว่าง โปรคาริโอตกับยูคาริโอต ให้ชัดเจน: ไม่มีนิวเคลียส, ไรโบโซมเล็ก (70S), ไม่มีออร์แกเนลล์ที่มีเมมเบรน, DNA แบบวงกลม.
• ไวรัสเป็น สิ่งไม่มีชีวิต — อธิบายโดยอ้างอิงแคปซิด วัสดุพันธุกรรม และ (บางครั้ง) เอนVELOPE เท่านั้น.

สิ่งมีชีวิตสร้างขึ้นจากโมเลกุลขนาดใหญ่หลักสี่ชนิด: คาร์โบไฮเดรต, ไลพิด, โปรตีน และ กรดนิวเคลียม คุณสามารถใช้การทดสอบทางเคมีพื้นฐานเพื่อตรวจสอบว่ามีชนิดใดอยู่ในตัวอย่าง

*การทดสอบ Benedict's: สีฟ้าเปลี่ยนเป็นเขียว ส้ม แล้วแดงอิฐ เมื่อมีน้ำตาลรีดิวซ์เพิ่มขึ้น

การทดสอบ Benedict's แบบกึ่งปริมาณ

การทดสอบ Benedict's ปกติบอกแค่ "ใช่หรือไม่" การทดสอบแบบ กึ่งปริมาณ จะบอกปริมาณคร่าวๆ ก่อนอื่นคุณต้อง มาตรฐาน การทดสอบ: ทำกับสารละลายที่มีความ เข้มข้น ที่ทราบค่าแล้วบันทึกผลสำหรับแต่ละระดับ จากนั้นคุณสามารถประมาณค่าที่ไม่ทราบได้โดยวิธีใดวิธีหนึ่ง:

• เวลาที่ใช้จนเห็นการเปลี่ยนสีครั้งแรก (น้ำตาล越多 เปลี่ยนสีเร็ว越), หรือ
• เปรียบเทียบสีสุดท้ายกับชุดมาตรฐานสีของคุณ.

การทดสอบน้ำตาลที่ไม่รีดิวซ์

น้ำตาลบางชนิด เช่น ซูโครส เป็น น้ำตาลที่ไม่รีดิวซ์: ทำให้ผลการทดสอบ Benedict's เป็นลบ เพื่อตรวจจับพวกมัน:

1. ทำการทดสอบ Benedict's ปกติก่อน ถ้ายังสีฟ้าอยู่ (ไม่มีน้ำตาลรีดิวซ์)
2. นำตัวอย่างใหม่มาเพิ่ม กรดไฮโดรคลอริก เจือจาง แล้วให้ความร้อน这一步 การไฮโดไลซิสด้วยกรด จะย่อยน้ำตาลให้กลายเป็นน้ำตาลรีดิวซ์ขนาดเล็กกว่า
3. ปล่อยให้เย็นลง แล้ว ทำให้เป็นกลาง ด้วยโซเดียมไฮโดรเจนคาร์บอเนต
4. ทำการทดสอบ Benedict's อีกครั้ง หากเกิดสีแดงอิฐ แสดงว่าเดิมมีน้ำตาลที่ไม่รีดิวซ์อยู่

ตัวอย่างฝึกฝน. สารละลายหนึ่งให้ผลการทดสอบ Benedict's เป็น ลบ จากนั้นต้มกับกรดไฮโดรคลอริกเจือจาง ทำให้เป็นกลางด้วยโซเดียมไฮโดรเจนคาร์บอเนต และทดสอบอีกครั้งด้วย Benedict's — ตอนนี้เปลี่ยนเป็นสีแดงอิฐ มีอะไรอยู่บ้าง และทำไมแต่ละขั้นถึงจำเป็น? ผลลบครั้งแรกตัดความเป็นไปได้ของ น้ำตาลรีดิวซ์ การต้มกับกรดช่วย ไฮโดไลซิส พันธะไกลโคไซด์ แยกน้ำตาลที่ไม่รีดิวซ์ เช่น ซูโครส ออกเป็นมอนোসาคาไรด์รีดิวซ์ ขั้นทำให้เป็นกลางสำคัญมากเพราะ Benedict's ทำงานได้ในสภาพเบสเท่านั้น — ถ้าข้ามขั้นนี้การทดสอบจะล้มเหลวแม้จะมีน้ำตาลอยู่ ผลบวกในการทดสอบครั้งที่สองจึงยืนยันว่ามี น้ำตาลที่ไม่รีดิวซ์ อยู่เสมอ ให้ citing การทดสอบครั้งแรกที่เป็นลบ เป็นส่วนหนึ่งของคำตอบ: โดยไม่มีขั้นนี้ สีแดงสุดท้ายไม่สามารถแยกแยะน้ำตาลที่ไม่รีดิวซ์ออกจากน้ำตาลรีดิวซ์ได้

มอนูเมอร์ โพลิเมอร์ และมาครโมเลกุล

• มอนูเมอร์ คือโมเลกุลขนาดเล็กที่เป็นหน่วยเดียว
• โพลิเมอร์ คือโมเลกุลยาวที่ประกอบขึ้นจากมอนูเมอร์จำนวนมากเชื่อมต่อกัน
• มาครโมเลกุล คือโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่มากใดๆ

น้ำตาลแบ่งออกเป็นสามขนาด:

• มอนোসาคาไรด์ เป็นหน่วยน้ำตาลเดี่ยว เช่น กลูโคส และฟรุกโตส
• ไดแซกคาไรด์ คือสองหน่วยเชื่อมต่อกัน เช่น มอลโตสและซูโครส
• โพลีแซกคาไรด์ คือหลายหน่วยเชื่อมต่อกันเป็นโพลิเมอร์

กลูโคส ฟรุกโตส และ มอลโตส เป็นน้ำตาลลดทอน ซูโครส เป็นน้ำตาลไม่ลดทอน

รูปแบบวงแหวนสองแบบของกลูโคส

กลูโคสมีคาร์บอนหกอะตอมและสร้างเป็นวงแหวน มีรูปแบบวงแหวนสองแบบ แตกต่างกันที่คาร์บอน 1 เท่านั้น:

• ใน α-กลูโคส กลุ่ม –OH ที่คาร์บอน 1 ชี้ลง ด้านล่าง ใต้วงแหวน
• ใน β-กลูโคส, กลุ่ม –OH ที่คาร์บอน 1 ชี้ไปทาง บน, ข้างเหนือวงแหวน

ความแตกต่างเล็กน้อยนี้决定性ว่ากลูโคสจะสร้างโพลีแซคคาไรด์ชนิดใด

การเชื่อมต่อกับการแตกสลายของน้ำตาล

โมโนเมอร์ถูกเชื่อมต่อกันด้วย พันธะโคเวเลนต์ ที่แข็งแรง เมื่อมีน้ำตาลสองโมเลกุลมาเชื่อมต่อกันจะเกิด พันธะไกลโคไซด์ ระหว่างกัน กระบวนการนี้เรียกว่า คอนเดนเซชัน: โดยมีการกำจัดโมเลกุลน้ำออกทุกครั้งที่เกิดพันธะใหม่

ปฏิกิริยาในทางกลับนี้คือ ไฮโดรไลซิส: โดยการเพิ่มโมเลกุลน้ำเข้าไปเพื่อทำลายพันธะไกลโคไซด์ นี่คือเหตุผลที่การทดสอบน้ำตาลที่ไม่ลดทอนต้องใช้กรดและความร้อน — เพื่อทำให้(element) sukrose แตกตัวเป็นกลูโคสและฟรุกโตส

โพลิแซคคาไรด์สำหรับจัดเก็บ: ส্টาร์ชและไกลโคเจน

สตาร์ช เป็นแหล่งสะสมพลังงานในพืช ประกอบด้วยโพลิเมอร์ของ α-กลูโคสสองชนิด:

• แอมิโลส — โซ่ยาวไม่มีกิ่งก้าน ซึ่งม้วนตัวเป็นเกลียว
• แอมิโลเพกติน — โซ่ที่มีกิ่งก้านย่อยจำนวนมาก

ไกลโคเจน เป็นแหล่งสะสมพลังงานในสัตว์ มีลักษณะคล้ายแอมิโลเพกตินแต่มีกิ่งก้านมากกว่ามาก ทำให้สามารถแตกตัวได้รวดเร็วเมื่อต้องการพลังงาน

แหล่งสะสมเหล่านี้เหมาะกับการทำงานของตนดี: มีความหนาแน่น (compact), ไม่ละลายน้ำ (insoluble) จึงไม่หลุดออกจากเซลล์, และไม่เปลี่ยน ศักย์น้ำ ของเซลล์ (ดังนั้นจึงไม่ดูดน้ำเข้าผ่าน ออสโมซิส) กิ่งก้านจำนวนมากให้ปลายโซ่หลายจุด ทำให้สามารถเพิ่มหรือถอดกลูโคสได้เร็ว

*เมล็ดแป้งจริงภายในมันฝรั่ง被ไอโอดีนย้อมสี แต่ละเม็ดเป็นแพ็คเกจหนาแน่นที่ไม่ละลายน้ำของแอมิลโลสและแอมิลโลเพกติน — ระวังสเกล: เม็ดที่ใหญ่ที่สุดมีขนาดเพียงประมาณ 0.1 มม. เท่านั้น

เซลลูโลส

เซลลูโลส สร้างมาจาก β-กลูโคس เนื่องจากเป็นรูป β กลูโคสแต่ละโมเลกุลจึงคว่ำไปมาทุกคู่ ทำให้โซ่มีความยาวและตรง许多เส้นตรงเรียงข้างกันและยึดติดกันด้วย พันธะไฮโดรเจน เป็นมัดที่แข็งแรงเรียกว่า ไมโครไฟบริล สิ่งนี้ให้ความแข็งแก่ ผนังเซลล์ ของพืชและป้องกันไม่ให้เซลล์ระเบิด

ไตรกลีเซอไรด์

ไตรกลีเซอไรด์ เป็นไขมันหรือน้ำมันหลัก มีคุณสมบัติ ไม่เกิดขั้ว และ ไม่ละลายน้ำ (ไม่ผสมกับน้ำ) สร้างจากโมเลกุล กลีเซอรอล หนึ่งโมเลกุลเชื่อมต่อกับ กรดไขมัน สามโมเลกุลด้วย พันธะเอสเตอร์ พันธะเอสเตอร์แต่ละพันธะเกิดจากการสังเคราะห์แบบควบแน่น ทำให้มีการกำจัดน้ำออกไปสามโมเลกุล

กรดไขมันแบ่งเป็นสองชนิด:

• อิ่มตัว — ไม่มี พันธะคู่ ระหว่างคาร์บอน–คาร์บอน; ไขมันเหล่านี้มักจะเป็นของแข็ง
• ไม่อิ่มตัว — มีพันธะคู่หนึ่งหรือมากกว่า; น้ำมันเหล่านี้มักจะเป็นของเหลว

