ไมโทคอนเดรีย: โครงสร้างและหน้าที่

ไมโทคอนเดรียเป็นออร์แกเนลล์ที่มีเยื่อหุ้มสองชั้น ซึ่งสร้าง ATP ส่วนใหญ่ของเซลล์โดยกระบวนการออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน (oxidative phosphorylation) เยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรียพับเป็นรอยหยักที่เรียกว่าคริสตี (cristae) ซึ่งเป็นที่อยู่ของสายใยขนส่งอิเล็กตรอน (electron-transport chain) และยังคงมีจีโนมเป็นของตัวเอง ซึ่งสะท้อนถึงบรรพบุรุษของแบคทีเรียที่อาศัยอยู่ร่วมกันแบบพึ่งพา (endosymbiotic bacterial ancestry) นอกเหนือจากการให้พลังงานแล้ว ไมโทคอนเดรียยังเป็นศูนย์กลางของการเผาผลาญ การจัดการแคลเซียม และการควบคุมการตายของเซลล์

Definition

ไมโทคอนเดรียเป็นออร์แกเนลล์ที่มีเยื่อหุ้มสองชั้น โดยมีเยื่อหุ้มชั้นในที่พับเป็นคริสตีและเมทริกซ์ที่อุดมด้วยโปรตีน ซึ่งผลิต ATP โดยกระบวนการออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน มี DNA เป็นของตัวเอง และรวมการเผาผลาญ การส่งสัญญาณแคลเซียม และการควบคุมการตายของเซลล์แบบมีโปรแกรมเข้าไว้ด้วยกัน

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมโครงสร้างละเอียดของไมโทคอนเดรีย (เยื่อหุ้มชั้นนอกและชั้นใน, คริสตี, เมทริกซ์), การเกิดออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชันและกลไกเคมีออสโมซิส (chemiosmotic mechanism), จีโนมของไมโทคอนเดรียและการนำเข้าโปรตีน, พลวัตของการแบ่งตัว การรวมตัว และการควบคุมคุณภาพ, และบทบาทของออร์แกเนลล์ในการตายของเซลล์แบบอะพอพโทซิส (apoptosis) นี่เป็นหัวข้ออ้างอิงทางชีววิทยาของเซลล์และเนื้อเยื่อวิทยา ไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์

Core questions

• เยื่อหุ้มชั้นในเชื่อมโยงการขนส่งอิเล็กตรอนกับการสังเคราะห์ ATP ได้อย่างไร?
• ทำไมไมโทคอนเดรียจึงมีเยื่อหุ้มสองชั้นและมีจีโนมเป็นของตัวเอง?
• โปรตีนไมโทคอนเดรียถูกนำเข้าอย่างไร และออร์แกเนลล์เหล่านี้แบ่งตัวและรวมตัวกันได้อย่างไร?
• ไมโทคอนเดรียมีส่วนร่วมในการจัดการแคลเซียมและการกระตุ้นการตายของเซลล์ได้อย่างไร?

Key concepts

• เยื่อหุ้มไมโทคอนเดรียชั้นนอกและชั้นใน
• คริสตีและเมทริกซ์
• สายใยขนส่งอิเล็กตรอนและการเกิดออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชัน
• ATP synthase และแรงขับเคลื่อนโปรตอน (proton-motive force)
• DNA ของไมโทคอนเดรียและการถ่ายทอดทางพันธุกรรมจากมารดา
• พลวัตของการแบ่งตัวและการรวมตัวของไมโทคอนเดรีย
• การควบคุมอะพอพโทซิสโดยไมโทคอนเดรีย

Key theories

ทฤษฎีเคมีออสโมซิส

การขนส่งอิเล็กตรอนจะปั๊มโปรตอนข้ามเยื่อหุ้มไมโทคอนเดรียชั้นใน ทำให้เกิดการไล่ระดับทางเคมีไฟฟ้า ซึ่งพลังงานนี้ถูกใช้โดย ATP synthase เพื่อฟอสโฟรีเลท ADP — โดยเชื่อมโยงการหายใจกับการผลิต ATP ผ่านแรงขับเคลื่อนโปรตอนข้ามเยื่อหุ้ม

กำเนิดแบบเอนโดซิมไบโอติก

ไมโทคอนเดรียสืบเชื้อสายมาจากแบคทีเรียอัลฟา-โปรตีโอแบคทีเรีย (alpha-proteobacterium) ที่ถูกกลืนกิน ซึ่งอธิบายถึงเยื่อหุ้มสองชั้น จีโนมวงกลมของตัวเอง และกลไกการนำเข้าโปรตีนเฉพาะ

