مردم اغلب از میتوکندری به‌عنوان نیروگاه‌های سلولی یاد می‌کنند. وظیفه‌ی اصلی آنها تولید انرژی مورد نیاز برای فعالیت‌های سلولی است، اما نقش آنها به همین محدود نمی‌شود و در فرآیندهای سیگنال‌دهی بین سلولی و مرگ برنامه‌ریزی‌شده‌ی سلول نیز مشارکت دارند.
میتوکندری در تقریباً همه‌ی انواع سلول‌های انسانی وجود دارد و وجود آن برای بقا حیاتی است. این اندامک‌ها بخش عمده‌ای از آدنوزین تری‌فسفات (ATP)، یعنی واحد انرژی سلول‌ها، را تولید می‌کنند.
ساختار میتوکندری
میتوکندری‌ها اندامک‌هایی کوچک با اندازه‌ای بین ۰٫۵ تا ۳ میکرومتر هستند که معمولاً بدون رنگ‌آمیزی در زیر میکروسکوپ قابل مشاهده نیستند. این اندازه‌ی بسیار کوچک به آنها اجازه می‌دهد تا درون سلول‌های مختلف جا بگیرند و عملکردهای خود را در مقیاس میکروسکوپی انجام دهند.
بر خلاف سایر اندامک‌های درون سلولی، میتوکندری دارای دو غشاء متفاوت است: یک غشاء بیرونی و یک غشاء درونی، که هرکدام وظایف خاصی را بر عهده دارند. این ویژگی دوغشایی، میتوکندری را از بسیاری از ساختارهای سلولی دیگر متمایز می‌کند.
میتوکندری از نواحی یا بخش‌های مختلفی تشکیل شده است که هر کدام عملکرد خاص خود را دارند. این نواحی شامل موارد زیر هستند:
- غشاء بیرونی: این غشاء اجازه عبور آزادانه‌ی مولکول‌های کوچک را می‌دهد. در این قسمت پروتئین‌هایی به نام “پورین” وجود دارند که کانال‌هایی را تشکیل می‌دهند تا پروتئین‌ها بتوانند عبور کنند. همچنین آنزیم‌هایی با عملکردهای متنوع در این ناحیه مستقر هستند.
- فضای بین‌غشایی: این ناحیه بین غشاء داخلی و غشاء خارجی قرار دارد. این فضا نقش واسطه‌ای در انتقال مواد و سیگنال‌ها بین داخل و خارج میتوکندری دارد.
- غشاء داخلی: این غشاء حاوی پروتئین‌هایی با عملکردهای گوناگون است. برخلاف غشاء بیرونی، در این ناحیه پورینی وجود ندارد و مولکول‌ها تنها با استفاده از ناقل‌های غشایی مخصوص می‌توانند عبور کنند. بیشتر تولید ATP در این محل صورت می‌گیرد.
- کریستا: چین‌خوردگی‌های غشاء داخلی هستند که سطح آن را افزایش می‌دهند و در نتیجه فضای بیشتری برای انجام واکنش‌های شیمیایی فراهم می‌سازند. این افزایش سطح برای افزایش بازدهی تولید انرژی بسیار مهم است.
- ماتریکس: فضای داخلی غشاء درونی است که حاوی صدها آنزیم بوده و برای تولید ATP اهمیت بالایی دارد. همچنین DNA میتوکندریایی (mtDNA) نیز در این ناحیه قرار دارد.
تعداد میتوکندری‌ها در سلول‌های مختلف با توجه به نیاز انرژی آنها متفاوت است. برای نمونه، سلول‌های کبد، کلیه و عضلات به‌دلیل مصرف انرژی بالا، تعداد زیادی میتوکندری دارند.
در سلول‌های عضله قلب، میتوکندری حدود ۴۰٪ از حجم سیتوپلاسم را اشغال می‌کند. این حجم زیاد نشان‌دهنده‌ی نیاز بالای این سلول‌ها به تولید مداوم انرژی برای انقباض پیوسته است.
هرچند معمولاً تصاویر، میتوکندری را به‌صورت بیضوی نشان می‌دهند، اما این اندامک‌ها به‌طور پیوسته در فرآیند تقسیم (فیژن) و هم‌جوشی (فیوژن) هستند. در واقع، میتوکندری‌ها به‌شکل شبکه‌هایی در حال تغییر دائم درون سلول وجود دارند.
در سلول‌های اسپرم، میتوکندری به‌صورت مارپیچی در بخش میانی قرار می‌گیرد و انرژی لازم برای حرکت دم را فراهم می‌کند. این آرایش خاص برای تأمین انرژی حرکت هدفمند اسپرم حیاتی است.
DNA میتوکندری
اگرچه بیشتر DNA ما در هسته‌ی سلول قرار دارد، میتوکندری‌ها نیز دارای مجموعه‌ای مجزا از DNA هستند. نکته‌ی جالب آن است که DNA میتوکندری شباهت بیشتری به DNA باکتری‌ها دارد تا DNA سلول‌های انسانی.