ไตรกลีเซอไรด์เหมาะสำหรับการจัดเก็บพลังงานระยะยาว: ปล่อยพลังงานประมาณสองเท่าต่อกรัมเมื่อเทียบกับคาร์โบไฮเดรต ไม่ละลายน้ำ และจัดเก็บมวลน้อยเพราะไม่กักเก็บน้ำใต้ผิวหนังยังช่วย ฉนวนกันความร้อน และปกป้องอวัยวะด้วย

ฟอสโฟลิพิด

ฟอสโฟลิพิด คล้ายกับไตรกลีเซอไรด์ แต่มีกรดไขมันหนึ่งโมเลกุลถูกแทนที่ด้วยกลุ่ม ฟอสเฟต สิ่งนี้ทำให้โมเลกุลมีปลายสองด้านที่มีพฤติกรรมต่างกัน:

• หัว ฟอสเฟต ที่มีขั้ว (hydrophilic หรือ "ชอบน้ำ")
• หางกรดไขมันสองหาง (hydrophobic หรือ "กลัวน้ำ")

ลักษณะเฉพาะนี้จึงเป็นเหตุผลที่ทำให้ฟอสโฟลิพิดสร้างเยื่อหุ้มเซลล์ได้

กรดอะมิโนและพันธะเปปไทด์

โปรตีนเป็นโพลิเมอร์ของ กรดอะมิโน ทุกกรดอะมิโนมีโครงสร้างพื้นฐานเดียวกันรอบๆ อะตอมคาร์บอนกลาง: กลุ่ม อะมิโน (–NH₂), กลุ่ม คาร์บอกซิล (–COOH), อะตอมไฮโดรเจน และ 侧链แปรผัน (R group) R group แตกต่างกันไปในแต่ละกรดอะมิโน

กรดอะมิโนสองโมเลกุลเชื่อมต่อกันโดยปฏิกิริยาการสังเคราะห์ (condensation) พันธะที่เกิดขึ้นระหว่างหมู่เอมีนของโมเลกุลหนึ่งกับหมู่คาร์บอกซิลของโมเลกุลถัดไปคือ พันธะเพปไทด์ และมีการกำจัดน้ำออกไป เมื่อกรดอะมิโนจำนวนมากมาเชื่อมต่อกันด้วยวิธีนี้จะเกิดเป็น โพลีเพปไทด์ การเติมน้ำเข้าไป (ไฮโดรไลซิส) จะทำให้พันธะเพปไทด์แตกสลาย

ระดับของโครงสร้างโปรตีนทั้งสี่

*ระดับทั้งสี่: โครงสร้างปฐมภูมิ → ทุติยภูมิ → ตติยภูมิ → จตุรถุ

รูปร่างที่พับเข้าหากันนี้ถูกยึดไว้ด้วยการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกลุ่ม R ทั้งสี่ชนิด:

• การมีปฏิสัมพันธ์แบบไฮโดรโฟบิก (กลุ่ม R แบบไม่ขั้วรวมตัวกันเพื่อหลีกเลี่ยงน้ำ).
• พันธะไฮโดรเจน.
• พันธะไอออนิก (ระหว่างกลุ่ม R ที่มีประจุ).
• พันธะโคเวเลนต์ รวมถึง พันธะไดซัลไฟด์ ที่แข็งแรงมาก.

โปรตีนทรงกลมและโปรตีนเส้นใย

• โปรตีนทรงกลม (globular proteins) พับเข้าเป็นรูปทรงกลม โดยมักจะเป็น สารละลายได้ และมีหน้าที่ในร่างกาย (เช่น เอนไซม์และฮีโมโกลบิน).
• โปรตีนเส้นใย (fibrous proteins) สร้างเป็นเส้นใยยาวๆ โดยมักจะเป็น สารละลายไม่ได้ และให้โครงสร้างและการสนับสนุน (เช่น คอลลาเจน).

ฮีโมโกลบิน — โปรตีนทรงกลม

ฮีโมโกลบิน ขนส่ง ออกซิเจน ในเม็ดเลือดแดง มีโครงสร้างระดับจตุรถุที่ประกอบด้วยสายโพลีเปปไทด์สี่เส้น: สองสายอัลฟา (α-globin) และสองสายเบตา (β-globin) แต่ละสายมี หมู่ฮีม อยู่ภายใน ตรงกลางของแต่ละหมู่ฮีมจะมีอะตอมของ เหล็ก ซึ่งเป็นจุดที่โมเลกุลออกซิเจนหนึ่งตัวจับอยู่ สี่สายทำให้หนึ่งโมเลกุลของฮีโมโกลบินสามารถขนส่งออกซิเจนได้สี่โมเลกุล

*โมเลกุลของฮีโมโกลบินจริงที่วิเคราะห์จากข้อมูลรังสีเอกซ์ นับดูสิ: สองสายอัลฟา (สีแดง), สองสายเบตา (สีฟ้า), และมีหมู่ฮีมสีเขียวอยู่ในแต่ละสาย — รวมแล้ว有四氧分子

คอลลาเจน — โปรตีนเส้นใย

คอลลาเจน ให้ความแข็งแรงแก่ผิวหนัง เอ็น, กระดูก และผนังหลอดเลือด โมเลกุลของคอลลาเจนหนึ่งโมเลกุลประกอบด้วยสายโพลีเปปไทด์สามเส้นพันกันแน่นหนาเป็นเกลียวสามเส้น ซึ่งยึดติดกันด้วยพันธะไฮโดรเจน โมเลกุลเหล่านี้จำนวนมากเรียงอยู่ข้างกันเล็กน้อยสลับกัน และถูกเชื่อมต่อกันเป็น เส้นใย ที่หนาแน่น การเรียงตัวแบบสลับและเชื่อมต่อกันนี้ทำให้คอลลาเจนมีความแข็งแรงมากเมื่อถูกดึง

น้ำเป็นโมเลกุลขนาดเล็ก แต่พันธะ O–H ทั้งสองเป็น ขั้ว: ฝั่งออกซิเจนมีประจุลบเล็กน้อย และฝั่งไฮโดรเจนมีประจุบวกเล็กน้อย ดังนั้นโมเลกุลของน้ำหนึ่งตัวจึงดึงดูดโมเลกุลเพื่อนบ้าน ทำให้เกิดพันธะไฮโดรเจนอ่อนๆ ระหว่างกัน พันธะไฮโดรเจนเหล่านี้คือเหตุผลที่ทำให้น้ำมีคุณสมบัติที่มีประโยชน์ดังนี้:

• ความเป็นตัวทำละลาย — น้ำเป็น ตัวทำละลาย ที่ดี ทำให้สารต่างๆ หลายชนิดละลายได้ สิ่งนี้ช่วยให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นได้และช่วยให้สารต่างๆ ถูกขนย้ายในร่างกาย
• ความร้อนจำเพาะสูง — น้ำต้องใช้พลังงานมากในการ升高อุณหภูมิ ทำให้อุณหภูมิตนเองคงที่ สิ่งนี้ช่วยปกป้องสิ่งมีชีวิตจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว
• ความร้อนแฝงของการระเหย — น้ำต้องใช้พลังงานมากในการ ระเหย ดังนั้นเมื่อ水汽ระเหย (เช่น เมื่อเหงื่อแห้ง) มันจะพาความร้อนออกไปมากมายและทำให้ร่างกายเย็นลง

*น้ำมีขั้ว (O δ−, H δ+) ดังนั้นโมเลกุลของมันจึงดึงดูดกันด้วยพันธะไฮโดรเจน — ซึ่งเป็นเหตุผลของทุกคุณสมบัติที่กล่าวมาข้างต้น

• เรียนรู้ การทดสอบอาหาร แต่ละชนิดในฐานะสารตั้งต้น + ผลลัพธ์ทางบวก + การเปลี่ยนสี (Benedict's → แดงอิฐ; ไอโอดีน → น้ำเงินดำ; บิยูเรต → ม่วง; เอมัลชัน → ขาว).
• Benedict's ใช้ตรวจหา น้ำตาลรีดิวซ์; สำหรับ น้ำตาลที่ไม่ใช่รีดิวซ์ คุณต้อง ย่อยด้วยกรดก่อน แล้วจึงทดสอบใหม่
• ชื่อพันธะให้ถูกต้อง: ไกลโคไซด์ (คาร์โบไฮเดรต), เอสเตอร์ (ลิพิด), เปปไทด์ (โปรตีน) — ทั้งหมดสร้างขึ้นโดย การควบแน่น (มีการนำน้ำออก).
• เชื่อมโยงโครงสร้างกับหน้าที่: เซลลูโลส (สายตรง, พันธะ H → แข็งแรง), ไกโคเจน/แป้ง (กิ่งก้าน/ม้วน → เก็บสะสมอย่างกะทัดรัด).
• สำหรับโปรตีน ให้ชื่อพันธะในระดับต่างๆ: ปฐมภูมิ (เปปไทด์), ทุติยภูมิ (ไฮโดรเจน), ตติยภูมิ (การมีปฏิสัมพันธ์ของกลุ่ม R), จตุรถุ.

*การทำงานของเอนไซม์: กุญแจและล็อค

เอนไซม์ เป็น โปรตีนทรงกลม — ประเภทหนึ่งของ โปรตีน ที่มีรูปร่างกลมและละลายได้它们是生物催化剂:它们催化（加速）生物体内的化学反应，并且不会被消耗掉，因此每个酶可以反复工作。

เอนไซม์ทำงานได้ในสองสถานที่:

• เอนไซม์ภายในเซลล์ (intracellular enzymes) ทำงานภายใน เซลล์ ที่ผลิตมัน ตัวอย่างเช่น แคทาลาเส ทำลายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่เป็นอันตราย
• เอนไซม์ภายนอกเซลล์ (extracellular enzymes) ถูก หลั่งออกมา เพื่อทำงานนอกเซลล์ ตัวอย่างเช่น แอมิลาส ถูกปล่อยเข้าไปในลำไส้เพื่อ ย่อย แป้ง

*เอนไซม์ของยีสต์หมักน้ำตาล ปล่อยฟองก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา

เอนไซม์แต่ละชนิดมีช่องว่างพิเศษที่เรียกว่า ตำแหน่งออกฤทธิ์ (active site) โมเลกุลที่เอนไซม์ทำปฏิกิริยากับมันคือ สารตั้งต้น (substrate) สารตั้งต้นจะเข้าจับกับตำแหน่งออกฤทธิ์เพื่อสร้าง คอมเพล็กซ์ของเอนไซม์และสารตั้งต้น (enzyme–substrate complex) จากนั้นปฏิกิริยาก็เกิดขึ้น และ ผลิตภัณฑ์ (products) จะแยกตัวออกไป ทำให้ตำแหน่งออกฤทธิ์ว่างพร้อมสำหรับสารตั้งต้นตัวถัดไป

ความจำเพาะ

เอนไซม์มีความ จำเพาะ: โดยทั่วไปจะทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้นเพียงชนิดเดียวเท่านั้น เนื่องจากรูปร่างของตำแหน่งออกฤทธิ์เป็น รูปทรงที่สอดคล้องกัน (complementary) กับรูปร่างของสารตั้งต้นนั้นโดยเฉพาะและไม่ตรงกับสารอื่น เราเรียกว่าสิ่งนี้ว่า ความจำเพาะ (specificity)