Mechanisms

การออกซิเดชันของสารตั้งต้นในเมทริกซ์จะส่งอิเล็กตรอนเข้าสู่สายใยขนส่งอิเล็กตรอนที่เยื่อหุ้มชั้นใน ซึ่งจะปั๊มโปรตอนเข้าสู่ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้ม (intermembrane space) การไล่ระดับทางเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะขับเคลื่อน ATP synthase ให้สร้าง ATP ซึ่งเป็นกลไกเคมีออสโมซิส คริสตีของเยื่อหุ้มชั้นในช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวสำหรับกลไกนี้อย่างมาก ในขณะที่เมทริกซ์เป็นที่อยู่ของวัฏจักรกรดซิตริกและจีโนมของไมโทคอนเดรีย โปรตีนไมโทคอนเดรียส่วนใหญ่ถูกเข้ารหัสในนิวเคลียส สังเคราะห์ในไซโตซอล และนำเข้าผ่านทรานส์โลเคส (translocases) เฉพาะในเยื่อหุ้มทั้งสอง ไมโทคอนเดรียมีการแบ่งตัวและรวมตัวกันอย่างต่อเนื่อง เพื่อรักษาสมดุลระหว่างการสร้างใหม่กับการกำจัดออร์แกเนลล์ที่เสียหาย และยังรวมสัญญาณแคลเซียมเข้าด้วยกัน โดยการปล่อยโปรตีนในช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้ม ไมโทคอนเดรียยังทำหน้าที่เป็นจุดตัดสินใจในการเกิดอะพอพโทซิส

Clinical relevance

ความผิดปกติของไมโทคอนเดรียที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมและที่เกิดขึ้นภายหลังมีความเชื่อมโยงกับกลุ่มอาการผิดปกติที่ส่งผลกระทบต่อเนื้อเยื่อที่ใช้พลังงานสูง และการควบคุมการตายของเซลล์โดยไมโทคอนเดรียเป็นหัวใจสำคัญของกระบวนการเกิดโรคหลายชนิดและกระบวนการชราภาพ เนื้อหานี้อธิบายโครงสร้างและหน้าที่ปกติที่เกี่ยวข้อง และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการตัดสินใจในการรักษาเฉพาะบุคคล

History

ไมโทคอนเดรียได้รับการอธิบายด้วยกล้องจุลทรรศน์ในช่วงปลายศตวรรษที่สิบเก้า และเชื่อมโยงกับการหายใจโดยชีวเคมีในช่วงกลางศตวรรษที่ยี่สิบ สมมติฐานเคมีออสโมซิสของ Peter Mitchell ซึ่งในตอนแรกเป็นที่ถกเถียงกัน ได้อธิบายว่าการหายใจเชื่อมโยงกับการสังเคราะห์ ATP ได้อย่างไร และได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1978 Lynn Margulis ได้ฟื้นฟูและทำให้ทฤษฎีเอนโดซิมไบโอติก (endosymbiotic theory) ของกำเนิดไมโทคอนเดรียเป็นที่นิยม ซึ่งปัจจุบันได้รับการสนับสนุนจากหลักฐานทางจีโนม

Key figures

• Peter Mitchell
• Lynn Margulis
• Albert Lehninger
• David Chan
• Nikolaus Pfanner

Seminal works

• saraste1999
• nunnari2012
• chan2006

Frequently asked questions

ทำไมไมโทคอนเดรียจึงมีเยื่อหุ้มสองชั้น?

เยื่อหุ้มทั้งสองชั้นสะท้อนถึงกำเนิดของแบคทีเรียที่อาศัยอยู่ร่วมกันแบบพึ่งพา (endosymbiotic bacterial origin) เยื่อหุ้มชั้นในพับเป็นคริสตีซึ่งเป็นที่อยู่ของสายใยขนส่งอิเล็กตรอน ในขณะที่เยื่อหุ้มชั้นนอกแยกออร์แกเนลล์ออกจากไซโตซอล

ไมโทคอนเดรียสร้าง ATP ได้อย่างไร?

การขนส่งอิเล็กตรอนข้ามเยื่อหุ้มชั้นในจะปั๊มโปรตอนเพื่อสร้างการไล่ระดับทางเคมีไฟฟ้า และ ATP synthase ใช้พลังงานของโปรตอนที่ไหลกลับลงมาตามการไล่ระดับนั้นเพื่อฟอสโฟรีเลท ADP — ซึ่งเป็นกลไกเคมีออสโมซิส