DNA میتوکندری حاوی دستورالعمل‌هایی برای ساخت چندین نوع پروتئین و اجزای پشتیبان سلولی در قالب ۳۷ ژن می‌باشد. این ژن‌ها برای عملکرد صحیح و بقای میتوکندری ضروری هستند.
در حالی که ژنوم انسانی در هسته‌ی سلول حدود ۳ میلیارد جفت باز دارد، DNA میتوکندری کمتر از ۱۷٬۰۰۰ جفت باز دارد. این اندازه‌ی کوچک‌تر نشان‌دهنده‌ی کارکرد خاص و محدودتر این DNA نسبت به ژنوم هسته‌ای است.
در جریان تولیدمثل، نیمی از DNA کودک از پدر و نیمی دیگر از مادر به ارث می‌رسد، اما DNA میتوکندری همیشه فقط از مادر منتقل می‌شود. این ویژگی باعث شده است که mtDNA برای ردیابی نسل‌های خانوادگی ابزار بسیار مفیدی باشد.
میتوکندری چه کاری انجام می‌دهد؟
اگرچه شناخته‌شده‌ترین نقش میتوکندری، تولید انرژی است، اما این اندامک‌ها وظایف مهم دیگری نیز بر عهده دارند. در واقع، تنها حدود ۳٪ از ژن‌های مورد نیاز برای ساخت میتوکندری به سیستم تولید انرژی اختصاص دارد.
بیشتر ژن‌های میتوکندری مربوط به وظایف دیگری هستند که متناسب با نوع سلول خاص، نقش خود را ایفا می‌کنند. این تنوع عملکردی، نشان‌دهنده‌ی اهمیت میتوکندری در تنظیم چندین فرآیند حیاتی است.
در ادامه برخی از وظایف میتوکندری آمده است:
• تولید انرژی
ATP یک ماده‌ی شیمیایی پیچیده است که در همه‌ی اشکال حیات یافت می‌شود و به‌عنوان “واحد انرژی مولکولی” شناخته می‌شود، زیرا فرآیندهای متابولیکی را به حرکت درمی‌آورد. بیشتر ATP در میتوکندری‌ها از طریق مجموعه‌ای از واکنش‌ها به‌نام چرخه‌ی اسید سیتریک یا چرخه‌ی کربس تولید می‌شود.
تولید انرژی عمدتاً در کریستاهای غشاء داخلی اتفاق می‌افتد، جایی که سطح وسیع‌تری برای فعالیت آنزیم‌ها فراهم شده است.
میتوکندری انرژی شیمیایی حاصل از مواد غذایی را به فرمی تبدیل می‌کند که سلول بتواند از آن استفاده کند. این فرآیند به نام فسفریلاسیون اکسایشی شناخته می‌شود.
در چرخه‌ی کربس، ترکیبی به‌نام NADH تولید می‌شود. آنزیم‌های موجود در کریستا از NADH برای تولید ATP استفاده می‌کنند. ATP انرژی را در قالب پیوندهای شیمیایی ذخیره می‌کند، که با شکستن این پیوندها، انرژی آزاد می‌شود.
• مرگ سلولی
مرگ سلولی، یا آپوپتوز، یک بخش ضروری از حیات است. با پیر یا معیوب شدن سلول‌ها، باید آنها حذف و تجزیه شوند تا تعادل سلولی حفظ شود.
میتوکندری با آزادسازی مولکولی به‌نام سیتوکروم C، که آنزیم اصلی آپوپتوز یعنی کاسپاز را فعال می‌کند، نقش کلیدی در این فرآیند دارد.
از آن‌جا که برخی بیماری‌ها مانند سرطان در نتیجه‌ی اختلال در آپوپتوز رخ می‌دهند، برخی پژوهش‌ها حاکی از آن‌اند که ناهنجاری عملکرد میتوکندری می‌تواند در بروز این بیماری‌ها نقش داشته باشد.
• ذخیره‌سازی کلسیم
کلسیم برای فرآیندهای مختلف سلولی از جمله انتقال پیام عصبی و ترشح هورمون‌ها بسیار حیاتی است. برای مثال، بازگرداندن کلسیم به سلول می‌تواند باعث آزاد شدن نوروترنسمیتر از سلول عصبی یا هورمون از سلول‌های غدد درون‌ریز شود.
کلسیم همچنین برای عملکرد عضلات و انعقاد خون ضروری است. از این رو، تنظیم دقیق سطح کلسیم در سلول بسیار مهم است.
میتوکندری‌ها با جذب یون‌های کلسیم و نگهداری آنها تا زمان نیاز، در تنظیم این فرآیند نقش مؤثری دارند.
• تولید حرارت
زمانی که احساس سرما می‌کنیم، یکی از روش‌های بدن برای حفظ گرما، لرزیدن است. اما بدن راه‌های دیگری نیز برای تولید حرارت دارد که یکی از آنها استفاده از نوعی بافت به‌نام “چربی قهوه‌ای” است.
