میتوکندری را بشناسیم

مقدمه

سلول­ ها، به عنوان کوچک ترین واحد های سازنده بدن هر موجود زنده، محل رویداد های ضروری برای تداوم حیات است. پایه­ ای­ ترین و اساسی­ ترین این رویداد­ ها، تولید انرژی است که درون سلول و به کمک ارگان­ های درون سلولی تخصص یافته­ ای به نام میتوکندری­ انجام می­­ شود. در این مقاله قصد داریم میتوکندری و ساختار آن را معرفی کنیم.

بخش اول: تعریف

قبل از هرچیز، بیایید ببینیم میتوکندری چیست؟

میتوکندری چیست؟

میتوکندری یکی از ساختارهای تخصصص یافته درون سلولی است که وظیفه تولید انرژی را بر عهده دارد. اگر چه میتوکندری نقش­ های دیگری نیز درون سلول ایفا می ­کند، اما تخصصی ترین عمل آن همان تولید انرژی است. ساختار کلی میتوکندری به صورت شماتیک در شکل زیر ارائه شده است.

میتوکندری و اجزای آن

بخش دوم: ساختار میتوکندری

میتوکندری، یک اندام بیضی شکل درون سلولی است که ساختار منحصر به فردی دارد. اگر میتوکندری را از مقطع عرضی برش دهیم، تصویری مانند شکل بالا مشاهده خواهیم کرد.

غشای میتوکندریایی (mitochondrial membrane)

غشای پوشاننده میتوکندری دو لایه است که هر دو، جنسی مشابه غشای سلول دارند و از مولکول ­های فسفولیپید دو لایه تشکیل شده ­اند. لایه بیرونی که کل میتوکندری را احاطه کرده است، سرشار از حفره­ ها و کانال­ های پروتئینی است. به طوری که یون­ ها و حتی برخی از مولکول ­های پروتئینی کوچک می ­توانند بدون مقاومت، از غشای بیرونی عبور کنند.

غشای درونی نیز، ساختاری مشابه دارد؛ اما به ورود و خروج مواد مقاومت تر است و از این جهت، بسیار مشابه غشای سلولی است. غشای داخلی، همچنین سرشار از پروتئین­ های درگیر در زنجیره انتقال الکترون و سنتز ATP است.

ویژگی منحصر به فرد دیگری که غشای درونی دارد، ساختار چین­دار آن است که باعث می ­شود، سطح تماس بیشتری نیز داشته باشد.

کریستا (Crista)

چین­ های غشای درونی که به سمت داخل میتوکندری برجسته شده ­اند، کریستا نام دارد. کریستاها محل تجمع پروتئین­ های درگیر در انتقال الکترون و در نتیجه، فرآیند سنتز ATP هستند.

نمای نزدیک از کریستا، جایی که زنجیره انتقال الکترون در آن قرار دارد.

فضای بین غشایی (Intermembrane space)

فاصله ­ای که بین غشای بیرونی و درونی وجود دارد، فضای بین­ غشایی نامیده می­ شود که وجود آن برای عملکرد­ های منحصر به فرد میتوکندری ضروری است. از آنجایی که نفوذپذیری غشای داخلی با غشای خارجی متفاوت است، غلظت یون­ ها و مولکول­ های مختلف در فضای بین­ غشایی، هم با ستوزول تفاوت دارد و هم با ماتریکس که متناسب با عملکرد های ویژه میتوکندری است.

ماتریکس میتوکندریایی (mitochondrial matrix)

فضای درونی میتوکندری که توسط غشای درونی احاطه شده است، ماتریکس نام دارد. ماتریکس سرشار از انواع آنزیم ­هاست که در فرایند تولید انرژی و سایر عملکرد های میتوکندری دخالت دارند.

DNA میتوکندریایی و بخش­ های مختلف آن

DNA میتوکندریایی

میتوکندری، تنها عضو سلول، به غیر از هسته است که دارای DNA منحصر به خود می­ باشد. به این DNA ها، اصطلاحاً mtDNA می­ گویند. این mtDNAها اندکی با DNA هسته ­ای متفاوت هستند. همانطور که در شکل بالا می­ بینید، برخلاف DNA هسته ­ای، که به شکل مارپیچ دو لایه است، mtDNA به شکل حلقه بوده و در هر میتوکندری، 2 تا 10 کپی از آن وجود دارد. برخلاف سایر بخش­ های سلولی، mtDNA به شکل توارثی تک والد و تنها از مادر به فرزند منتقل می ­شود. mtDNA مجموعاً 37 ژن را کدگذاری می ­کند که 13 ژن آن مربوط به پروتئین­ هایی است که آنزیم ­های درگیر در فسفوریلاسیون اکسیداتیو را می­ سازند و 24 ژن باقی­مانده مربوط به RNA هاست. اگر چه mtDNA ها این توانایی را دارند که هم پروتئین و هم RNA را کدگذاری کنند، اما بازهم بیشتر پروتئین­ هایی که در عملکرد میتوکندری دخالت دارند توسط هسته سلول کدگذاری می ­شوند (3).

ریبوزوم میتوکندریایی و سنتز پروتئین در میتوکندری

ریبوزوم های میتوکندریایی

از آنجایی که میتوکندری داری DNA است، طبیعتاً به اندامک ­هایی احتیاج دارد که نسخه ژنی را ترجمه و پروتئین مورد نظر را بسازد. مانند سیتوزول سلول، درون میتوکندری نیز این عمل توسط ریبوزوم ­های میتوکندریایی انجام می­ شود. تعداد قابل توجهی ریبوزوم درون ماتریکس شناور است که وظیفه سنتز پروتئین­ های میتوکندریایی را به عهده دارد.

