میتوکندری چیست؟

میتوکندری اندامک غشاداری است که تقریباً در سیتوپلاسم کلیه سلول‌های یوکاریوتی وجود دارد و عملکرد اصلی آن‌ تولید مقادیر زیادی انرژی در قالب آدنوزین تری فسفات (ATP) است.

میتوکندری

«میتوکندری‌ها» (Mitochondria) اغلب به عنوان نیروگاه‌های سلول شناخته می‌شوند. این اندامک‌ها کمک می‌کنند تا انرژی ورودی حاصل از مواد غذایی به انرژی قابل استفاده برای سلول تبدیل شود. میتوکندری علاوه بر تولید انرژی، عملکردهای مهم دیگری نیز در سلول انجام می‌دهد.

میتوکندری‌ها تقریباً در همه انواع سلول‌های انسانی وجود دارد که برای بقای انسان حیاتی هستند. علاوه بر تولید انرژی، میتوکندری کلسیم را برای فعالیت‌های سیگنالینگ سلولی ذخیره می‌کند، باعث ایجاد گرما در بدن می‌شود و واسطه رشد سلولی و مرگ برنامه ریزی شده سلول (آپوپتوز) به شمار می‌آید.

تعداد میتوکندری‌ها در هر سلول بسیار متفاوت است. به عنوان مثال، در انسان، گلبول‌های قرمز حاوی هیچ میتوکندری نیستند، در حالی که سلول‌های کبدی و سلول‌های ماهیچه‌ای ممکن است شامل صدها یا حتی هزاران میتوکندری باشند. تنها ارگانیسم یوکاریوتی که فاقد میتوکندری است، گونه از «اوکسی‌موندها» به نام (Oxymonad Monocercomonoides) است. میتوکندری برخلاف سایر اندامک‌های سلولی دو غشای مجزا و یک ژنوم منحصر به فرد دارند و توسط تقسیم دوتایی تکثیر می‌شود. این ویژگی‌ها نشان می‌دهند که میتوکندری‌ها، گذشته تکاملی مشترکی با پروکاریوت‌ها (موجودات تک سلولی) دارند.

ساختمان میتوکندری‌

میتوکندری‌ها به طور معمول از نظر ظاهری، گرد و بیضی شکل هستند و از نظر اندازه قطری برابر با 0٫5 تا 10 میکرومتر دارند. این اندامک‌ها در زیر میکروسکوپ قابل رویت نیستند، مگر این که مورد رنگ آمیزی قرار بگیرند. همان طور که در بالا اشاره شد، بر خلاف اندامک‌های دیگر، میتوکندری‌ها دارای دو غشا (داخلی و خارجی) هستند. وجود این غشا در میتوکندری باعث ایجاد مناطق و فضاهایی درون این اندامک می‌شود که هر کدام از این فضاها، محل انجام عملکردهای مهمی در سلول هستند. برخی از بخش‌های اصلی میتوکندری شامل موارد زیر است:

غشای بیرونی یا خارجی (Outer Membrane): مولکول‌های کوچک می‌توانند آزادانه از غشای خارجی عبور کنند. این غشای بیرونی، شامل پروتئین‌هایی به نام «پورین» (Porins) است که کانال‌هایی را در غشای خارجی تشکیل می‌دهند که از طریق آن پروتئین‌ها می‌تواند به میتوکندری وارد یا از آن خارج بشوند. غشای بیرونی همچنین میزبان تعدادی از آنزیم‌ها با عملکردهای متنوع است.

فضای بین دو غشا: این ناحیه بین غشاهای داخلی و خارجی قرار دارد. فضای بین دو غشا با ترکیباتی مانند آب، نمک‌ها، یون‌ها، پروتئین‌، قندها و چربی‌ها و… پر شده است.

غشای داخلی (Inner Membrane): این غشای دارای پروتئین‌هایی است که نقش‌های مختلفی دارند. از آنجا که در غشای داخلی هیچ پورینی وجود ندارد، این غشا نسبت به اکثر مولکول‌ها نفوذ ناپذیر است. مولکول‌ها فقط می‌توانند از غشای داخلی از طریق انتقال دهنده‌های ویژه غشایی عبور کنند. غشای داخلی جایی است که بیشتر ATP در فضای داخلی آن ایجاد می‌شود.

