Ti thể thường được gọi là powerhouses của tế bào. Chúng giúp biến năng lượng chúng ta lấy từ thức ăn thành năng lượng mà tế bào có thể sử dụng. Nhưng, có nhiều ti thể hơn là sản xuất năng lượng.
Hiện diện trong gần như tất cả các loại tế bào của con người, ty thể rất quan trọng cho sự sống còn của chúng ta. Chúng tạo ra phần lớn lượng adenosine triphosphate (ATP), đồng tiền năng lượng của tế bào.
Mitochondria cũng tham gia vào các nhiệm vụ khác, chẳng hạn như tín hiệu giữa các tế bào và tế bào chết, hay còn gọi là apoptosis.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét cách ty thể hoạt động như thế nào, chúng trông như thế nào và giải thích điều gì sẽ xảy ra khi chúng ngừng hoạt động một cách chính xác.
Cấu trúc của ty lạp thể
Ti thể là nhỏ, thường từ 0,75 đến 3 micromet và không thể nhìn thấy dưới kính hiển vi trừ khi chúng bị nhuộm màu.
Không giống như các bào quan khác (các cơ quan thu nhỏ bên trong tế bào), chúng có hai màng, một màng ngoài và một bên trong. Mỗi màng có chức năng khác nhau.
Ti thể được chia thành các ngăn hoặc khu vực khác nhau, mỗi khu vực đều có vai trò riêng biệt.
Một số khu vực chính bao gồm:
Màng ngoài: Các phân tử nhỏ có thể tự do đi qua màng ngoài. Phần bên ngoài này bao gồm các protein được gọi là porins, tạo thành các kênh cho phép các protein đi qua. Màng ngoài cũng chứa một số enzyme có nhiều chức năng khác nhau.
Không gian màng chắn: Đây là vùng giữa màng trong và màng ngoài.
Màng bên trong: Màng này giữ các protein có nhiều vai trò. Bởi vì không có porins trong màng bên trong, nó là không thấm cho hầu hết các phân tử. Các phân tử chỉ có thể đi qua màng trong trong các chất vận chuyển màng đặc biệt. Màng bên trong là nơi mà hầu hết ATP được tạo ra.
Cristae: Đây là những nếp gấp của màng bên trong. Chúng làm tăng diện tích bề mặt của màng, do đó làm tăng không gian có sẵn cho các phản ứng hóa học.
Ma trận: Đây là không gian bên trong màng bên trong. Chứa hàng trăm enzym, điều quan trọng là sản xuất ATP. DNA ti thể được đặt ở đây (xem bên dưới).
Các loại tế bào khác nhau có số lượng ty thể khác nhau. Ví dụ, các tế bào máu đỏ trưởng thành không có gì cả, trong khi các tế bào gan có thể có hơn 2.000. Các tế bào có nhu cầu năng lượng cao có xu hướng có số lượng ty thể lớn hơn. Khoảng 40% tế bào chất trong các tế bào cơ tim được đưa ra bởi ty thể.
Mặc dù ti thể thường được vẽ như các bào quan hình bầu dục, chúng liên tục phân chia (phân hạch) và liên kết với nhau (phản ứng tổng hợp). Vì vậy, trên thực tế, các bào quan này được liên kết với nhau trong các mạng luôn thay đổi.
Ngoài ra, trong các tế bào tinh trùng, ti thể được xoắn ốc ở giữa và cung cấp năng lượng cho chuyển động đuôi.
DNA ti thể
Mặc dù phần lớn DNA của chúng ta được giữ trong hạt nhân của mỗi tế bào, ti thể có bộ ADN của riêng chúng. Điều thú vị là DNA ti thể (mtDNA) giống với DNA của vi khuẩn hơn.
Các mtDNA giữ các hướng dẫn cho một số protein và các thiết bị hỗ trợ tế bào khác trên 37 gen.
Bộ gen của con người được lưu trữ trong nhân tế bào của chúng ta chứa khoảng 3,3 tỷ cặp base, trong khi mtDNA có ít hơn 17.000.
Trong quá trình sinh sản, một nửa DNA của một đứa trẻ xuất phát từ cha của họ và một nửa từ mẹ của họ. Tuy nhiên, đứa trẻ luôn nhận được mtDNA từ mẹ. Bởi vì điều này, mtDNA đã chứng minh rất hữu ích để truy tìm các dòng di truyền.
