میتوکندری چه نقشی در سلول دارد؟ - مالزی ارزان

چگونگی کشف میتوکندری

میتوکندری ها برای نخستین بار در اوایل قرن نوزدهم به وسیله دانشمندان مشاهده شدند. در سال 1857، دانشمند آلمانی آگوستوس پترسون (Augustus W. Peter) برای نخستین بار ارگانل هایی در سلول های عضلانی شناسایی کرد که اکنون به نام میتوکندری شناخته می شوند. در ابتدا، عملکرد دقیق این ارگانل ها معین نبود و بسیاری از دانشمندان بر این باور بودند که میتوکندری ها تنها نقش ساختاری دارند.

اما در دهه های بعد، تحقیقاتی که به وسیله محققان مختلف انجام شد، نشان داد که میتوکندری ها وظیفه فراوری انرژی را در سلول ها به عهده دارند. در سال 1898، دانشمند آلمانی کارل بنس (Karl Benus) میتوکندری ها را به طور دقیق تری آنالیز کرد و به کشف اهمیت آن ها در متابولیسم سلولی پی برد. با گذشت زمان، از جمله کشف ساختارهای داخلی میتوکندری مانند ماتریکس و غشاهای دوگانه، معین شد که این ارگانل ها با فرآیندهای شیمیایی پیچیده ای به فراوری ATP می پردازند.

نقش میتوکندری ها در سلول

میتوکندری ها وظیفه اصلی خود را در تبدیل انرژی شیمیایی ذخیره شده در مولکول های غذایی (گلوکز و چربی ها) به ATP، که انرژی قابل استفاده برای سلول ها است، انجام می دهند. این فرآیند به نام فسفریلاسیون اکسیداتیو شناخته می گردد و در غشای داخلی میتوکندری ها رخ می دهد. در اینجا به شرح دقیق تر این نقش و کارکرد میتوکندری ها پرداخته ایم:

1. فراوری ATP و انرژی

مهم ترین وظیفه میتوکندری ها فراوری انرژی در سلول به صورت ATP است. این فرآیند به وسیله فسفریلاسیون اکسیداتیو انجام می گردد که به سه مرحله اصلی تقسیم می گردد:

• گلیکولیز (Glycolysis):

  گلیکولیز در سیتوپلاسم سلول رخ می دهد و در آن گلوکز به پیروات تبدیل می گردد. این فرآیند میزان کمی ATP فراوری می نماید، اما بیشتر انرژی گلوکز در مراحل بعدی به وسیله میتوکندری ها استخراج می گردد.

• چرخه کربس (Citric Acid Cycle):

  پیروات حاصل از گلیکولیز وارد میتوکندری شده و در آن به استیل کوآنزیم A تبدیل می گردد. سپس در چرخه کربس (که در ماتریکس میتوکندری رخ می دهد) به طور کامل تجزیه شده و مولکول های انرژی زایی به نام NADH و FADH2 فراوری می گردد.

• زنجیره انتقال الکترون (Electron Transport Chain):

  NADH و FADH2 فراوری شده در چرخه کربس وارد غشای داخلی میتوکندری می شوند و الکترون های خود را در زنجیره انتقال الکترون آزاد می نمایند. این الکترون ها به وسیله مجموعه ای از پروتئین ها به نام کمپلکس های انتقال الکترون حرکت نموده و انرژی آزاد می نمایند. این انرژی برای پمپ کردن پروتون ها به فضای بین غشایی میتوکندری استفاده می گردد. سپس، این پروتون ها به وسیله ATP سنتاز به ماتریکس میتوکندری باز می گردند و انرژی آن ها به صورت ATP ذخیره می گردد.

2. تنظیم متابولیسم کلسیم

میتوکندری ها نقش مهمی در ذخیره و تنظیم سطح کلسیم در سلول دارند. کلسیم برای بسیاری از فرآیندهای سلولی، از جمله انقباض عضلانی، ترشح هورمون ها، و سیگنال دهی سلولی، لازم است. میتوکندری ها می توانند کلسیم را از سیتوپلاسم جذب نموده و آن را در خود ذخیره نمایند. بعلاوه، میتوکندری ها می توانند کلسیم اضافی را آزاد نمایند و به این ترتیب سطح کلسیم در سلول را کنترل نمایند. این توانایی میتوکندری ها در تنظیم سطح کلسیم به تنظیم عملنمودهای سلولی مختلف یاری می نماید.

3. کنترل مرگ سلولی (آپوتوز)

میتوکندری ها در تنظیم فرآیند آپوتوز یا مرگ برنامه ریزی شده سلولی نقش کلیدی دارند. زمانی که سلول تحت استرس های مختلف قرار می گیرد یا دچار آسیب های ژنتیکی می گردد، میتوکندری ها ممکن است سیگنال هایی ارسال نمایند که منجر به فعال شدن کاسپازها (آنزیم هایی که فرآیند آپوتوز را تنظیم می نمایند) و در نتیجه مرگ سلولی شوند. این مکانیسم برای حذف سلول های آسیب دیده و جلوگیری از توسعه مسائل ژنتیکی و بیماری های مختلف لازم است.

4. تنظیم فراوری رادیکال های آزاد و استرس اکسیداتیو

در فرآیند فراوری ATP، میتوکندری ها نیز فراوری رادیکال های آزاد (مولکول های ناپایداری که می توانند به بافت ها آسیب برسانند) دارند. این رادیکال های آزاد به طور طبیعی به عنوان بخشی از متابولیسم سلولی فراوری می شوند. در شرایط نرمال، سیستم های آنتی اکسیدانی در سلول ها به مقابله با این رادیکال ها می پردازند، اما در صورت فراوری بیش ازحد آن ها، میتوکندری ها می توانند باعث استرس اکسیداتیو شوند که به DNA، پروتئین ها و غشاهای سلولی آسیب می زند. این آسیب ها ممکن است به بیماری های مختلفی مانند سرطان، بیماری های قلبی و پیری زودرس منجر گردد.

