Concepts in Cell Biology: จากทฤษฎีเซลล์ถึง Nucleus

ส่วนที่ 1 — Cell Theory และประเภทของเซลล์ (Prokaryote vs Eukaryote)

Cell Theory: ใครค้นพบอะไร?

Cell theory ไม่ได้เกิดจากคนเดียว แต่เป็นผลงานของนักวิทยาศาสตร์หลายคนรวมกัน:

Cell theory มี 3 หลักการ:

1. สิ่งมีชีวิตทุกชนิดประกอบด้วยเซลล์
2. เซลล์ที่มีอยู่ทุกเซลล์ถูกสร้างจากเซลล์ที่มีชีวิตอื่น
3. เซลล์คือหน่วยพื้นฐานที่สุดของสิ่งมีชีวิต

Note: Virus ไม่ถือว่าเป็น organism เพราะเป็นแค่ particle ไม่ใช่เซลล์

ลำดับการจัดระเบียบ (Levels of organization): Cell → Tissue → Organ → Organ system → Organism

Prokaryote vs Eukaryote

มีเซลล์ 2 ประเภทหลัก:

• Eukaryotic cells (eu = truly, karyon = kernel/nucleus) → มี true nucleus ที่มีเยื่อหุ้ม ได้แก่ fungal, protozoa, algae, plant, animal cells
• Prokaryotic cells (pro = before) → ไม่มี nucleus ได้แก่ bacteria และ archaea

ตารางเปรียบเทียบที่ต้องจำ:

Prokaryote มีรูปร่างพื้นฐาน 3 แบบ: spherical (coccus), rod (bacillus), spiral (spirillus) — เป็นเซลล์ที่หลากหลายและมีจำนวนมากที่สุดในโลก

Archaea แม้จะเป็น prokaryote แต่มี genes และ metabolic pathways ที่ใกล้เคียง eukaryote มากกว่า bacteria — พบในสภาพแวดล้อมสุดขีด เช่น hot springs และ salt lakes

ส่วนที่ 2 — Cell Specialization, Stem Cells และ Cellular Membranes

Cell Specialization

แม้เซลล์ทุกเซลล์ในร่างกายมี DNA เหมือนกันทุกเซลล์ แต่เซลล์แต่ละชนิดจะ activate หรือ repress genes ที่ต่างกัน → ทำให้ได้ protein, รูปร่าง, metabolism และหน้าที่ที่แตกต่างกัน

กระบวนการนี้เรียกว่า Cell Specialization โดย stem cells (unspecialized) จะพัฒนาไปเป็นเซลล์เฉพาะทางต่างๆ

Stem Cells: แบ่งตามความสามารถในการ differentiate

Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs): เซลล์ปกติของผู้ป่วย (เช่น skin fibroblasts หรือ PBMC) ถูก reprogram กลับไปเป็น pluripotent stem cell แล้ว differentiate เป็นเซลล์ที่ต้องการ → ค้นพบโดย Shinya Yamanaka (Nobel Prize 2012)

Animal cells สร้าง tissue ได้ 4 ชนิดพื้นฐาน: Epithelium, Connective tissue, Muscle, Nervous tissue

Cellular Membranes

• Cell membrane (plasma membrane): แยก intracellular จาก external environment
• Internal membranes: แบ่งพื้นที่ภายในเซลล์ สร้าง organelles ที่มีหน้าที่เฉพาะ → เรียกว่า cell compartmentalization

โครงสร้างของ membrane:

• เป็น phospholipid bilayer — lipid 2 ชั้นเรียงกัน → ป้องกัน water-soluble molecules ผ่าน
• ประกอบด้วย lipids + proteins
• Membrane บางชนิดเป็น single membrane (lysosome, endosome) บางชนิดเป็น double membrane (nuclear membrane, mitochondrial membrane)

ส่วนประกอบบน membrane: Glycoprotein, Glycolipid, Cholesterol, Integral protein (เสริมความแข็งแรง), Peripheral protein, Channel protein, Alpha-helix protein

Major eukaryotic organelles: nucleus, mitochondria, endoplasmic reticulum, Golgi apparatus, lysosome, peroxisome, vesicles และ chloroplast (ในพืชเท่านั้น)

ส่วนที่ 3 — Nucleus: โครงสร้างและหน้าที่

ทำไม Nucleus จึงสำคัญที่สุด?