Ví dụ, phân tích mtDNA đã kết luận rằng con người có thể có nguồn gốc ở châu Phi tương đối gần đây, khoảng 200.000 năm trước, xuất phát từ một tổ tiên chung, được gọi là Eve ty thể.
Ty thể làm gì?
Mặc dù vai trò nổi tiếng nhất của ti thể là sản xuất năng lượng, chúng cũng thực hiện các nhiệm vụ quan trọng khác.
Trong thực tế, chỉ có khoảng 3% các gen cần thiết để tạo ra một ty thể đi vào thiết bị sản xuất năng lượng của nó. Đại đa số là tham gia vào các công việc khác mà cụ thể cho loại tế bào nơi chúng được tìm thấy.
Dưới đây, chúng tôi đề cập đến một số vai trò của ty thể:
Sản xuất năng lượng
ATP, một hóa chất hữu cơ phức tạp được tìm thấy trong mọi hình thức của cuộc sống, thường được gọi là đơn vị phân tử của tiền tệ bởi vì nó cung cấp các quá trình trao đổi chất. Hầu hết ATP được sản xuất trong ty thể thông qua một loạt các phản ứng, được gọi là chu trình axit citric hoặc chu trình Krebs.
Năng lượng sản xuất chủ yếu diễn ra trên các nếp gấp hoặc cristae của màng bên trong.
Ti thể chuyển hóa năng lượng hóa học từ thức ăn chúng ta ăn thành dạng năng lượng mà tế bào có thể sử dụng. Quá trình này được gọi là quá trình phosphoryl hóa oxy hóa.
Chu kỳ Krebs tạo ra một hóa chất gọi là NADH. NADH được sử dụng bởi các enzym được nhúng trong cristae để tạo ra ATP. Trong các phân tử ATP, năng lượng được lưu trữ dưới dạng liên kết hóa học. Khi các liên kết hóa học này bị hỏng, năng lượng có thể được sử dụng.
Tế bào chết
Chết tế bào, còn gọi là apoptosis, là một phần thiết yếu của cuộc sống. Khi các tế bào trở nên cũ hoặc bị hỏng, chúng sẽ bị xóa đi và bị phá hủy. Ti thể giúp quyết định tế bào nào bị phá hủy.
Mitochondria giải phóng cytochrome C, kích hoạt caspase, một trong những enzyme chính tham gia vào việc phá hủy các tế bào trong quá trình apoptosis.
Bởi vì một số bệnh, chẳng hạn như ung thư, liên quan đến một sự cố trong apoptosis bình thường, ty thể được cho là đóng một vai trò trong bệnh.
Lưu trữ canxi
Canxi rất quan trọng đối với một số quá trình tế bào. Ví dụ, giải phóng canxi trở lại vào một tế bào có thể bắt đầu giải phóng chất dẫn truyền thần kinh từ tế bào thần kinh hoặc kích thích tố từ các tế bào nội tiết. Canxi cũng cần thiết cho chức năng cơ bắp, thụ tinh và đông máu, trong số những thứ khác.
Bởi vì canxi là rất quan trọng, tế bào điều chỉnh nó chặt chẽ. Ti thể đóng vai trò này bằng cách hấp thụ nhanh các ion canxi và giữ chúng cho đến khi chúng cần thiết.
Các vai trò khác đối với canxi trong tế bào bao gồm điều chỉnh chuyển hóa tế bào, tổng hợp steroid và tín hiệu hormone.
Sản xuất nhiệt
Khi chúng ta lạnh, chúng ta rùng mình để giữ ấm. Nhưng cơ thể cũng có thể tạo ra nhiệt theo những cách khác, một trong số đó là bằng cách sử dụng một mô gọi là chất béo màu nâu.
Trong một quá trình gọi là rò rỉ proton, ti thể có thể sinh nhiệt. Điều này được gọi là thermogenesis không run rẩy. Chất béo màu nâu được tìm thấy ở mức cao nhất ở trẻ sơ sinh, khi chúng ta dễ bị cảm lạnh hơn, và mức độ giảm dần khi chúng ta già đi.