کریستا (Cristae):کریستاها چین خوردگی‌های غشای داخلی هستند. این چین خوردگی‌ها سطح غشا را افزایش می‌دهند و به عبارتی دیگر باعث افزایش فضا برای انجام واکنش‌های شیمیایی در غشای داخلی میتوکندری می‌شوند.

ماتریکس (Matrix): ماتریکس یا بستره میتوکندری مایع سیالی است که فضای درونی غشای داخلی پر کرده است. در ماتریکس، آنزیم‌هایی که برای تولید ATP و فرایندهای تنفس سلولی حائز اهمیت هستند، قرار دارند. DNAمیتوکندری درون ماتریکس جای می‌گیرد.

سلول‌های مختلف، تعداد متفاوتی میتوکندری دارند. به عنوان مثال، گلبول‌های قرمز بالغ هیچ میتوکندری ندارند، در حالی که سلول‌های کبدی می‌توانند بیش از 2000 میتوکندری داشته باشند. سلول‌هایی که نیاز به انرژی زیادی برای انجام فعالیت‌های خود دارند، دارای تعداد میتوکندری بیشتری نیز هستند. به عنوان مثال، حدود 40 درصد از فضای سیتوپلاسمِ سلول‌های عضلانی قلب را برای تولید انرژی بیشتر، میتوکندری‌ها به خود اختصاص داده‌اند.

اگرچه میتوکندری‌ها اغلب به عنوان اندامک‌های بیضی شکل ترسیم می‌شوند، اما دائماً در حال تقسیم و جوانه زنی برای تولید میتوکندری‌های جدید هستند. بنابراین در واقعیت، این اندامک‌ها در شبکه‌های در حال رشد و تغییر مشاهده می‌شوند. همچنین در سلول‌های اسپرم، میتوکندری در قسمت میانی خود به شکل مارپیچ در می‌آید و انرژی لازم برای حرکت دم اسپرم را فراهم می‌کند.

ژنوم میتوکندری

اگرچه بیشتر DNA هر سلول یوکاریوتی در هسته آن نگهداری می‌شود، اما میتوکندری‌ها مجموعه DNA منحصر به خود را دارند. براساس مطالعات انجام شده بر روی ژنوم میتوکندریایی مشخص شده است که DNA میتوکندری (mtDNA) بیشتر شبیه DNA باکتریاییاست.

mtDNA دستورالعمل تعدادی پروتئین و سایر امکانات حیاتی سلولی را در 37 ژندر خود حمل می‌کند. ژنوم انسان که به صورت ذخیره شده در هسته سلول‌های بدن قرار دارد، حاوی حدود 3/3 میلیارد جفت باز است، در حالی که mtDNA از ژنومی کمتر از 17000 جفت باز تشکیل شده است.

در طول تولید مثل، نیمی از DNA فرزند از پدر و نیمی از مادر حاصل می‌شود. با این حال، فرزند همیشه mtDNA خود را از مادر دریافت می‌کند. به همین دلیل، mtDNA برای ردیابی خطوط ژنتیکی در مطالعات تکاملی بسیار مفید است.

وظایف میتوکندری چیست؟

اگرچه شناخته‌شده‌ترین نقش میتوکندری تولید انرژی است، اما این اندامک‌ها کارهای مهم دیگری را نیز در سلول انجام می‌دهند. در حقیقت، فقط در حدود 3 درصد از ژن‌های سلولی برای ساختن میتوکندری به منظور تولید انرژی آن، مورد استفاده قرار می‌گیرند. بیشتر سلول‌ها از عملکردهای دیگر میتوکندری برای بقا استفاده می‌کنند که با توجه به نوع سلول این عملکردها متفاوت هستند. در ادامه به معرفی تعدادی از نقش‌ها و عملکردهای میتوکندری می‌پردازیم:

تولید انرژی

ATP، ماده شیمیایی آلی پیچیده است که در همه اشکال موجودات زنده یافت می‌شود، این ترکیب اغلب به عنوان واحد مولکولی سوخت سلولی به شمار می‌آید، زیرا این مولکول، انرژی لازم برای فرآیندهای متابولیکی را فراهم می‌کند. بیشترین میزان ATP در میتوکندری از طریق یک سری واکنش‌ها تولید می‌شود که به «چرخه اسید سیتریک» (Citric Acid Cycle) یا «چرخه کربس » (Krebs Cycle) معروف هستند. تولید انرژی بیشتر در بخش چین خوردگی‌های غشای داخلی میتوکندری انجام می‌گیرد.

میتوکندری انرژی شیمیایی حاصل از مصرف مواد غذایی را به شکلی از انرژی که سلول می‌تواند آن را مورد استفاده قرار دهد، تبدیل می‌کند. این فرآیند «فسفوریلاسیون اکسیداتیو» (Oxidative Phosphorylation) نام دارد.

چرخه کربس، یک ماده شیمیایی به نام NADH تولید می‌کند. NADHها توسط آنزیم‌های تعبیه شده در کریستا برای تولید ATP مورد استفاده قرار می‌گیرند. در مولکول‌های ATP، انرژی به صورت پیوندهای شیمیایی ذخیره می‌شود. وقتی این پیوندهای شیمیایی در ATP شکسته شوند، انرژی ذخیره شده در آن‌ها آزاد شده و برای انجام فرایندهای مختلف سلولی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مرگ برنامه‌ریزی شده سلول

مرگ برنامه ریزی شده سلولی که به آن «آپوپتوز» (Apoptosis) نیز گفته می‌شود، بخش مهمی از مراحل چرخه سلولی است. مقاومت سلول‌ها اغلب با پیر شدن، کاهش یافته و غشای سلولی آن‌ها شکسته شده و از بین می‌روند. میتوکندری در تصمیم‌گیری برای این که کدام سلول‌ها از بین بروند، نقش تعیین کننده‌ای دارد.

میتوکندری پروتئین سیتوکروم C آزاد می‌کند، این پروتئین موجب فعالیت کاسپاز می‌شود. کاسپاز یکی از آنزیم‌های اصلی درگیر در از بین بردن سلول‌ها طی آپوپتوز است.

از آن جایی که برخی از بیماری‌ها مانند سرطان، در فرایندهای آپوپتوز تداخل ایجاد می‌کنند، اعتقاد بر این است که میتوکندری‌ها در این بیماری‌ها نقش مهمی دارند.

ذخیره کلسیم

کلسیم برای انجام تعدادی از فرآیندهای سلولی بسیار اهمیت دارد. به عنوان مثال، آزاد کردن کلسیم به سلول می‌تواند آغازگر فعالیت انتقال دهنده‌های عصبی از سلول‌های عصبی یا هورمون‌های غدد درون ریز باشد. کلسیم برای عملکرد ماهیچه‌ها، لقاح و لخته شدن خون و برخی از فرایندهای دیگر سلولی ضروری محسوب می‌شود.

نقش‌های دیگری که کلسیم در سلول بر عهده دارد، شامل تنظیم متابولیسم سلولی، سنتز استروئیدها و سیگنالینگ هورمون هستند. به دلیل اهمیت کلسیم در فرایندهای حیاتی، غلظت‌های این یون در سلول تنظیمات ویژه‌ای دارد. به طوری که میتوکندری با جذب سریع یون‌های کلسیم و نگه داشتن آن‌ها تا زمانی که لازم باشد در تنظیم غلظت کلسیم نقش دارد.

تولید حرارت

بدن برای گرم نگه داشتن خود از راه‌های زیادی استفاده می‌کند، یکی از این راه‌ها، استفاده از بافتی به نام «چربی قهوه‌ای» (Brown Adipose Tissue) است. در طی فرآیندی به نام «نشت پروتون»، میتوکندری می‌تواند از بافت‌های چربی قهوه‌ای گرما ایجاد کند. نشت پروتون به عنوان «ترموژنز غیر لرزی» (تولید گرما بدون ایجاد لرزش) نیز شناخته می‌شود. در نوزادان بیشترین میزان بافت چربی قهوه‌ای وجود دارد که با افزایش سن از میزان این بافت در بدن کاسته می‌شود.

