عملکرد میتوکندری و بیوانرژتیک

میتوکندری‌ها اندامک‌های غشاداری هستند که بیشتر انرژی شیمیایی قابل استفاده سلول در آن‌ها تولید می‌شود. این بخش به بررسی چگونگی تبدیل انرژی ذخیره شده در مواد مغذی به آدنوزین تری‌فسفات (ATP) توسط میتوکندری، چگونگی حمایت ساختار آن‌ها از این تبدیل، و چگونگی مشارکت همین سازوکار در تولید گرما، مدیریت کلسیم، و تولید گونه‌های فعال اکسیژن می‌پردازد. بیوانرژتیک مطالعه کمی این تبدیل‌های انرژی است.

Definition

بیوانرژتیک میتوکندریایی مطالعه چگونگی جذب، ذخیره، و آزادسازی انرژی توسط میتوکندری است — عمدتاً از طریق اکسیداسیون سوخت‌ها، انتقال الکترون‌ها در طول زنجیره تنفسی، ایجاد گرادیان پروتون عرض غشایی، و سنتز ATP جفت‌شده با آن گرادیان.

Scope

این بخش معماری و بخش‌های میتوکندری، زنجیره انتقال الکترون تنفسی، جفت‌شدگی شیمیواسمزی تنفس با سنتز ATP، واجفت‌شدگی میتوکندری و ترموژنز، و نقش‌های میتوکندری در سیگنال‌دهی کلسیم و تولید گونه‌های فعال اکسیژن را پوشش می‌دهد. این موارد به عنوان بیوشیمی مرجع و فیزیولوژی سلولی مورد بررسی قرار می‌گیرند تا راهنمایی بالینی.

Sub-topics

• نظریه شیمی‌اسمز و گرادیان پروتون
• سیگنال‌دهی کلسیم میتوکندریایی و تولید گونه‌های فعال اکسیژن (ROS)
• زنجیره انتقال الکترون میتوکندریایی
• ساختار و بخش‌های میتوکندری
• ترموژنز و جداسازی میتوکندریایی

Core questions

• میتوکندری چگونه انرژی موجود در کوآنزیم‌های احیا شده را به ATP تبدیل می‌کند؟
• ساختار میتوکندری چگونه فسفوریلاسیون اکسیداتیو را ممکن می‌سازد؟
• جریان الکترون چگونه با پمپ کردن پروتون و سنتز ATP جفت می‌شود؟
• گرادیان پروتون چگونه می‌تواند به جای ATP برای تولید گرما تلف شود؟
• میتوکندری چگونه سیگنال‌های کلسیم را حس کرده و شکل می‌دهد و گونه‌های فعال اکسیژن تولید می‌کند؟

Key concepts

• فسفوریلاسیون اکسیداتیو
• نیروی محرکه پروتون
• غشاهای داخلی و خارجی میتوکندری
• کریستا
• ATP سنتاز
• ماتریکس میتوکندری
• DNA میتوکندری

Key theories

فرضیه شیمیواسمزی

پیتر میچل پیشنهاد کرد که انرژی انتقال الکترون تنفسی به صورت یک گرادیان پروتون الکتروشیمیایی در سراسر غشای داخلی میتوکندری حفظ می‌شود، و این نیروی محرکه پروتون، به جای یک واسطه شیمیایی پرانرژی، سنتز ATP را هدایت می‌کند.

Mechanisms

کوآنزیم‌های احیا شده تولید شده توسط اکسیداسیون سوخت (NADH و FADH2) الکترون‌ها را به زنجیره تنفسی در غشای داخلی میتوکندری اهدا می‌کنند. با عبور الکترون‌ها به سمت اکسیژن، پروتون‌ها از ماتریکس به فضای بین غشایی پمپ می‌شوند و یک گرادیان الکتروشیمیایی (نیروی محرکه پروتون) ایجاد می‌کنند. پروتون‌هایی که از طریق ATP سنتاز به عقب جریان می‌یابند، فسفوریلاسیون ADP به ATP را هدایت می‌کنند، جفت‌شدگی‌ای که توسط فرضیه شیمیواسمزی توضیح داده شده است. همین گرادیان می‌تواند به جای آن به صورت گرما تلف شود، و میتوکندری علاوه بر این کلسیم سیتوزولی را بافر می‌کند و گونه‌های فعال اکسیژن را به عنوان محصولات جانبی تنفس تولید می‌کند.

Clinical relevance

از آنجایی که میتوکندری بیشتر ATP سلولی را تأمین می‌کند، عملکرد آن‌ها برای بافت‌هایی با نیاز انرژی بالا حیاتی است، و اختلالات انرژی‌زایی میتوکندریایی در بسیاری از فرآیندهای بیماری مورد مطالعه قرار می‌گیرد. این بخش بیوشیمی و فیزیولوژی زمینه‌ای را توصیف می‌کند و مبنایی برای تشخیص یا درمان هیچ فردی نیست.

History

میتوکندری‌ها در اواخر قرن نوزدهم به صورت میکروسکوپی توصیف شدند، و نقش آن‌ها در تنفس و سنتز ATP در اواسط قرن بیستم تثبیت شد. فرضیه شیمیواسمزی پیتر میچل در سال ۱۹۶۱ با توضیح چگونگی جفت‌شدگی تنفس با سنتز ATP از طریق گرادیان پروتون، این حوزه را بازتعریف کرد، پیشنهادی که بعدها به طور گسترده پذیرفته شد و با ورود فسفوریلاسیون اکسیداتیو به دوران مولکولی مدرن خود، مورد بازبینی قرار گرفت.

Key figures

• Peter Mitchell
• Jennifer Nunnari
• Rosario Rizzuto

Seminal works

• mitchell-1961
• saraste-1999
• nunnari-2012

Frequently asked questions

چرا میتوکندری‌ها نیروگاه سلول نامیده می‌شوند؟

زیرا آن‌ها بیشتر ATP سلول را از طریق فسفوریلاسیون اکسیداتیو تولید می‌کنند، که اکسیداسیون مواد مغذی را با سنتز مولکولی که سلول‌ها برای انجام کار خود استفاده می‌کنند، جفت می‌کند.

بیوانرژتیک چیست؟

بیوانرژتیک مطالعه چگونگی تبدیل انرژی توسط سیستم‌های زنده است — در میتوکندری، چگونگی جذب انرژی اکسیداسیون سوخت به عنوان یک گرادیان پروتون و تبدیل آن به ATP.