Nucleus คือ "ศูนย์ควบคุมของเซลล์" เพราะ:

• เป็น double-membraned organelle ที่สำคัญที่สุดใน eukaryotic cell
• เก็บ DNA (genome) ส่วนใหญ่ของเซลล์
• ควบคุม cell function ผ่าน gene expression — เลือกว่าจะแสดง gene ไหนออกมาเป็น protein

Central Dogma: DNA → (Transcription) → mRNA → (Translation) → Protein

2 กระบวนการหลักใน nucleus:

1. DNA Replication — DNA ทำสำเนาตัวเองระหว่าง cell division (รวมถึง DNA repair และ recombination)
2. Transcription — DNA ถูก copy เป็น RNA แล้วผ่าน RNA processing (5' capping, RNA splicing, 3' polyadenylation) → mRNA ถูก export ออกทาง nuclear pore → Ribosome ทำ Translation ใน cytoplasm

จำไว้: ไม่ใช่ทุกเซลล์จะมี nucleus 1 อัน → Red blood cell ไม่มี nucleus เลย (anucleated) ส่วน Osteoclast มีหลาย nucleus (multinucleated)

Nuclear Components ทั้ง 7 อย่าง

1. Nuclear Envelope

• Double membrane (inner + outer phospholipid bilayer)
• Perinuclear space กว้าง ~30–50 nm คั่นระหว่าง 2 ชั้น → เชื่อมต่อกับ ER (outer membrane เชื่อมกับ RER)
• ด้านในมี nuclear lamina บุอยู่
• มี functions: แยก nucleus จาก cytoplasm, ปกป้อง genetic material, ควบคุมการแลกเปลี่ยน molecules

2. Nuclear Pores (Nuclear Pore Complexes — NPCs)

• ช่องทางเดียวที่สิ่งต่างๆ ผ่าน nuclear envelope ได้
• แต่ละ pore ล้อมด้วย 30 distinct proteins (nucleoporins)
• ควบคุม regulated transport:
  • ออกจาก nucleus: mRNA, ribosomal subunits
  • เข้าสู่ nucleus: proteins (DNA polymerase, lamins, ribosomal proteins), carbohydrates, signaling molecules, lipids

3. Nucleoplasm

• ของเหลวข้นๆ (nucleosol) ที่อยู่ภายใน nucleus
• ประกอบด้วย water, dissolved ions, nuclear bodies, nucleoskeleton

4. Chromatin (DNA + Protein)

• DNA จับกับ protein → สร้างเป็น chromatin
• Heterochromatin = ส่วนที่ condensed มาก → transcription น้อย (less active)
• Euchromatin = โครงสร้างหลวม → อนุญาตให้ transcription เกิดได้
• DNA-binding proteins: Histone และ Non-histone chromosomal proteins
• Nucleosome = Histone-DNA complex → เรียงกันเป็น "beads-on-string structure"
• Chromosome packing: DNA (2 nm) → Nucleosomes (11 nm) → Chromatin (30 nm) → Chromatin loops (300 nm) → Condensed loops (700 nm) → Chromosome (1400 nm)
• Nucleus มนุษย์ (6 µm) บรรจุ 46 chromosomes ที่ถ้าคลายออกจะยาว ~2 เมตร

5. Nuclear Bodies (non-membraned proteinaceous structures)

• Nucleolus: อยู่กลาง nucleus, ทำจาก protein + RNA + DNA → หน้าที่หลักคือ ribosome biogenesis (สังเคราะห์ rRNA + รวมกับ proteins → ribosome subunits → ส่งออกทาง nuclear pore)
• Nuclear speckles: เก็บ splicing factors สำหรับ mRNA processing
• Cajal bodies: เกี่ยวข้องกับ transcription, splicing, ribosome biogenesis, telomere maintenance
• PML-nuclear body: มี promyelocytic leukemia protein (PML) → ควบคุม transcription regulation, apoptosis, genome stability, cell division; PML loss/mutation → พบในมะเร็งหลายชนิด

6. Nuclear Matrix

• ประกอบด้วย nuclear lamina complex, ribonucleoprotein networks, fibrillar elements
• คล้าย cytoskeleton แต่ dynamic กว่า
• หน้าที่: ค้ำโครงสร้าง nucleus และจัด spatial organization ของ nuclear bodies

7. Nuclear Lamina

• ประกอบด้วย lamins (intermediate filaments เฉพาะของ nucleus)
• หน้าที่: structural support, DNA repair, cell cycle control, gene expression regulation

Laminopathy — โรคจาก mutation ใน lamins:

• Emery-Dreifuss muscular dystrophy (EMDM) — กล้ามเนื้อลีบ
• Hutchinson-Gilford progeria syndrome (HGPS) — แก่ก่อนวัย: lamin A ผิดปกติ → nuclear envelope ไม่เสถียร → เซลล์ตายเร็วขึ้น
• Familial partial lipodystrophy (FPLD) — ไม่สะสมไขมันตามแขนขา
• Peripheral neuropathy