มีแนวคิดสองอย่างที่อธิบายการเข้าจับของสารตั้งต้น:

• สมมติฐานกุญแจและล็อค (lock-and-key hypothesis) — ตำแหน่งออกฤทธิ์มีรูปร่างตายตัว และมีเพียงสารตั้งต้นที่มีรูปร่างตรงกันเท่านั้นที่จะเข้าได้ เหมือนกุญแจที่ใส่เข้าล็อค
• สมมติฐานการปรับรูปทรง (induced-fit hypothesis) — ตำแหน่งออกฤทธิ์ไม่ได้มีรูปร่างที่ถูกต้องที่สุดตั้งแต่แรก เมื่อสารตั้งต้นเข้าจับ ตำแหน่งออกฤทธิ์จะเปลี่ยนรูปร่างเล็กน้อยเพื่อโอบล้อมสารตั้งต้นให้แน่นขึ้น แนวคิดนี้สอดคล้องกับหลักฐานทางวิทยาศาสตร์มากกว่า

การลดพลังงานกระตุ้น

ทุกปฏิกิริยาต้องการพลังงาน "ผลัก" เล็กน้อยเพื่อเริ่มต้น ซึ่งเรียกว่า พลังงานกระตุ้น (activation energy) เอนไซม์ช่วยลดพลังงานกระตุ้นลง สิ่งนี้ช่วยให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้รวดเร็วที่ อุณหภูมิ ปกติของเซลล์ แทนที่ต้องใช้ความร้อนสูง

*เส้นทางของเอนไซม์มีพลังงานกระตุ้นต่ำกว่า ($E_A$) จึงมีโมเลกุลสามารถเกิดปฏิกิริยาได้มากขึ้น

คุณสามารถติดตามปฏิกิริยาของเอนไซม์ได้สองวิธี:

• วัดความเร็วในการสร้าง ผลิตภัณฑ์ ในกรณีของคาตาเลซ ออกซิเจนแก๊สคือผลิตภัณฑ์ ดังนั้นเราจึงเก็บแก๊สและวัดปริมาตรตามเวลา
• วัดความเร็วที่สารตั้งต้นหายไป ในกรณีของแอมิเลส เราจะเก็บตัวอย่างและทดสอบด้วยไอโอดีน สีน้ำเงิน-ดำจะจางลงเมื่อแป้งถูกใช้หมด

เครื่องวัดสี (colorimeter) ช่วยทำให้การวัดนี้แม่นยำ โดยส่องแสงผ่านหลอดทดลองและวัดปริมาณแสงที่ถูกดูดซับ ทำให้การเปลี่ยนแปลงสีกลายเป็นตัวเลขที่สามารถนำไปพล็อตกราฟได้

อัตราการเกิดปฏิกิริยา มีความชันมากที่สุดในช่วงต้น (เมื่อมีสารตั้งต้นมากที่สุด) ดังนั้น อัตราเริ่มต้น (initial rate) (ซึ่งคือความชันที่เวลา 0) จึงเป็นค่าที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเปรียบเทียบ

*ผลิตภัณฑ์สะสมเร็วที่สุดในช่วงต้น; อัตราเริ่มต้นคือความชันของเส้นสัมผัสที่เวลา 0 — ซึ่งเป็นค่าที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเปรียบเทียบ

ตัวอย่างคำอธิบาย. ในช่วง $20$ วินาทีแรกของปฏิกิริยาคาตาเลซ ได้แก๊สออกซิเจนมา $16\ \text{cm}^3$ ให้ประมาณการอัตราการเกิดปฏิกิริยา

เนื่องจากปฏิกิริยาเกิดขึ้นเร็วที่สุดในช่วงต้น การวัดในช่วงสั้นๆ แรกนี้จะให้ค่าใกล้เคียงกับอัตราเริ่มต้นมากที่สุด; หากเฉลี่ยในช่วงเวลาที่นานกว่าจะรวมถึงขั้นตอนที่ช้าลงในระยะหลังและทำให้ค่า underestimate

อุณหภูมิ

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โมเลกุลจะมี พลังงานจลน์ (kinetic energy) มากขึ้นและ ชนกัน (collide) บ่อยขึ้น ทำให้อัตราเพิ่มขึ้น แต่เกิน อุณหภูมิที่เหมาะสม (optimum temperature) เอนไซม์จะเริ่ม เสียสภาพ (denature): ความร้อนทำลายพันธะที่ยึดรักษารูปร่างไว้ ทำให้ตำแหน่งออกฤทธิ์เปลี่ยนไปและไม่เข้ากับสารตั้งต้นอีกต่อไป อัตราจึงลดลงอย่างรวดเร็ว

*อัตราเพิ่มขึ้นสู่จุดที่เหมาะสม แล้วลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อเอนไซม์เสียสภาพ

ค่า pH

เอนไซม์แต่ละชนิดมีค่า pH ที่เหมาะสม หากค่า pH เบี่ยงเบนจากจุดนี้มากเกินไป เอนไซม์จะเสียสภาพและอัตราจะลดลง เพื่อการศึกษาค่า pH อย่างยุติธรรม ควรคงค่าให้คงที่โดยใช้ สารละลายบัฟเฟอร์ (buffer solution)

*อัตราพุ่งสูงสุดที่ค่า pH ที่เหมาะสมและลดลงทั้งสองข้าง

ความเข้มข้นของเอนไซม์

เมื่อมีสารตั้งต้นเพียงพอ การเพิ่มเอนไซม์จะทำให้มีตำแหน่งออกฤทธิ์มากขึ้น อัตราจึงเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนกับความเข้มข้นของเอนไซม์

ความเข้มข้นของสารตั้งต้น

ในช่วงแรก การเพิ่มสารตั้งต้นจะเร่งปฏิกิริยา แต่เมื่อบริเวณออกฤทธิ์ทั้งหมดถูกใช้งานหมด การเพิ่มสารตั้งต้นเพิ่มเติมจะไม่มีการเปลี่ยนแปลง — อัตราจะราบเรียบที่ระดับสูงสุด

ความเข้มข้นของตัวยับยั้ง

ตัวยับยั้ง (inhibitor) คือโมเลกุลที่ชะลอการทำงานของเอนไซม์ ยิ่งมีตัวยับยั้งมาก อัตราจะยิ่งต่ำ

อัตราที่ราบเรียบเมื่อตำแหน่งออกฤทธิ์ทั้งหมดเต็มคืออัตราสูงสุด เขียนว่า $V_{\text{max}}$

ค่าคงที่ Michaelis–Menten ($K_{\text{m}}$) คือความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่ให้ ครึ่งหนึ่ง ของ $V_{\text{max}}$ มันบอกเกี่ยวกับ ความผูกพัน (affinity) (แรงดึง) ของเอนไซม์ต่อสารตั้งต้นของคุณ:

• ค่าต่ำ ของ $K_{\text{m}}$ หมายความว่าเอนไซม์ถึงครึ่งความเร็วที่ความเข้มข้นสารตั้งต้นต่ำ แสดงว่ามี ความผูกพันสูง (high affinity)
• ค่าสูง ของ $K_{\text{m}}$ หมายความว่ามีความผูกพัน ต่ำ (low affinity)

ดังนั้น $K_{\text{m}}$ จึงช่วยให้คุณเปรียบเทียบได้ว่าเอนไซม์ต่างชนิดกันยึดจับสารตั้งต้นต่างกันอย่างไร

*อัตราพุ่งขึ้นสู่ $V_{\text{max}}$ เมื่อตำแหน่งออกฤทธิ์ทั้งหมดเต็ม; $K_{\text{m}}$ คือความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่ให้ครึ่งหนึ่งของ $V_{\text{max}}$

บางชนิดของตัวยับยั้งเป็น ย้อนกลับได้ (reversible): สามารถหลุดออกจากเอนไซม์ได้อีก มีสองประเภท

เอนไซม์ติดตัว คือเอนไซม์ที่ถูกตรึงไว้ที่จุดหนึ่ง — เช่น ถูกกักขังอยู่ในเม็ดเล็กๆ ของ อัลจิเนต — แทนที่จะลอยตัวอิสระในสารละลาย สารละลายของสารตั้งต้นจะไหลผ่านเม็ดเหล่านี้

เอนไซม์อิสระมักทำงานได้เร็วขึ้นเล็กน้อย เพราะสารตั้งต้นเข้าถึงได้ง่าย แต่เอนไซม์ติดตัวมีข้อดีทางปฏิบัติที่สำคัญ:

• เอนไซม์ไม่ถูกล้างไป สามารถนำไปใช้ซ้ำได้หลายครั้ง
• ผลิตภัณฑ์มีความบริสุทธิ์ ไม่ปนเปื้อนด้วยเอนไซม์
• เอนไซม์มีความเสถียรกว่า ทนต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและ pH ได้ดีกว่า
• กระบวนการสามารถดำเนินต่อได้ต่อเนื่อง โดยมีการไหลเข้าของสารตั้งต้นและการไหลออกของผลิตภัณฑ์

• อธิบายการทำงานของเอนไซม์ด้วยโมเดล การปรับให้เข้ากัน (induced-fit) (ตำแหน่งกัมมันต形態ปรับตัวห่อหุ้มสารตั้งต้น) ซึ่งปัจจุบันนิยมใช้มากกว่าโมเดลกุญแจและล็อค
• เหนือจุดที่เหมาะสม เอนไซม์จะ เสียสภาพ (denatures) (พันธะไฮโดรเจนและโครงสร้างระดับสามสลาย) ให้เขียนว่า "เสียสภาพ" อย่าเขียนว่า "ตาย" หรือ "ถูกฆ่า"
• แยกแยะตัวยับยั้ง: แบบแข่งขัน จับที่ตำแหน่งกัมมันต์ (เอาชนะได้ด้วยสารตั้งต้นเพิ่มขึ้น, $V_{max}$ เดิม); แบบไม่แข่งขัน จับที่ตำแหน่งอื่น (ลด $V_{max}$)
• เปรียบเทียบอัตราโดยใช้ อัตราเริ่มต้น (initial rate) (เส้นสัมผัสที่เวลาศูนย์) ซึ่งเป็นค่าวัดที่ยุติที่สุด ก่อนที่สารตั้งต้นจะกลายเป็นปัจจัยจำกัด

ทุกเซลล์ห่อหุ้มด้วย เยื่อหุ้มเซลล์ เราอธิบายโครงสร้างของมันด้วย โมเดลโมเสกเหลว (fluid mosaic model)