بیماری‌های میتوکندریایی

DNA درون میتوکندری نسبت به بقیه ژنوم سلولی بیشتر مستعد آسیب است. این امر به این دلیل است که رادیکال‌های آزاد که می‌توانند باعث آسیب به DNA شوند، در طول سنتز ATP به وجود می‌آیند. همچنین، میتوکندری فاقد مکانیسم‌های حفاظتی موجود در هسته سلول است.

با این حال، اکثر بیماری‌های میتوکندری به علت جهش در DNA هسته‌ای ایجاد می‌شوند که بر محصولاتی که در نهایت به میتوکندری می‌روند، تاثیر می‌گذارد. این جهش‌ها می‌توانند ارثی باشند یا به صورت خودبه خود در فرد ایجاد شوند.

هنگامی که میتوکندری‌ها کار خود را متوقف می‌کنند، سلول‌ها در معرض کمبود انرژی قرار می‌گیرند. بنابراین، علائم عدم کارکرد میتوکندری‌ها، بسته به نوع سلول، می‌توانند تا حد زیادی متفاوت باشند. سلول‌هایی که به مقادیر بالایی از انرژی نیاز دارند، مانند سلول‌های ماهیچه‌ای قلب و سلول‌های عصبی، از اختلال در عملکرد میتوکندری‌ها بیشتر آسیب می‌بینند.

از آنجایی که میتوکندری در بافت‌های مختلف عملکردهای متفاوتی را انجام می‌دهد، اختلال در عملکرد آن می‌تواند صدها بیماری مختلف را در بدن ایجاد کند. مشخصه بارز بیماری‌های میتوکندری این است که جهش یکسان در mtDNA ممکن است بیماری‌های یکسان ایجاد نکند. بیماری‌هایی که علائم متفاوتی بروز می‌دهند اما به دلیل جهش‌های یکسانی ایجاد شده‌اند، به عنوان «ژنوکپی» (Genocopies) شناخته می‌شوند.

در مقابل، بیماری‌هایی که علائم یکسانی دارند اما در اثر جهش در ژن‌های مختلف ایجاد می‌شوند، به عنوان «فنوکپی» (Phenocopies) به شمار می‌آیند. نمونه‌ای از فنوکپی «سندرم لی» (Leigh Syndrome) است که می‌تواند در اثر جهش‌های مختلف در انسان به وجود آید.

علائم بیماری‌های مربوط به میتوکندری بسیار متفاوت هستند، برخی از انواع این علائم شامل موارد زیر است:

• هماهنگی و ضعف عضلات
• مشکلات بینایی یا شنوایی
• ناتوانی‌های یادگیری
• بیماری‌های قلبی، کبدی یا کلیوی
• مشکلات دستگاه گوارش
• مشکلات عصبی
• از جمله زوال عقل

اختلال در عملکرد میتوکندری چه به صورت ارثی و یا اکتسابی هر دو در چندین بیماری از جمله بیماری آلزایمر و پارکینسون نقش دارند. به نظر می‌رسد، تجمع جهش در mtDNA در طول عمر یک ارگانیسم نقش مهمی در پیری و همچنین در پیشرفت برخی از سرطان‌ها و سایر بیماری‌ها داشته باشد. از آنجا که میتوکندری یکی از اجزای اصلی آپوپتوز (مرگ سلولی برنامه ریزی شده) است که به طور معمول برای خلاص شدن بدن از سلول‌هایی که دیگر مفید نیستند و یا به درستی کار نمی‌کنند، مورد استفاده قرار می‌گیرد، اختلال در عملکرد میتوکندری موجب مهار مرگ سلولی می‌شود که این امر می‌تواند در پیشرفت سرطان نقش مهمی داشته باشد.