در طی فرآیندی به‌نام “نشت پروتون”، میتوکندری‌ها می‌توانند بدون لرزش، گرما تولید کنند. این فرآیند به‌نام “ترموژنز غیرلرزشی” شناخته می‌شود.
بیماری‌های میتوکندری
DNA میتوکندری نسبت به ژنوم هسته‌ای آسیب‌پذیرتر است، زیرا در حین سنتز ATP، رادیکال‌های آزاد تولید می‌شوند که می‌توانند به DNA آسیب بزنند. همچنین، میتوکندری از مکانیسم‌های حفاظتی مشابه هسته‌ی سلول بی‌بهره است.
با این حال، بیشتر بیماری‌های میتوکندری ناشی از جهش‌هایی در DNA هسته‌ای هستند که محصول آنها در میتوکندری فعالیت می‌کند. این جهش‌ها می‌توانند به‌صورت ارثی یا خودبه‌خودی بروز کنند.
زمانی که میتوکندری از کار می‌افتد، سلول مربوطه از انرژی محروم می‌شود. بنابراین، بسته به نوع سلول، علائم بیماری می‌تواند بسیار متفاوت باشد.
به‌طور کلی، سلول‌هایی که بیشترین انرژی را نیاز دارند، مانند سلول‌های عضله قلب و سلول‌های عصبی، بیشترین آسیب را از اختلالات میتوکندری می‌بینند.
علائم بیماری‌های میتوکندری
بیماری‌هایی که با وجود علائم متفاوت، ناشی از یک جهش ژنتیکی مشترک هستند، ژنوکپی نام دارند. در مقابل، بیماری‌هایی که علائم مشابه اما جهش‌های ژنتیکی متفاوتی دارند، فنوکپی نامیده می‌شوند.
یک نمونه از فنوکپی، سندرم لی است که می‌تواند ناشی از جهش‌های مختلف ژنی باشد.
علائم رایج بیماری‌های میتوکندری می‌تواند شامل موارد زیر باشد:
- از دست دادن هماهنگی عضلانی و ضعف
- مشکلات بینایی یا شنوایی
- بیماری‌های قلبی، کبدی یا کلیوی
- اختلالات گوارشی
- مشکلات عصبی از جمله زوال عقل
نمونه‌هایی از بیماری‌های میتوکندری
برخی از نمونه‌های شناخته‌شده بیماری‌های میتوکندری شامل موارد زیر است:
- سندرم بارث، یک بیماری ژنتیکی نادر که متابولیسم لیپیدها را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
- افتالموپلژی خارجی مزمن پیشرونده، که باعث ضعف و ناتوانی در حرکت دادن چشم‌ها می‌شود.
- سندرم کرنس-سایر، که بر شبکیه‌ی چشم اثر می‌گذارد.
- سندرم لی
- سندرم کاهش DNA میتوکندریایی، که باعث ضعف پیشرونده عضلانی می‌شود.
- سندرم پیرسون، که با کم‌خونی و مشکلات لوزالمعده همراه است.
میتوکندری و پیری
در سال‌های اخیر، پژوهشگران ارتباط بین اختلال عملکرد میتوکندری و روند پیری را بررسی کرده‌اند. نظریه‌های متعددی درباره‌ی پیری وجود دارد که در میان آنها، نظریه‌ی رادیکال آزاد میتوکندریایی محبوبیت یافته است.
بر اساس این نظریه، میتوکندری‌ها هنگام تولید انرژی، گونه‌های فعال اکسیژن (ROS) تولید می‌کنند. این ذرات پرانرژی می‌توانند به DNA، چربی‌ها و پروتئین‌ها آسیب وارد کنند.
این رادیکال‌های آزاد می‌توانند اجزای عملکردی میتوکندری را تخریب کنند. با تضعیف عملکرد میتوکندری، تولید رادیکال‌های آزاد افزایش می‌یابد و چرخه‌ای از آسیب تشدیدشونده شکل می‌گیرد.
گرچه کاهش عملکرد میتوکندریایی با روند پیری مرتبط دانسته می‌شود، اما برای درک کامل این رابطه و یافتن راه‌های مداخله علمی به تحقیقات بیشتری نیاز است.
جمع‌بندی
میتوکندری به‌احتمال زیاد شناخته‌شده‌ترین اندامک سلولی است. با اینکه اغلب به‌عنوان نیروگاه سلول معرفی می‌شود، اما عملکردهای گسترده‌ای دارد که کمتر شناخته‌شده‌اند.
از ذخیره‌سازی کلسیم گرفته تا تولید حرارت، میتوکندری نقشی اساسی در عملکردهای روزمره‌ی سلول‌ها دارد. این تنوع عملکرد نشان‌دهنده‌ی اهمیت حیاتی این اندامک در سلامت کلی بدن است.
جهش یا آسیب به DNA میتوکندری می‌تواند منجر به بروز برخی بیماری‌ها مانند سندرم لی شود که نشان‌دهنده‌ی ارتباط مستقیم سلامت میتوکندری با وضعیت عمومی بدن است.