ชั้นไขมันคู่ phospholipid bilayer

เยื่อหุ้มสร้างจาก phospholipids เป็นหลัก แต่ละ phospholipid มี hydrophilic (หัวชอบน้ำ) และหาง hydrophobic (หางกลัวน้ำ) 2 เส้น มีน้ำอยู่ทั้งสองข้างของเยื่อหุ้ม phospholipids จึงเรียงตัวเป็นสองชั้น — bilayer — โดยหัวหันเข้าหาภายนอกและภายในที่มีน้ำ หางซ่อนอยู่ตรงกลางห่างจากน้ำ การจัดวางนี้เกิดขึ้นเองเนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างส่วน hydrophilic และ hydrophobic

โมเดลนี้เรียกว่า "เหลว" เพราะ phospholipids ไม่ได้ถูกตรึง:พวกมันเลื่อนผ่านกันได้ ทำให้เยื่อหุ้มเคลื่อนที่และงอได้ เรียกว่าเป็น "โมเสก" เพราะมี proteins จำนวนมากกระจายอยู่ในนั้น เหมือนกระเบื้องในภาพ

สิ่งที่ลอยอยู่ในเยื่อหุ้ม

ดังนั้นโมเลกุลเยื่อหุ้มร่วมกันให้ความ stability, ความเหลว, permeability (ควบคุมสิ่งที่ผ่านได้), หน้าที่ขนส่ง, หน้าที่ส่งสัญญาณ และการจดจำเซลล์

เยื่อหุ้มมี partial permeability: อนุญาตให้บางสารผ่านได้ง่ายแต่กั้นบางสาร

เซลล์สื่อสารกันโดย cell signalling ขั้นตอนหลักๆ มีดังนี้:

1. เซลล์หนึ่ง secretes สารเคมีส่งสัญญาณที่เรียกว่า ligand (เช่น hormone)
2. Ligand ถูกพา (มักในเลือด) ไปยัง target cell
3. Ligand จับกับ receptor เฉพาะเจาะจงบนเยื่อหุ้มเซลล์เป้าหมาย รูปร่างของ receptor ตรงกับ ligand นี้เท่านั้น การจับนี้จะกระตุ้นการตอบสนองเฉพาะอย่างภายในเซลล์เป้าหมาย

มีกระบวนการทั้งหมดหกอย่าง บางอย่างเป็น แบบพาสซีฟ (ไม่ต้องการพลังงาน) และบางอย่างเป็น แบบแอคทีฟ (ใช้พลังงานจาก ATP)

การแพร่กระจายแบบง่าย

การแพร่กระจาย คือการเคลื่อนที่สุทธิของอนุภาคจากบริเวณที่มี ความเข้มข้นสูง ไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำ จนกว่าจะกระจายตัวเท่าๆ กัน การแพร่กระจายแบบง่าย คือเมื่ออนุภาคทะลุผ่านชั้นไบเลเยอร์ได้โดยตรง ลงตาม ** gradien ความเข้มข้น** มีเพียงโมเลกุลขนาดเล็กหรือโมเลกุลที่ไม่มีความขั้วเท่านั้นที่ทำได้นี้ — เช่น ออกซิเจน และ คาร์บอนไดออกไซด์ เป็นแบบพาสซีฟ

การแพร่กระจายแบบช่วย

ไอออน ที่มีประจุและโมเลกุลขนาดใหญ่อันมีความขั้ว (เช่น กลูโคส) ไม่สามารถข้ามชั้นไบเลเยอร์ที่เป็นน้ำมันได้ด้วยตัวเอง ใน การแพร่กระจายแบบช่วย พวกเขาจะข้ามผ่านโปรตีนช่องว่างหรือโปรตีนพาหนะ โดยยังคงเคลื่อนที่ลงตาม gradien ความเข้มข้น依然是แบบพาสซีฟ

ออสโมซิส

ออสโมซิส คือการแพร่กระจายของน้ำข้ามเยื่อหุ้มเลือกผ่าน จาก ศักย์น้ำ สูงไปสู่ศักย์น้ำต่ำ เป็นแบบพาสซีฟ

การขนส่งแบบแอคทีฟ

การขนส่งแบบแอคทีฟ เคลื่อนย้ายสาร สวนทาง กับ gradien ความเข้มข้น — จากความเข้มข้นต่ำไปสูง ต้องใช้โปรตีนพาหนะและพลังงานจาก ATP

เอ็นโดไซโทซิสและเอกโซไซโทซิส

สิ่งเหล่านี้เคลื่อนย้ายปริมาณวัสดุจำนวนมากในรูปแบบก้อน ใช้ ATP

• ใน เอ็นโดไซโทซิส, เยื่อหุ้มพับเข้าหาภายในรอบวัสดุและหนีบออกเป็น เวซิกูล เพื่อนำเข้าไปในเซลล์
• ใน เอกโซไซโทซิส, เวซิกูลหลอมรวมกับเยื่อหุ้มและปล่อย محت出自己的ออกนอกเซลล์

เซลล์ดูดซึมและกำจัดสารผ่านพื้นผิว เมื่อวัตถุมีขนาดใหญ่ขึ้น ปริมาตร จะเติบโตเร็วกว่า พื้นที่ผิว ดังนั้นอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรจึง ลดลง เมื่อขนาดเพิ่มขึ้น

สำหรับลูกบาศก์ที่มีด้านยาว $L$:

$L$ ขนาดใหญ่ให้ค่าอัตราส่วนเล็ก นี่คือเหตุผลที่เซลล์ขนาดเล็ก (และรูปร่างบางแบน)แลกเปลี่ยนวัสดุได้อย่างรวดเร็ว ในขณะที่เซลล์ขนาดใหญ่ไม่สามารถพึ่งพาการแพร่กระจายเพียงอย่างเดียวได้

ตัวอย่างวิธีทำ. เปรียบเทียบอัตราส่วนพื้นที่ผิว : ปริมาตรของเซลล์รูปทรงลูกบาศก์ที่มีด้านยาว $4$ กับหนึ่งที่มีด้านยาว $10$

สำหรับด้านยาว $4$: พื้นที่ผิว $= 6 \times 4^2 = 96$ และปริมาตร $= 4^3 = 64$ ดังนั้นอัตราส่วนคือ $96 : 64 = 1.5 : 1$ สำหรับด้านยาว $10$: พื้นที่ผิว $= 6 \times 10^2 = 600$ และปริมาตร $= 10^3 = 1000$ ดังนั้นอัตราส่วนคือ $600 : 1000 = 0.6 : 1$ เซลล์ที่ใหญ่กว่าจะมีอัตราส่วนที่เล็กกว่า ดังนั้นจึงแลกเปลี่ยนวัสดุผ่านพื้นผิวได้ช้ากว่าเมื่อเทียบกับขนาด — นี่คือเหตุผลว่าทำไมสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่จึงต้องการพื้นผิวแลกเปลี่ยนที่จำเพาะ เช่น ปอดและเหงือก

คุณสามารถแสดงสิ่งนี้ได้ด้วยก้อน อะกาเรส ขนาดต่างๆ ที่แช่สีหรือน้ำกรด: ก้อนเล็กที่สุดซึ่งมีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรสูงสุด เปลี่ยนสีทั่วทั้งก้อนเร็วที่สุด การแพร่กระจายผ่านวัสดุที่ไม่มีชีวิตยังสามารถศึกษาได้ด้วย ถุง Dialysis (ถุง Visking)

ศักย์น้ำ วัดความน่าจะเป็นที่น้ำจะออกจากสารละลาย น้ำบริสุทธิ์มีศักย์น้ำสูงสุด การเพิ่ม สารละลาย (สารที่ละลายอยู่)会降低它。น้ำ всегдаเคลื่อนที่โดยออสโมซิสจากศักย์น้ำสูงไปต่ำ

เพื่อประมาณค่าศักย์น้ำของเนื้อพืช คุณวางชิ้นส่วนลงในสารละลายซูโครสที่มีศักย์น้ำต่างกัน สารละลายที่ทำให้เกิด การเปลี่ยนแปลง ในมวลหรือความยาว ไม่มี จะมีศักย์น้ำใกล้เคียงกับเนื้อเยื่อ

ผลต่อเซลล์พืช

• ในสารละลายที่มี ศักย์น้ำสูงกว่า (เช่น น้ำกลั่น), น้ำเข้าสู่เซลล์ เซลล์บวมและกลายเป็น เต็งตัว แต่ผนังเซลล์ที่แข็งแรงป้องกันไม่ให้แตก
• ในสารละลายที่มี ศักย์น้ำต่ำกว่า, น้ำออก เนื้อเยื่อภายในเซลล์หดตัวและเยื่อหุ้มถอยห่างจากผนังเซลล์ — สิ่งนี้เรียกว่า พลาสมอลิซิส

ผลต่อเซลล์สัตว์

เซลล์สัตว์ไม่มีผนังเซลล์เพื่อปกป้อง

• ในสารละลายที่มีศักย์น้ำสูงกว่า น้ำเข้าสู่และเซลล์อาจแตก การแตกนี้ในเม็ดเลือดแดงเรียกว่า ฮีโมไลซิส
• ในสารละลายที่มีศักย์น้ำต่ำกว่า น้ำออกและเซลล์หดตัว

• อธิบายเยื่อหุ้มเซลล์ในฐานะ โมเสกของเหลว: เป็นชั้นฟอสโฟลิพิดสองชั้นที่มีโปรตีน คอเลสเตอรอล และไกลโคโปรตีน
• จัดประเภทกระบวนการแต่ละชนิด: การแพร่, การแพร่แบบช่วย และออสโมซิสเป็นแบบ ไม่ใช้พลังงาน (ตาม gradien); การลำเลียงแบบ aktifและเอนโด/เอกโซไซโทซิสต้องใช้ ATP และสามารถเคลื่อนที่สวนทางกับ gradienได้
• สำหรับการแพร่ของน้ำ (osmosis) ต้องใช้ ศักย์น้ำ ($\Psi$): น้ำเคลื่อนที่จาก สูง (ค่าน้อยกว่าเป็นลบ) ไปยังต่ำ (ค่าน้อยกว่าเป็นลบ) $\Psi$; น้ำบริสุทธิ์มีค่า $0$ ซึ่งเป็นค่าสูงสุด
• ระบุผลลัพธ์โดยชนิดเซลล์: เซลล์พืชแข็งตัวหรือเกิดพลาสมอลิซิส; เซลล์สัตว์แตกหรือมีรูปร่างขรุขระ — เชื่อมโยงกับ gradien ของศักย์น้ำ

โครโมโซม คือโมเลกุล DNA ความยาวมากโมเลกุลหนึ่งพันรอบกับ โปรตีน เฉพาะชนิดที่เรียกว่า ไฮสโตน การพัน DNA แบบนี้ช่วยให้ความยาวมหาศาลสามารถใส่อยู่ในนิวเคลียสได้并保持ความเรียบร้อย

ก่อนการแบ่งเซลล์ DNA จะถูกคัดลอก (การคัดลอกนี้เรียกว่า replication) หลังจากการคัดลอกแล้ว แต่ละโครโมโซมประกอบด้วยสำเนาที่เหมือนกันสองชิ้นเชื่อมต่อกัน สำเนาทั้งสองนี้คือ sister chromatids และจะถูกยึดติดกันที่จุดที่เรียกว่า centromere ปลายของแต่ละโครโมโซมจะถูกปิดด้วย telomeres เพื่อปกป้องส่วนปลาย