Bệnh ty lạp thể
DNA trong ti thể dễ bị tổn thương hơn so với phần còn lại của bộ gen.
Điều này là do các gốc tự do, có thể gây ra thiệt hại cho DNA, được tạo ra trong quá trình tổng hợp ATP.
Ngoài ra, ti thể thiếu các cơ chế bảo vệ tương tự được tìm thấy trong hạt nhân của tế bào.
Tuy nhiên, phần lớn các bệnh ty thể là do đột biến trong DNA hạt nhân ảnh hưởng đến các sản phẩm kết thúc trong ti thể. Những đột biến này có thể được kế thừa hoặc tự phát.
Khi ti thể ngừng hoạt động, tế bào chúng ở trong đó bị thiếu năng lượng. Vì vậy, tùy thuộc vào loại tế bào, triệu chứng có thể khác nhau rất nhiều. Theo nguyên tắc chung, các tế bào cần lượng năng lượng lớn nhất, chẳng hạn như các tế bào cơ tim và dây thần kinh, bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi ty thể bị lỗi.
Đoạn sau đây xuất phát từ Quỹ bệnh Mitochondrial của Hoa Kỳ:
“Bởi vì ti thể thực hiện rất nhiều chức năng khác nhau trong các mô khác nhau, có hàng trăm bệnh ty thể khác nhau. […] Vì sự tương tác phức tạp giữa hàng trăm gen và tế bào phải hợp tác để giữ cho máy móc trao đổi chất của chúng ta hoạt động suôn sẻ, là một dấu hiệu của bệnh ty thể mà đột biến mtDNA giống hệt nhau có thể không tạo ra bệnh giống hệt nhau. “
Các bệnh gây ra các triệu chứng khác nhau nhưng là do cùng một đột biến được gọi là genocopies.
Ngược lại, các bệnh có triệu chứng tương tự nhưng được gây ra bởi đột biến ở các gen khác nhau được gọi là phenocopies. Một ví dụ về một phenocopy là hội chứng Leigh, có thể được gây ra bởi một số đột biến khác nhau.
Mặc dù các triệu chứng của bệnh ty thể khác nhau rất nhiều, chúng có thể bao gồm:
- mất phối hợp cơ và yếu
- vấn đề với thị lực hoặc thính giác
- khuyết tật học tập
- bệnh tim, gan hoặc thận
- Các vấn đề về dạ dày-ruột
- các vấn đề thần kinh, bao gồm mất trí nhớ
Các tình trạng khác được cho là liên quan đến một số mức độ rối loạn chức năng ty thể, bao gồm:
- bệnh Parkinson
- Bệnh Alzheimer
- rối loạn lưỡng cực
- tâm thần phân liệt
- Hội chứng mệt mỏi mãn tính
- bệnh Huntington
- Bệnh tiểu đường
- tự kỷ
Ti thể và lão hóa
Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu mối liên hệ giữa rối loạn chức năng ty thể và lão hóa. Có một số lý thuyết xung quanh sự lão hóa, và lý thuyết gốc tự do của ty thể về sự lão hóa đã trở nên phổ biến trong thập kỷ qua.
Lý thuyết là các loài oxy phản ứng (ROS) được sản xuất trong ty lạp thể, như một sản phẩm phụ của sản xuất năng lượng. Những hạt tích điện cao này làm tổn thương DNA, chất béo và protein.
Do các tổn thương do ROS gây ra, các bộ phận chức năng của ty thể bị hư hỏng. Khi ti thể không còn hoạt động tốt nữa, càng có nhiều ROS được tạo ra, làm tổn hại thêm nữa.
Mặc dù mối tương quan giữa hoạt động ty thể và lão hóa đã được tìm thấy, nhưng không phải tất cả các nhà khoa học đều đạt được kết luận tương tự. Vai trò chính xác của họ trong quá trình lão hóa vẫn chưa rõ.
Tóm lại
Mitochondria là, khá có thể, các organelle nổi tiếng nhất. Và, mặc dù chúng thường được gọi là cường quốc của tế bào, chúng thực hiện một loạt các hành động mà ít được biết đến nhiều hơn. Từ lưu trữ canxi đến thế hệ nhiệt, ti thể là cực kỳ quan trọng đối với chức năng hàng ngày của tế bào của chúng ta.