5. نقش در تنظیم هومئوستاز انرژی

میتوکندری ها نقش مهمی در تنظیم سطح انرژی سلول دارند. علاوه بر فراوری ATP، میتوکندری ها در ذخیره انرژی به صورت مولکول های NADH و FADH2 نیز دخالت دارند. این مولکول ها می توانند در فرآیندهای متابولیک دیگر از جمله فراوری مواد شیمیایی مورد احتیاج برای سنتز پروتئین ها و لیپیدها استفاده شوند. میتوکندری ها بعلاوه در فرآیند گلوکونئوژنز (فراوری گلوکز از منابع غیرکربوهیدراتی) و چربی سازی (لیپوژنز) نیز مشارکت دارند.

فیزیولوژی و ساختار میتوکندری

میتوکندری ها ارگانل های پیچیده ای در سلول های یوکاریوتی هستند که ساختار و فیزیولوژی خاص خود را دارند تا بتوانند وظیفه حیاتی فراوری انرژی برای سلول را به درستی انجام دهند. در ادامه به تفصیل در خصوص ساختار و فیزیولوژی میتوکندری شرح می دهیم.

ساختار میتوکندری

میتوکندری ها معمولاً به شکل بیضی یا کشیده و در میزان های مختلف در داخل سلول ها قرار دارند. این ارگانل ها ساختار خاصی دارند که به آن ها این امکان را می دهد که فرآیندهای متابولیک پیچیده ای را انجام دهند.

1. غشاهای میتوکندری

میتوکندری ها از دو غشا تشکیل شده اند:

• غشای بیرونی (Outer Membrane):

  این غشا به طور نسبی نفوذپذیر است. به این معنی که بسیاری از مولکول های کوچک مانند یون ها و آب می توانند از آن عبور نمایند. این غشا بعلاوه حاوی پروتئین های خاصی است که در انتقال مواد به داخل و خارج از میتوکندری نقش دارند.

• غشای داخلی (Inner Membrane):

  غشای داخلی به شدت نفوذناپذیر است و تنها به وسیله کانال ها و پروتئین های خاصی مواد می توانند از آن عبور نمایند. این غشا دارای ساختاری پیچیده است و در آن کریستاها (Cristae) شکل می گیرند. این کریستاها تا حد زیادی سطح غشا را افزایش می دهند و در نتیجه فضای بیشتری برای انجام واکنش های متابولیک فراهم می آید. غشای داخلی میتوکندری حاوی پروتئین های مرتبط با زنجیره انتقال الکترون و ATP سنتاز است که در فراوری انرژی سلولی نقش دارند.

2. ماتریکس میتوکندری (Mitochondrial Matrix):

ماتریکس فضای داخلی میتوکندری است که به وسیله غشای داخلی احاطه شده است. این فضا حاوی آنزیم ها و مواد شیمیایی مورد احتیاج برای انجام چرخه کربس (اسید سیتریک) و سایر واکنش های متابولیک است. ماتریکس بعلاوه حاوی DNA میتوکندریایی (mtDNA) است که به طور مستقل از DNA هسته ای عمل می نماید و مسئول فراوری بعضی از پروتئین های مورد احتیاج برای عملکرد میتوکندری است.

3. کریستاها (Cristae):

کریستاها چین خوردگی های غشای داخلی میتوکندری هستند که سطح غشا را افزایش می دهند. این افزایش سطح به ویژه برای انجام واکنش های شیمیایی در زنجیره انتقال الکترون و فراوری ATP مفید است. هرچه تعداد کریستاها بیشتر باشد، ظرفیت میتوکندری برای انجام واکنش های متابولیکی و فراوری انرژی بیشتر است.

4. فضای بین غشایی (Intermembrane Space):

این فضا بین غشای داخلی و غشای بیرونی میتوکندری واقع شده است. فضای بین غشایی مشابه فضای داخل سلول است و حاوی پروتئین های مختلف است که در فرآیندهای متابولیک دخالت دارند. به طور خاص، در فرآیند فسفریلاسیون اکسیداتیو، پروتون ها از داخل ماتریکس به فضای بین غشایی پمپ می شوند و این فرآیند به فراوری ATP یاری می نماید.

ژنتیک میتوکندری

میتوکندری ها دارای DNA خاص خود به نام DNA میتوکندریایی (mtDNA) هستند. این DNA به طور مستقل از DNA هسته ای عمل می نماید و بعضی از پروتئین های ضروری برای عملکرد میتوکندری را فراوری می نماید. DNA میتوکندریایی معمولاً به صورت دایره ای است و به علت اینکه تنها از مادر به ارث می رسد، در مطالعات ژنتیکی برای ردیابی وراثت و روابط خانوادگی استفاده می گردد.

نتیجه گیری

میتوکندری ها ارگانل های پیچیده ای هستند که نقشی حیاتی در سلول ایفا می نمایند. ساختار خاص آن ها شامل غشاهای دوگانه، ماتریکس و کریستاها به آن ها این امکان را می دهد که فرآیندهای متابولیکی پیچیده ای مانند فراوری ATP، تنظیم سطح کلسیم، و کنترل مرگ سلولی را انجام دهند. علاوه بر این، میتوکندری ها نقش مهمی در فراوری رادیکال های آزاد و استرس اکسیداتیو دارند که می تواند تأثیرات بزرگی بر سلامت سلول و بدن داشته باشد.