Mitosis เป็นชนิดหนึ่งของการแบ่งนิวเคลียสที่ทำให้เกิด daughter cells จำนวนสองเซลล์ที่เป็น ** identical ทางพันธุกรรม**—they携带 exactly same genes กับเซลล์ต้นกำเนิดและกับกันเอง

สิ่งนี้มีความสำคัญสำหรับ:

• การเติบโต ของ สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ (การสร้างเซลล์เพิ่มเติม)
• การทดแทน เซลล์ที่เสียหายหรือตาย
• การซ่อมแซม เนื้อเยื่อโดยการสร้างเซลล์ใหม่
• การสืบพันธุ์แบบไม่มีเพศ (พ่อแม่หนึ่งตัวสร้างลูกที่ identical)

วงจรเซลล์ คือชีวิตเต็มรูปแบบของเซลล์ตั้งแต่การแบ่งครั้งหนึ่งไปยังอีก一次หนึ่ง มันมีสามส่วน:

1. interphase — ส่วนที่ยาวที่สุด เซลล์เติบโตในระยะ G₁, คัดลอก DNA ในระยะ S (replication), และเติบโตอีกครั้งพร้อมเตรียมตัวแบ่งในระยะ G₂
2. mitosis — นิวเคลียสแบ่งออกเป็นสองนิวเคลียสที่ identical
3. cytokinesis — ส่วนที่เหลือของเซลล์แยกออก ให้ daughter cells แยกจากกันสองเซลล์

*ส่วนใหญ่ของวงจรคือ interphase (G₁, S, G₂); mitosis (M) และ cytokinesis เป็นส่วนสั้นๆ

ดัชนี mitotic

ดัชนี mitotic คือสัดส่วนของเซลล์ในตัวอย่างที่อยู่ระหว่าง mitosis คุณสามารถหาได้โดยการนับเซลล์ภายใต้กล้องจุลทรรศน์:

ตัวอย่างคำนวณ. ในตัวอย่างยอดราก, $8$ ของ $50$ เซลล์ที่เห็นกำลังอยู่ในช่วง mitosis จงหาดัชนี mitotic

ดัชนี mitotic สูงหมายความว่ามีการแบ่งเซลล์จำนวนมาก — ปกติในยอดรากที่กำลังเติบโต แต่ในเนื้อเยื่อสัตว์ผู้ใหญ่ อาจเป็นสัญญาณเตือนของการเติบโตที่ไม่ควบคุม

เมื่อ DNA ถูกคัดลอก การคัดลอกไม่สามารถเข้าถึงปลายสุดของโมเลกุลได้ ดังนั้นจึงมีการสูญเสียเล็กน้อยในแต่ละครั้ง Telomeres คือความยาว DNA ซ้ำๆ สั้นๆ ที่ปลายซึ่ง ไม่มี genes เนื่องจาก telomeres ถูกทำให้สั้นลงแทน ไม่มีการสูญเสีย genes ที่สำคัญระหว่างการคัดลอก

เซลล์ต้นกำเนิด คือเซลล์ที่ไม่ได้จำเพาะ which สามารถแบ่งต่อได้โดย mitosis และสามารถ differentiate (เปลี่ยน) เป็นชนิดเซลล์ที่จำเพาะต่างๆ เซลล์ต้นกำเนิดเป็นแหล่งกำเนิดของเซลล์ใหม่สำหรับการทดแทนเซลล์ที่หายและซ่อมแซมเนื้อเยื่อ

วงจรเซลล์ปกติถูกควบคุมอย่างเข้มงวด sehingga เซลล์จะแบ่งก็ต่อเมื่อจำเป็นเท่านั้น หากการควบคุมนี้สูญเสียไป เซลล์อาจแบ่งซ้ำแล้วซ้ำโดยไม่หยุดยั้ง การแบ่งที่ไม่ควบคุมนี้ผลิตก้อนเซลล์ที่เรียกว่า เนื้องอก

Mitosis ผ่านสี่ขั้นตอน คุณควรจะสามารถจดจำ它们在 photomicrographs และslides ได้

จากนั้นจะตามด้วยการแบ่งไซโตพลาสม (Cytokinesis) ในเซลล์สัตว์ мембранาเซลล์จะหดตัวเข้าไปภายในเพื่อแบ่งเซลล์; ในเซลล์พืชผนังใหม่จะก่อตัวขึ้นขวางตรงกลาง ผลลัพธ์คือเซลล์ลูกสองเซลล์ที่มีพันธุกรรมเหมือนกัน

• เรียนรู้ลำดับขั้นตอน ตามลำดับ (โปรเฟส, เมทาเฟส, แอนาเฟส, เทโลเฟส) โดยแต่ละขั้นตอนมีเหตุการณ์สำคัญหนึ่งอย่าง; ช่วงอินเทอร์เฟส (G1, S, G2) ไม่ใช่ ส่วนของการแบ่งไมโทซิส
• การแบ่งไมโทซิสให้เซลล์ สองเซลล์ที่เป็นดิปloidและพันธุกรรมเหมือนกัน — สำหรับการเจริญเติบโต, การซ่อมแซม และการสืบพันธุ์แบบไม่อาศัยเพศ
• ดัชนีการแบ่งไมโทซิส $=$ จำนวนเซลล์ในกระบวนการแบ่งไมโทซิส $\div$ จำนวนเซลล์ทั้งหมด; ค่าสูงหมายถึงการแบ่งตัวเร็ว
• เชื่อมโยง การแบ่งไมโทซิสที่ไม่ควบคุมได้ กับเนื้องอก และการสั้นลงของเทโลเมอร์กับขีดจำกัดจำนวนครั้งของการแบ่งตัว

กรดนิวคลีอิก (DNA และ RNA) เป็นโพลีเมอร์ของหน่วยย่อยที่เรียกว่า นิวคลีโอไทด์ Each nucleotide consists of three parts joined together:

• กลุ่ม ฟอสเฟต,
• น้ำตาล (น้ำตาล 5 คาร์บอน),
• เบส ที่มีไนโตรเจน.

ATP เป็นนิวคลีโอไทด์ชนิดพิเศษ มันมีเบส อะดีนีน, น้ำตาล ไรโบส, และมีกลุ่มฟอสเฟต สาม ตัว การหลุดออกของฟอสเฟตตัวสุดท้ายจะปล่อย พลังงาน ให้แก่เซลล์

มีเบสทั้งหมดห้าชนิด แบ่งเป็นสองกลุ่ม:

• พิวριν มี วงแหวนคู่ (สองวง): อะดีนีนและ 구아anine.
• ไพรีมิדיน มี วงแหวนเดี่ยว (หนึ่งวง): ไซtosine, ไทมีน และ ยูราซิล.

โมเลกุล DNA คือสายสองสายพันกันเป็น เกลียวคู่

แต่ละ สาย มีโครงกระดูก consisting of น้ำตาล (ในที่นี้คือน้ำตาล ดีออกซีไรโบส) และฟอสเฟสสลับกัน น้ำตาลของนิวคลีโอไทด์หนึ่งตัวเชื่อมกับฟอสเฟตของอีกตัวถัดไปโดย พันธะโฟสфоไดเอสเตอร์

สายทั้งสองยึดติดกันด้วยเบสซึ่งมาพบกันในตรงกลาง การจับคู่นี้แม่นยำ — นี่คือ การจับคู่เบสเสริมกัน:

• A จับคู่กับ T เสมอ ยึดด้วย สอง พันธะไฮโดรเจน
• C จับคู่กับ G เสมอ ยึดด้วย สาม พันธะไฮโดรเจน (ดังนั้นคู่เบส C–G จึงแยกยากกว่า)

สายทั้งสองวิ่งไปในทิศทางตรงกันข้าม: สายหนึ่งวิ่งจาก 5′ ไปยัง 3′ ในขณะที่อีกสายหนึ่งวิ่งจาก 3′ ไปยัง 5′ เราเรียกว่า它们是 antiparallel

บันไดแบนด้านบนถูกบิดให้เป็นเกลียว โมเดลเติมพื้นที่นี้ ซึ่งแต่ละอะตอมเป็นลูกบอล แสดงรูปร่างจริงของ เกลียวคู่:

การ จำลอง DNA (การคัดลอก) เกิดขึ้นในช่วง S phase ของรอบเซลล์ เป็นแบบ กึ่งอนุรักษ์: โมเลกุลใหม่แต่ละตัวเก็บสายเก่าไว้หนึ่งสายและสายใหม่ไว้หนึ่งสาย ขั้นตอนมีดังนี้:

1. เกลียวคู่คลายออกและพันธะไฮโดรเจนแตกทำให้สายทั้งสองแยกออกจากกัน
2. แต่ละสายเก่าทำหน้าที่เป็นแม่แบบ นิวคลีโอไทด์อิสระจับคู่กับเบสที่เปิดออกด้วยการจับคู่เบสเสริมกัน
3. เอนไซม์ DNA polymerase เชื่อมต่อนิวคลีโอไทด์ใหม่เข้ากับสาย它能够只能添加核苷酸在5'到3'方向。

เนื่องจากกฎ 5′ ถึง 3′ นี้ สายใหม่ทั้งสองจึงสร้างต่างกัน:

• สายนำหน้า สร้างต่อเนื่องไปตามการคลายเกลียว
• สายล่าช้า สร้างเป็นชิ้นส่วนสั้นๆ ทำงานห่างจากจุดคลายเกลียว เอนไซม์ DNA ligase จะเชื่อมต่อชิ้นส่วนเหล่านี้เข้าด้วยกัน

RNA也被制成核苷酸，但它是单链结构，其糖分为核糖，并使用尿嘧啶代替胸腺嘧啶。此处最重要的是信使RNA (mRNA)，它携带基因指令的副本离开细胞核以供使用。

基因是编码一个多肽的DNA核苷酸序列。

密码以三联体——即三个碱基为一组——进行读取。每个三联体要么编码一种特定的氨基酸，要么作为开始或停止信号。该密码是通用的：几乎所有生物都使用相同的三联体来编码相同的氨基酸。

共有64种可能的三联体，但只有20种常见氨基酸，因此大多数氨基酸由多个三联体编码。

转录（在细胞核内）

DNA基因被复制成mRNA。这一过程称为转录。

• 被复制的DNA链称为模板链；互补链称为非转录链。
• RNA聚合酶将能与模板碱基配对的RNA核苷酸连接起来（其中尿嘧啶与腺嘌呤配对）。
• 在真核生物中，最初生成的RNA（初级转录本）包含称为外显子的编码部分和称为内含子的非编码部分。内含子被切除，外显子被连接在一起形成成熟的mRNA。

翻译（在核糖体上）

mRNA离开细胞核并附着在核糖体上。根据mRNA代码构建多肽的过程称为翻译。

• mRNA以密码子为单位进行读取（每个密码子是mRNA碱基的一个三联体）。
• 转运RNA (tRNA) 分子将氨基酸运送到核糖体。每个tRNA都有一个反密码子，可与匹配的密码子配对。
• 随着密码子按顺序被读取，核糖体通过肽键将氨基酸连接起来，从而构建多肽。