چه تعداد میتوکندری در هر سلول وجود دارد؟

عکسبرداری الکترونی از درون سلول نشان می­ دهد که میتوکندری­ ها، به طور قابل توجهی یک اندامک پویا هستند. درون یک سلول، می تواند 100ها تا 1000 ها میتوکندری وجود داشته باشد. از آنجایی که میتوکندری­ ها مخزن سوخت سلول به حساب می ­آیند، طبیعتاً تعداد آن­ ها در سلول­ هایی که از نظر انرژی فعال­ تر هستند، بیشتر است. بعنوان مثال، تحریک یک سلول عضلانی با انقباضات مکرر، باعث افزایش تعداد میتوکندری­ های آن، در جهت برآورده کردن نیاز انرژی سلول عضلانی خواهد شد (7).  

بخش سوم: عملکرد میتوکندری

نقش میتوکندری در سلول

شناخته شده­ ترین عملکرد میتوکندری، تولید انرژی می­ باشد. به این معنی که تبدیل مواد غذایی به انرژی در حضور اکسیژن در میتوکندری انجام می ­شود. با این­ حال، میتوکندری دو عمل اصلی و حیاتی دیگر در سلول به عهده دارد: تنظیم هومئوستاز کلسیم، مرگ برنامه ریزی شده سلول (آپوپتوز).

کلسیم، یکی از یون­ های اصلی در کنترل بیشتر عملکرد های حیاتی سلول است و تغییرات اندک در غلظت کلسیم سیتوزولی، می­ تواند منجر به فعال شدن و غیر فعال شدن بخشی زیادی از آنزیم ­های درگیر در فرایند های مختلف سلولی شود. از این رو، تنظیم دقیق غلظت کلسیم سیتوزولی، عملکرد صحیح و حفظ حیات سلول را تضمین می کند. علاوه بر آن، یکی از اولین گام­ های هدایت سلول به سمت مرگ برنامه ریزی شده، تحریک دسته ­ای از آنزیم­ های درگیر در این فرایند و نیز تحریک لیزوزوم ­های تجزیه کننده است که فعال شدن بیشتر آن­ها وابسته به کلسیم است. بنابراین، علاوه بر عملکرد میتوکندری در تولید انرژی مورد نیاز سلول، حیات آن نیز وابسته به عملکرد میتوکندری می­ باشد.

بیوژنز میتوکندری

میتوکندری یک بافت فعال است که حجم و تعداد آن در سلول همواره درحال تغییر است. تعداد و حجم میتوکندری در هر سلول، ارتباط مستقیم با میزان متابولیسم هوازی سلول دارد. به طوری که نشان داده شده است که تمرین ورزشی هوازی با افزایش تعداد و حجم میتوکندری در بیشتر بافت­ های فعال، به طور خاص عضلات اسکلتی و در مرحله بعدی کبد، بافت چربی، مغز و کلیه همراه است (4). اما این تغییرات چگونه اتفاق می­افتد؟

همانطور که گفته شد، میتوکندری یک بافت دارای DNA منحصر به فرد خود است. بنابراین توانایی تقسیم و افزایش تعداد خود را دارد. به فرایند افزایش تعداد میتوکندری درون سلول، بیوژنز میتوکندری (mitochondrial biogenesis) می­ گویند. از آنجایی که میتوکندری کنترل کننده حیات سلول است، بیوژنز میتوکندری یک رویداد مطلوب بوده و با افزایش عمر سلول و بهبود عملکردهای زیستی آن همراه خواهد بود.

در سلول های عضلانی، افزایش تعداد و حجم سلول، با افزایش توان هوازی و بهبود ظرفیت سوخت و ساز هوازی همراه است. بنابراین، یکی از سازگاری ­های مهم که افراد در اثر تمرین ورزشی، به ویژه تمرین ورزشی هوازی در طولانی مدت کسب می­ کنند، افزایش حجم و تعداد میتوکندری است (5).

بیوژنز میتوکندری، یک فرآیند پیچیده و بسیار کنترل شده است که در جای دیگر، به طور مفصل به آن خواهیم پرداخت.

فیژن و فوژن میتوکندری که درون سلول­ ها، بویژه سلول­ های فعال از نظر متابولیک، مانند عضلات، همواره در حال انجام است.

فیژن و فوژن

همانطور که گفته شد، میتوکندری همواره در درون سلول درحال تغییر حجم و تعداد است. به این منظور، میتوکندری­ ها، دو عملکرد اصلی انجام می­ دهند: تقسیم یک میتوکندری به دو میتوکندری که به آن فیژن (Fission) گفته می­ شود؛ اتصال دو میتوکندری به هم و یکی شدن آن­ها که به آن فوژن (Fusion) گفته می ­شود. فیژن و فوژن میتوکندری داخل بیشتر سلول­ ها، همواره در حال انجام است و بسته به نیاز متابولیکی سلول، هر کدام از این عملکرد ها می­تواند افزایش یا کاهش یابد (6).

منابع

1. https://www.nature.com/scitable/topicpage/mitochondria-14053590/
2. https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-015-0201-x
3. https://academic.oup.com/mbe/article/19/2/163/1074151?login=true
4. https://cdnsciencepub.com/doi/abs/10.1139/h11-076
5. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/jcmm.15194
6. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0047637420300063  
7. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0065128116300708