سایر شرایطی که تصور می‌شود، برخی از اختلالات میتوکندری در ایجاد آن‌ها نقش دارند، عبارتند از:

• بیماری پارکینسون (Parkinson’s Disease)
• بیماری آلزایمر (Alzheimer’s Disease)
• اختلال دو قطبی (Bipolar Disorder)
• اسکیزوفرنی یا روان گسیختگی (Schizophrenia)
• سندرم خستگی مزمن (Chronic Fatigue Syndrome)
• بیماری هانتینگتون (Huntington’s Disease)
• دیابت (Diabetes)
• اوتیسم (Autism)

وراثت میتوکندریایی

در بسیاری از ارگانیسم‌ها، ژنوم میتوکندری از سمت مادری به ارث می‌رسد. این امر به این دلیل است که سلول تخمک مادر مقادیری بیشتری از سیتوپلاسم خود را به جنین منتقل می‌کند و میتوکندری که از اسپرم پدر به ارث رسیده است، معمولاً از بین می‌رود. بسیاری از بیماری‌های مربوط به میتوکندری اغلب به صورت ارثی و در مواردی به شکل اکتسابی وجود دارند. بیماری‌های ارثی ممکن است از جهش‌های منتقل شده در DNA هسته‌ای مادری یا پدری یا در mtDNA مادر ایجاد شوند.

وراثت مادری mtDNA برای تحقیقات در مورد تکامل و نحوه مهاجرت انسان در طول تاریخ بسیار حیاتی است. انتقال مادری ژن‌های میتوکندریایی اجازه می‌دهد تا شباهت‌هایی که در نسل فرزندان به ارث رسیده‌اند، در نسل‌های مختلف قابل ردیابی باشند. تحقیقات نشان داده است که قطعات ژنوم میتوکندری که توسط میتوکندری سلول‌های بدن همه انسان‌های زنده امروزی حمل می‌شوند، می‌توانند در ژنوم یک جد مشترک (زنی که در حدود 150٫000 تا 200٫000 سال پیش زندگی کرده است) ردیابی شوند.

دانشمندان معتقدند که این زن در بین زنان دیگر زندگی می‌کرد اما روند جهش ژنتیکی ویژه‌ای (نوسانات احتمالی در فراوانی ژنی که بر ساختار ژنتیکی جمعیت‌های کوچک تأثیر می‌گذارد) باعث شده است که mtDNA او به طور تصادفی برتری خود را نسبت به سایر زنان جمعیت در طول تکامل بدست آورد. تغییر در mtDNA که توسط نسل‌های بعدی انسان به ارث رسیده است به محققان کمک کرده است تا ریشه‌های جغرافیایی و همچنین زمان مهاجرت‌ها را در جمعیت‌های مختلف انسانی کشف کنند.

میتوکندری و پیری

طی سال‌های اخیر، محققان ارتباط بین عملکرد میتوکندری و پیری را در مطالعات مختلف مورد بررسی قرار داده‌اند. چندین تئوری پیرامون پیری وجود دارد و نظریه «رادیکال آزاد میتوکندری» در مورد پیری در بیش از یک دهه اخیر بسیار رواج یافته است.

این نظریه به این صورت بیان می‌شود که گونه‌های اکسیژن فعال (ROS) در میتوکندری به عنوان محصول فرعی تولید انرژی ساخته می‌شوند. این ذرات که بار الکتریکی بالایی دارند، به DNA، چربی‌ها و پروتئین‌ها آسیب می‌رسانند.

به دلیل آسیب‌های ناشی از گونه‌های اکسیژن فعال، قسمت‌های عملکردی میتوکندری آسیب می‌بینند. هنگامی که میتوکندری دیگر نتواند به درستی عملکرد خود را انجام دهد، گونه‌های اکسیژن فعال بیشتری تولید می‌شود و آسیب‌های بیشتری را در بخش‌های مختلف میتوکندری ایجاد می‌کنند.

اگرچه تاکنون وجود همبستگی بین فعالیت میتوکندری و پیری مشخص شده است، اما همه دانشمندان به نتیجه‌گیری یکسانی در این مورد نرسیده‌اند. نقش دقیق میتوکندری‌ها در روند پیری هنوز مشخص نیست.