例题。 DNA模板链读作 TAC GGA CTT。请给出mRNA的密码子，并说明多肽的长度。通过互补碱基配对进行转录，请记住RNA使用尿嘧啶代替胸腺嘧啶：TAC 对应 AUG，GGA 对应 CCU，CTT 对应 GAA。因此mRNA读作 AUG CCU GAA。AUG 是起始密码子（甲硫氨酸），所以多肽长三个氨基酸——去除起始甲硫氨酸后剩余两个。本题大部分失分源于两个错误：书写mRNA时让A与T配对而非U，以及转录了编码链而非模板链。mRNA与模板链互补，除U替换T外与编码链相同。

基因突变是指DNA分子中碱基序列的改变。它可能会改变所生成的多肽。主要有三种类型：

• 置换——一个碱基被替换为不同的碱基。这最多只会改变一个氨基酸，有时甚至不会改变（因为大多数氨基酸有多个对应的三联体）。
• 缺失——移除了一个碱基。
• 插入——增加了一个额外的碱基。

缺失或插入会导致后续所有三联体的读取方式发生偏移，因此通常会改变该点之后的许多氨基酸，并对多肽产生巨大影响。

• DNA呈反向平行结构，通过氢键维持（A=T两个，C≡G三个）；复制是半保留的（每个产物保留一条旧链）。
• 说明位置和内容：转录（细胞核 → mRNA）、翻译（核糖体，mRNA + tRNA → 多肽）。
• 用全部四个术语描述该密码：三联体、不重叠、简并、通用。
• 对于基因突变（置换、插入、缺失）解释其对蛋白质的影响——并说明为何置换可以是沉默的（由于简并性）。

植物通过两种输导组织运输物质：

• 木质部将水和溶解的矿物质离子从根部向上运输。
• 韧皮部将溶解的食物（称为同化物，主要是糖类）输送到任何需要的地方。

在双子叶植物的横切面（垂直于纵轴的切割）中：

• 在茎中，木质部和韧皮部共同位于靠近外侧的束状结构中，且木质部位于每个束状结构的内侧。
• 在根中，木质部位于中心，通常呈星形，韧皮部位于星形的臂之间。
• 在叶中，两者均存在于叶脉中。

绘制平面示意图时，只需画出组织的轮廓，而不必画出具体的单个细胞。

*ตำแหน่งของเนื้อเยื่อ: กลุ่มในก้านจะเรียงเป็นวงใกล้ขอบ (เนื้อไม้อยู่ด้านใน); ในรากเนื้อไม้จะสร้างรูปดาวตรงกลาง

*เนื้อไม้ของลำต้นคือเนื้อไม้; แต่ละวงคือหนึ่งปีของการเจริญเติบโต

ท่อลำเลียงน้ำ (Xylem vessels)

ท่อลำเลียงน้ำของเนื้อเยื่อxylemเรียกว่า ท่ออ้อม (vessels) ซึ่งประกอบด้วยเซลล์ที่ตายแล้วและว่างเปล่า เชื่อมต่อกันปลายต่อปลาย โดยผนังส่วนปลายหายไป ทำให้เกิดเป็นท่อยาวเปิดโล่ง ผนังของท่อมีความหนาและเคลือบด้วย ลิกนิน เพื่อป้องกันน้ำซึมเข้า ดังนั้นโครงสร้างจึงเหมาะสมกับหน้าที่: ท่อกลวงเปิดโล่งที่ไม่มีเนื้อหาภายในช่วยให้การไหลของน้ำรวดเร็ว และลิกนินให้แรงและความแข็งแรง

ท่อตะแกรงและเซลล์คู่ (Phloem sieve tubes and companion cells)

ท่อลำเลียงอาหารของเนื้อเยื่อphloemเรียกว่า ท่อตะแกรง (sieve tubes) ซึ่งเป็นเซลล์ที่มีชีวิตเชื่อมต่อกันปลายต่อปลาย แต่ผนังส่วนปลายไม่หายไป — กลายเป็น แผ่นตะแกรง (sieve plates) ที่มีรูพรุนจำนวนมาก น้ำเลี้ยงพืชจะไหลผ่านรูเหล่านี้ เพื่อสร้างพื้นที่สำหรับการไหล เซลล์ในท่อตะแกรงจึงสูญเสียเนื้อหาส่วนใหญ่ไปและไม่มีนิวเคลียส

ข้างๆ ท่อตะแกรงแต่ละเส้นจะมี เซลล์คู่ขนาน (companion cell) ซึ่งยังคง นิวเคลียส ไว้และมี ไมโทคอนเดรีย จำนวนมาก ทำหน้าที่มีชีวิตแทนท่อตะแกรงและโหลดน้ำตาลเข้าไปในนั้น

*เนื้อไม้เป็นท่อตายที่ว่างเปล่า; เนื้อ Флоเอมเป็นท่อตะแกรงที่มีชีวิต มีแผ่นตะแกรงและเซลล์คู่

นี่คือรูปลักษณ์จริงของ กลุ่มเนื้อเยื่อลำเลียง (vascular bundle) ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ ในส่วนตัดสีของก้านดอกทานตะวันอ่อน:

น้ำเข้าสู่ เซลล์ขนราก (root hair cell) โดย ออสโมซิส เนื่องจาก/root hair มีศักย์น้ำต่ำกว่าน้ำในดิน น้ำจึงข้ามผ่านรากสู่เนื้อไม้ด้วยเส้นทางสองแบบ:

• เส้นทางอะพอพลาสต์ (apoplast pathway) — น้ำเคลื่อนที่ผ่าน ผนังเซลล์ (made of cellulose) และช่องว่างระหว่างเซลล์ โดยไม่เข้าสูไซโทพลาซึม这条路เร็ว
• เส้นทางซิมพลาสต์ (symplast pathway) — น้ำเคลื่อนที่ผ่านไซโทพลาซึมของเซลล์ ผ่านจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่งผ่าน พลาสโมเดสมاتا (plasmodesmata).

ที่วงกลมของเซลล์ซึ่งเรียกว่า ชั้นเอ็นโดเดอร์มิส (endodermis) เส้นทางaeroplastจะถูกขัดขวางโดย แถบคัสปารี่ (Casparian strip) ซึ่งเป็นแถบกันน้ำที่ทำจาก ซูเบริน สิ่งนี้บังคับให้น้ำทุกหยดต้องไหลผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ ซึ่งช่วยให้พืชควบคุมสิ่งที่เข้าสู่xylemได้

การคายน้ำ (Transpiration) คือการสูญเสียไอน้ำจากพืช น้ำ ระเหย (evaporates) (เปลี่ยนเป็นไอ) จากผิวเซลล์ที่เปียกชื้นภายในใบ — นี่คือ การระเหย (evaporation) ไอน้ำจากนั้น แพร่ (diffuses) ออกผ่าน ปากใบ (stomata) เข้าสู่ บรรยากาศ (atmosphere)

การสูญเสียที่ด้านบนนี้ดึงน้ำขึ้นไปในxylemเป็นแนวต่อเนื่อง ซึ่งทำงานได้เนื่องจากพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำ:

• โมเลกุลของน้ำดึงดูดกันเองผ่าน พันธะไฮโดรเจน ทำให้เกาะติด在一起 This sticking is cohesion, and it lets the whole column be pulled up under tension (the cohesion–tension idea).
• โมเลกุลของน้ำยังยึดติดกับเซลลูโลสของผนังเซลล์ด้วย นี่คือ การยึดเกาะ (adhesion) ซึ่งช่วยยึดแนวคอลัมน์ไว้ให้อยู่กับที่

ตัวอย่างวิธีทำ. เซลล์พืชที่มีศักย์น้ำ $-800\ \text{kPa}$ วางอยู่ในสารละลายที่มีศักย์น้ำ $-400\ \text{kPa}$ น้ำจะไหลไปในทิศทางใด และเซลล์จะเป็นอย่างไร? น้ำจะไหลเสมอ ตาม เกรเดียนต์ศักย์น้ำ — จากค่าที่ น้อยลบกว่า (สูงกว่า) ไปยังค่าที่ มากลบกว่า (ต่ำกว่า) สารละลายที่ $-400$ มีค่า สูงกว่า เซลล์ที่ $-800$ ดังนั้นน้ำจึงไหล เข้า ในเซลล์ เซลล์จะบวม โปรโตพลาสท์จะกดกับผนังเซลล์ ศักย์ความดัน จะเพิ่มขึ้น และเซลล์จะกลายเป็น เต่งตึง กับดักสองอย่าง: $-400$ มีค่า มากกว่า $-800$ ซึ่งเป็นข้อผิดพลาดเรื่องเครื่องหมายลบที่ทำให้คำตอบผิดครึ่งหนึ่ง; และน้ำบริสุทธิ์คือค่าสูงสุดที่ 0, ดังนั้นสารละลายทุกอย่างจึงเป็นลบ และศักย์น้ำไม่สามารถสูงเกินศูนย์ได้

พืชทนแล้ง (xerophyte) เป็นพืชที่ ปรับตัว (adapted) เพื่อใช้ชีวิตในพื้นที่ที่มีน้ำจำกัด ใบของพืชนี้ลดการสูญเสียน้ำจากการคายน้ำได้ด้วยหลายวิธี: เคอติคิวล้า (cuticle) ขี้ผึ้งหนา, ปากใบ (stomata) ลึกอยู่ในร่อง, ขนที่ดักจับอากาศชื้น, และใบที่สามารถม้วนตัวขึ้นได้ คุณควรสามารถวาดภาพตัดขวางของใบพร้อมฉลากแสดงลักษณะเหล่านี้ได้

สารที่ดูดซึม เช่น ซูโครส และ กรดอะมิโน ถูกขนส่งในเนื้อเยื่อฟลอยัมจาก แหล่งกำเนิด ไปยัง จุดใช้สอย

• แหล่งกำเนิด คือสถานที่ที่สารถูกผลิตหรือปล่อยออกมา (เช่น ใบที่ทำกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง)
• จุดใช้สอย คือสถานที่ที่สารถูกนำไปใช้หรือเก็บสะสม (เช่น รากที่กำลังเจริญเติบโต)

การโหลดที่แหล่งกำเนิด

เซลล์คู่โหลดซูโครสเข้าสู่ท่อตะแกรงทวนความแตกต่างของความเข้มข้น โดยใช้ โปรตอนปั๊ม เพื่อปั๊มไฮโดรเจนไอออนออก แล้ว โปรตีนโคทรานพอร์ตเตอร์ จะนำซูโครสกลับเข้ามาพร้อมกับไอออนเหล่านี้ นี่คือรูปแบบหนึ่งของ การขนส่งแบบแอคทีฟ

การโหลดซูโครสทำให้ ศักย์น้ำ ภายในท่อตะแกรงลดลง น้ำจึงไหลเข้าไปตามกระบวนการออสโมซิส สิ่งนี้จะทำให้ แรงดันไฮดรอสแตติก เพิ่มขึ้น

การไหลของมวล

ที่จุดใช้สอย ซูโครสจะถูกกำจัดออกไป ทำให้ศักย์น้ำเพิ่มขึ้น น้ำออกจากเนื้อเยื่อ และแรงดันลดลง ผลลัพธ์คือเกิดผลต่างแรงดันระหว่างแหล่งกำเนิด (สูง) และจุดใช้สอย (ต่ำ) น้ำเลี้ยงพืชจะไหล从高ไปต่ำตาม gradien นี้ กระบวนการไหลที่ขับเคลื่อนด้วยแรงดันนี้เรียกว่า การไหลของมวล

• ระบุชนิดเนื้อเยื่อสำหรับแต่ละทิศทาง: เอชไซล์ม ขนส่งน้ำขึ้น (เซลล์ตาย, มีลิกนิน), ฟลอยัม ขนส่งสารที่ดูดซึมได้ทั้งสองทาง (ท่อตะแกรงที่มีชีวิต + เซลล์คู่)
• อธิบายการเคลื่อนที่ของน้ำโดยกลไก แรงยึดเหนี่ยว-แรงตึง: การคายน้ำดึงคอลัมน์น้ำต่อเนื่องซึ่งถูกยึดไว้ด้วยแรงยึดเหนี่ยว (พันธะไฮโดรเจน) และแรงยึดเกาะ
• จงระบุปัจจัยที่ส่งผลต่อ **อัตราการ transpiration ** (แสง อุณหภูมิ ความชื้น การเคลื่อนตัวของอากาศ) และวิธีที่ potometer วัดการดูดซึมน้ำ
• สำหรับ พืชทะเลทราย เชื่อมโยงการปรับตัวแต่ละอย่าง (ผิวหนา, ปากใบฝังลึก, ใบม้วน, ขน) กับอัตราการสูญเสียบน้ำที่ลดลง

สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมี ระบบไหลเวียนเลือดแบบปิดสองรอบ คำว่า "ปิด" หมายความว่าเลือดอยู่ใน หลอดเลือด ตลอดเวลา คำว่า "สองรอบ" หมายความว่าเลือดผ่าน หัวใจ สองครั้งสำหรับการหมุนเวียนเต็มรอบหนึ่ง สิ่งนี้สร้างวงจรสองวงที่เชื่อมโยงกัน เราจึงเรียกว่าเป็น ระบบไหลเวียนเลือดแบบสองรอบ และทั้งหมดนี้เรียกว่า ระบบไหลเวียนเลือด:

• ระบบไหลเวียนเลือดปอด ขนส่งเลือดจากหัวใจไปยังปอดและกลับมา
• ระบบไหลเวียนเลือดทั่วไป ขนส่งเลือดจากหัวใจไปยังส่วนอื่นๆ ของร่างกายและกลับมา

เลือดเดินทางตามลำดับนี้: หลอดเลือดแดง → หลอดเลือดฝอยเล็ก → หลอดเลือดฝอย → หลอดเลือดดำเล็ก → หลอดเลือดดำ

หลอดเลือดหลักมีดังนี้:

• หลอดเลือดแดงปอด — ขนส่งเลือดที่มี ออกซิเจน ต่ำจากหัวใจไปยังปอด
• หลอดเลือดดำปอด — ขนส่งเลือดที่มีออกซิเจนสูงจากปอดกลับมาที่หัวใจ
• หลอดเลือดแองโธรา — หลอดเลือดแดงใหญ่ที่ขนส่งเลือดที่มีออกซิเจนสูงจากหัวใจไปยังร่างกาย
• หลอดเลือดวีนาคาวา — หลอดเลือดดำใหญ่ที่นำเลือดที่มีออกซิเจนต่ำจากร่างกายกลับมาที่หัวใจ

ความเหมาะสมของหลอดเลือดต่อหน้าที่

เซลล์เม็ดเลือด

คุณควรจำได้: เม็ดเลือดแดง (ซึ่งขนส่งออกซิเจน), และเม็ดเลือดขาวสามชนิด — โมโนไซต์, นิวโทรฟิล และ ไลม์โฟซิต

น้ำ พลาสมา และของเหลวในเนื้อเยื่อ

水是血液的主要成分。它是一种良好的溶剂，因此能携带溶解的物质，并且具有高的比热容，所以血液的温度保持稳定。

ที่ปลายต้นของหลอดเลือดฝอย แรงดันเลือดที่สูงจะดันของเหลว (แต่ไม่ใช่เซลล์หรือโปรตีนขนาดใหญ่) ออกมาจาก พลาสมา ผ่านผนังหลอดเลือดฝอย ของเหลวรอบๆ เซลล์นี้คือ ของเหลวในเนื้อเยื่อ มันให้สารอาหารแก่เซลล์และนำของเสียออก ส่วนใหญ่จะกลับเข้าสู่หลอดเลือดฝอยที่ปลาย另一端 ซึ่งแรงดันต่ำกว่า

การขนส่งออกซิเจน

ออกซิเจนถูกขนส่งโดย ฮีโมโกลบิน ในเซลล์เม็ดเลือดแดง เราแสดงถึงประสิทธิภาพที่ฮีโมโกลบินจับออกซิเจนได้ด้วย กราฟการแยกตัวของออกซิเจน กราฟรูปตัว S นี้แสดงระดับ ความอิ่มตัว (ปริมาณออกซิเจนที่ฮีโมโกลบินมีอยู่) เทียบกับ ความดันย่อยของออกซิเจน:

• เมื่อความดันย่อยของออกซิเจน สูง (ในปอด) ฮีโมโกลบินจะจับออกซิเจนเข้าไว้และมีความอิ่มตัวเกือบเต็ม
• เมื่อความดันย่อย ต่ำ (ในเนื้อเยื่อที่กำลังมีการหายใจ) ฮีโมโกลบินจะปล่อยออกซิเจนออกมาเพื่อให้เซลล์นำไปใช้

การเลื่อนไปทางขวาของบอร์ (Bohr shift)

เมื่อเนื้อเยื่อทำงานหนักมาก จะปล่อย คาร์บอนไดออกไซด์ ออกมามากขึ้น ซึ่งจะทำให้ค่า pH ลดลง สิ่งนี้ทำให้ฮีโมโกลบินปล่อยออกซิเจนได้ง่ายขึ้น ทำให้กราฟเลื่อนไปทางขวา การเปลี่ยนแปลงที่เป็นประโยชน์นี้เรียกว่า การเลื่อนไปทางขวาของบอร์: ออกซิเจนจะถูกปล่อยออกมาที่ตำแหน่งที่ต้องการมากที่สุดพอดี

การขนส่งคาร์บอนไดออกไซด์

คาร์บอนไดออกไซด์บางส่วนละลายเข้าไปในพลาสมาโดยตรง แต่ส่วนใหญ่จะถูกขนส่งหลังจากเกิดปฏิกิริยาภายในเซลล์เม็ดเลือดแดง:

1. เอนไซม์ คาร์บอนิกแอนไฮเดรซ ช่วยเร่งปฏิกิริยาระหว่างคาร์บอนไดออกไซด์กับน้ำเพื่อสร้างกรดคาร์บอนิค
2. กรดคาร์บอนิคแตกตัวเป็นไอออนไฮโดรเจนและ ไอออนไฮโดรเจนคาร์บอเนต
3. ไอออนไฮโดรเจนคาร์บอเนตเคลื่อนที่ออกไปยังพลาสมา นี่คือวิธีหลักในการขนส่งคาร์บอนไดออกไซด์
4. เพื่อรักษาสมดุลของประจุ ไอออนคลอไรด์ จะเคลื่อนที่เข้าสู่เซลล์เม็ดเลือดแดง การเคลื่อนที่นี้เรียกว่า การเลื่อนคลอไรด์ (chloride shift)
5. ไอออนไฮโดรเจนจะรวมกับฮีโมโกลบินเพื่อสร้าง กรดฮีโมโกลบิน; สิ่งนี้จะดูดซับไอออนไฮโดรเจนและรักษาค่า pH ให้คงที่

คาร์บอนไดออกไซด์บางส่วนยังรวมกับฮีโมโกลบินโดยตรงเพื่อสร้าง คาร์บามิโนฮีโมโกลบิน

ตัวอย่างคำนวณ. ที่ปอด ความดันย่อยของออกซิเจนอยู่ที่ประมาณ $12\ \text{kPa}$ และฮีโมโกลบินมีความอิ่มตัวประมาณ 98%; ในกล้ามเนื้อที่กำลังออกกำลังกายอยู่ที่ประมาณ $3\ \text{kPa}$ และความอิ่มตัวลดลงเหลือประมาณ 40% มีออกซิเจนถูกปล่อยออกมาเท่าไหร่ และทำไมกราฟจึงมีรูปตัว S? หักค่าความอิ่มตัว: $98 - 40 =$ 58% ของออกซิเจนในฮีโมโกลบินถูกปล่อยในกล้ามเนื้อ รูปร่างตัว S เกิดจาก การจับแบบร่วมมือ: ออกซิเจนตัวแรกที่จับเปลี่ยนรูปร่างของฮีโมโกลบินทำให้ตัวถัดๆ ไปจับได้ง่ายขึ้น นี่คือเหตุผลว่าทำไมส่วนกลางของกราฟจึงชันมาก ความชันนี้เป็นจุดสำคัญ: การลดลงเล็กน้อยของความดันย่อยในเนื้อเยื่อที่กำลังหายใจ ทำให้การปล่อยออกซิเจน มาก คาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มในกล้ามเนื้อที่กำลังออกกำลังกาย会降低ค่า pH และเลื่อนกราฟ ไปทางขวา ทำให้มีการปล่อยออกซิเจนมากขึ้นที่ความดันย่อยเท่าเดิม นั่นคือหน้าที่ของการเลื่อนไปทางขวาของบอร์

โครงสร้าง

หัวใจมีสี่ห้อง ห้องบนสองห้องคือ ** atria ** (เอกพจน์: atrium);它们有薄的壁因为它们只把血液推向下方的腔室。两下腔是 ** ventricles **;它们有厚的肌肉壁因为它们在将血液泵出心脏。

左心室壁比右心室壁厚，因为左侧必须将血液泵至全身，而右侧仅泵至附近的肺部。

รอบการเต้นของหัวใจ (cardiac cycle)

หนึ่งรอบการเต้นของหัวใจคือ cardiac cycle ซึ่งประกอบด้วยสองส่วน: systole (เมื่อกล้ามเนื้อหัวใจหดตัว) และ diastole (เมื่อผ่อนคลายและเติมเลือดเข้า) เมื่อห้องใดห้องหนึ่งหดตัว ความดันภายในจะเพิ่มขึ้น การเปลี่ยนแปลงความดันนี้จะทำให้วาล์วเปิดและปิด เพื่อให้เลือดไหลได้ทางเดียวเท่านั้น

การควบคุมการเต้นของหัวใจ

หัวใจกำหนดจังหวะของตัวเอง:

• sinoatrial node ใน right atrium เป็น pacemaker它将ส่งคลื่นการกระตุ้นไฟฟ้ากระจายผ่าน atria ทำให้ atria หดตัว
• atrioventricular node รับคลื่นนี้ไว้ชั่วคราว (เพื่อให้ atria เติมเลือดออกหมดก่อน) แล้วส่งต่อไป
• Purkyne tissue นำคลื่นลงผ่านผนัง ventricle ทำให้ ventricles หดตัวจากด้านล่างขึ้นด้านบนและผลักเลือดออก

• ติดตามการไหลเวียนเลือดแบบคู่ (double circulation) และระบุชื่อ chambers, วาล์ว และหลอดเลือด; ผนัง left ventricle หนากว่า (สูบฉีดไกลกว่าด้วยความดันสูง)
• อ่านกราฟความดันของ cardiac-cycle: วาล์วจะเปิด/ปิดเมื่อความดันทั้งสองข้างตัดกัน
• อธิบาย เส้นโค้งการแยกตัวของออกซิเจน (รูปตัว S) และ Bohr shift (เมื่อมี CO2 มากขึ้น จะทำให้เส้นโค้งเคลื่อนที่ไปทางขวา ช่วยปล่อย O2 ไปยังเนื้อเยื่อที่มีกิจกรรมสูงมากขึ้น)
• ส่วนใหญ่ CO2 จะถูกขนย้ายในรูปของ ไฮโดรเจนคาร์บอเนต (ผ่านกระบวนการ chloride shift)

ร่างกายของคุณต้องการนำออกซิเจนเข้ามาและกำจัดคาร์บอนไดออกไซด์ การแลกเปลี่ยนนี้เกิดขึ้นในระบบ แลกเปลี่ยนแก๊ส อากาศจะไหลเข้าสู่ร่างกายตามเส้นทางดังนี้:

• ลงผ่าน หลอดลม (ท่อน้ำหายใจ),
• เข้าสู่ หลอดลมหลัก (สองเส้น分别与通往แต่ละปอด),
• เข้าสู่ หลอดลมย่อย จำนวนมาก,
• และสุดท้ายเข้าสู่ถุงลมเล็กๆ ที่เรียกว่า ถุงลม ลึกเข้าไปใน ปอด.

แต่ละถุงลมหุ้มอยู่ด้วยเครือข่ายของ หลอดเลือดฝอย ทำให้อากาศและเลือดอยู่ใกล้กันมาก

ขน เซลล์ถ้วย และต่อมเมือกทำงานร่วมกันเพื่อรักษาความสะอาดและสุขภาพของปอด: เมือกดักจับสิ่งสกปรกและจุลินทรีย์ และขนจะพาสิ่งเหล่านั้นออกไปเพื่อกลืนกิน

ถุงลมเป็นพื้นผิวที่ดีเยี่ยมสำหรับการแลกเปลี่ยนแก๊ส เพราะมี:

• พื้นที่ผิวรวม非常大 (ถุงลมเล็กๆ ล้านๆ ถุง),
• ผนังบางมาก — เยื่อบุแบบแบนของถุงลมและผนังหลอดเลือดฝอยมี thickness เพียงหนึ่งเซลล์เท่านั้น ดังนั้นระยะทางที่ต้องข้ามจึงน้อยมาก,
• การไหลเวียนเลือดที่อุดมสมบูรณ์จากเครือข่ายหลอดเลือดฝอย,
• เยื่อบุที่มีความชื้น ทำให้แก๊สละลายก่อนจะข้ามผ่าน

แก๊สเคลื่อนที่โดย การแพร่ ตาม ** gradien ความเข้มข้น** ของมัน:

• ออกซิเจน มีความเข้มข้นสูงในอากาศของถุงลมและความเข้มข้นต่ำในเลือด ดังนั้นมันจึงแพร่จากอากาศเข้าสู่เลือด
• คาร์บอนไดออกไซด์ มีความเข้มข้นสูงในเลือดและความเข้มข้นต่ำในอากาศของถุงลม ดังนั้นมันจึงแพร่จากเลือดเข้าสู่อากาศเพื่อถูกหายใจออก

*ข้ามผนังบางและมีความชื้น ออกซิเจนแพร่เข้าสู่เลือด และคาร์บอนไดออกไซด์แพร่ออก

ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ เนื้อเยื่อปอดจริงดูเหมือนลูกไม้สีชมพูละเอียด ruangเปิดจำนวนมากคือถุงลม และเส้นสีชมพูบางๆ ระหว่าง它们是 walls发生 gas exchange:

*เนื้อเยื่อปอดจริงที่ถูกย้อมสีสำหรับกล้องจุลทรรศน์: space เปิดคือถุงลม และผนังสีชมพูบางๆ คือตำแหน่งที่แก๊สข้าม; ทางเดินหายใจเล็กตั้งอยู่ตรงกลาง

การหายใจช่วยรักษาอากาศใหม่ไว้ในถุงลม และการไหลเวียนของเลือดช่วยขนย้ายแก๊สออกไปอย่างต่อเนื่อง ทั้งสองอย่างนี้ช่วยให้ gradien ความเข้มข้นยังคงชันไว้ ดังนั้นการแลกเปลี่ยนแก๊สจึงยังคงรวดเร็ว

ตัวอย่างฝึกฝน. ใช้กฎของฟิคส์เพื่ออธิบายว่าทำไมถุงลมจึง允许的 gas exchange รวดเร็ว如此 กฎของฟิคส์กำหนดให้อัตราการแพร่แปรผันตรงกับ

ดังนั้นอัตราการที่รวดเร็วจำเป็นต้องมีทั้งสามพจน์ทำงานร่วมกัน พื้นที่ผิว: ถุงลมจำนวนล้านๆ Gives a huge total area, ประมาณ $70\ \text{m}^2$. ระยะทางในการแพร่: เยื่อบุของถุงลมและ endodermium ของหลอดเลือดฝอยแต่ละชั้นมี thickness เป็นเซลล์แบนเพียงชั้นเดียว ดังนั้นออกซิเจนจึงข้ามได้ในเวลาต่ำกว่า $1\ \mu\text{m}$. ความแตกต่างของความเข้มข้น: Ventilation refreshes อากาศอย่างต่อเนื่อง tandis que circulation ขนย้ายเลือดที่อิ่มตัวด้วยออกซิเจนออกไปอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น gradien ที่ชันจะถูกคงไว้ เชื่อมโยงการปรับตัวแต่ละอย่างเข้ากับ พจน์ของสมการ ที่มันสนับสนุน - การระบุ "พื้นที่ผิวใหญ่ ผนังบาง การไหลเวียนเลือดดี" โดยไม่เชื่อมโยงกับกฎของฟิคส์จะเป็นคำตอบที่ weaker

• เชื่อมโยงคุณสมบัติของ ถุงลม แต่ละอย่างกับการแพร่ที่รวดเร็ว: พื้นที่ผิวใหญ่ ผนังบาง (หนึ่งเซลล์) ผิวหน้ามีความชื้น การไหลเวียนเลือดดี — คำตอบแบบ "พื้นที่ผิว ระยะทางสั้น Gradien ชัน"
• จับคู่เนื้อเยื่อทางเดินหายใจกับหน้าที่: กระดูกอ่อน (รักษาทางเดินหายใจให้เปิด) ขน + เซลล์ถ้วย (ดักจับและกวาดเมือก) กล้ามเนื้อเรียบและเส้นใยยืดหยุ่น
• จัดกรอบคำตอบโดยอ้างอิงแนวคิดจาก กฎของฟิก: อัตรา $\propto$ พื้นที่ผิว $\times$ ความต่างของความเข้มข้น $\div$ ระยะทาง

โรคติดเชื้อ เกิดจาก เชื้อโรค — ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่ในหรือบนโฮสต์และก่อให้เกิดความเสียหาย โรคติดเชื้อมีลักษณะเป็น ติดต่อได้: เชื้อโรคสามารถ แพร่กระจาย (ส่งต่อ) จากบุคคลหนึ่งไปยังอีกบุคคลหนึ่งได้

คุณจำเป็นต้องรู้เกี่ยวกับโรคสี่ชนิด เชื้อโรคที่ทำให้เกิดแต่ละโรค และวิธีการแพร่กระจายของแต่ละโรค

HIV เข้าไปทำลายเซลล์เม็ดเลือดขาวบางชนิด ทำให้ระบบ ภูมิคุ้มกัน ของร่างกายอ่อนลزلงอย่างช้าๆ

การควบคุมมีมิติ ด้านชีววิทยา, สังคม และ เศรษฐกิจ — คือวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับเชื้อโรค, พฤติกรรมและการศึกษาของคน และเงินทุนและทรัพยากรที่มีอยู่ ตัวอย่าง:

• cholera: จัดหาน้ำสะอาดและระบบบำบัดน้ำเสียที่เหมาะสม; สุขอนามัยที่ดี; วัคซีน ในบางพื้นที่
• malaria: นอนใต้มุ้ง; กำจัดแหล่งน้ำนิ่งที่ยุงเพาะพันธุ์; พ่น ยาฆ่าแมลง; ใช้ยาลายมาลาเรีย
• TB: ค้นหาและรักษาผู้ป่วยที่ติดเชื้อด้วยชุดยาปฏิชีวนะระยะยาว; ให้วัคซีน BCG; ลดความแออัด; ติดตามผู้สัมผัสผู้ป่วย
• HIV: ใช้ถุงยางอนามัย; ใช้เข็มที่สะอาด; ตรวจสอบเลือดที่บริจาค; ศึกษาความรู้แก่ประชาชน ปัจจุบันยังไม่มีวิธีรักษาหรือวัคซีน แต่ยาสามารถชะลอการเจริญเติบโตของไวรัสได้

ในทุกกรณี ค่าใช้จ่าย (ด้านเศรษฐกิจ), ความพร้อมในการเปลี่ยนพฤติกรรมของคน (ด้านสังคม) และการจัดหายาหรือวัคซีน (ด้านชีววิทยา) ล้วนส่งผลต่อประสิทธิภาพในการควบคุมโรค

ยาปฏิชีวนะ คือยาที่ฆ่าแบคทีเรียหรือยับยั้งการเจริญเติบโตของมัน ตัวอย่างเช่น เพนิซิลลิน ยับยั้งการสร้าง ผนังเซลล์ ของแบคทีเรีย เมื่อแบคทีเรียเจริญเติบโต ผนังที่อ่อนแอไม่สามารถรองรับได้ เซลล์จึงดูดน้ำเข้าไปและแตก

ยาปฏิชีวนะ ไม่ มีผลต่อ ไวรัส ไวรัสไม่มีผนังเซลล์และไม่มีการทำปฏิกิริยาเคมีของตนเองให้โจมตี — มันเพียงใช้เครื่องจักรของเซลล์โฮสต์เท่านั้น ดังนั้นจึงไม่มีเป้าหมายสำหรับยาปฏิชีวนะในไวรัส