Thực đơn
Ty_thể
Vai trò nổi bật nhất của ty thể là sản sinh "đồng tiền năng lượng" của tế bào, chính là phân tử cao năng ATP (tức dạng phosphoryl hóa của ADP), thông qua quá trình hô hấp tế bào; và đồng thời điều hòa hoạt động trao đổi chất tế bào.[15] Phản ứng trung tâm trong tổng thể tiến trình sản xuất ATP chung quy lại là chu trình axit citric, hay còn gọi chu trình Krebs. Ngoài ra, ty thể còn đảm nhận hàng loạt chức năng khác bên cạnh vai trò chế tạo ATP.
Vai trò chính yếu của ty thể là sản xuất ATP, thể hiện qua một lượng lớn protein tại màng trong phục vụ chức năng này. Các protein này sản sinh ATP từ sản phẩm oxy hóa chính của glucose là pyruvate, tạo ra trong bào tương cùng với các phân tử NADH.[15] Kiểu hô hấp tế bào xảy ra ở ty thể có tên gọi hô hấp hiếu khí, phụ thuộc vào sự hiện diện của khí oxy. Khi nồng độ oxy thấp hơn ngưỡng tối thiểu, những sản phẩm đường phân sẽ bị chuyển hóa qua hoạt động lên men kỵ khí, một quá trình độc lập với bào quan ty thể.[15] Sự sản sinh ATP từ glucose trong hô hấp hiếu khí có hiệu suất cao gấp 13 lần trong quá trình lên men.[70] Gần đây người ta phát hiện ty thể thực vật có thể sản xuất một lượng hạn chế ATP mà không cần oxy bằng cách sử dụng cơ chất nitrit thay thế.[71] ATP xuyên qua màng trong với sự giúp đỡ của một loại protein đặc hiệu, và đi xuyên màng ngoài thông qua các porin. Tương tự, ADP trở về cũng di chuyển theo lộ trình như vậy.
Những phân tử pyruvate sinh ra từ quá trình đường phân được vận chuyển chủ động xuyên qua màng ty thể trong và chuyển đến chất nền, nơi chúng có thể tiếp tục bị oxy hóa và hóa hợp với coenzyme A hình thành nên CO2, acetyl-CoA và NADH;[15] hoặc bị carboxyl hóa (bằng enzyme pyruvate carboxylase) tạo ra oxaloaxetat. Chính phản ứng carboxyl này sẽ giúp gia tăng hàm lượng oxaloacetate trong chu trình axit citric, vì vậy nó thuộc loại phản ứng bổ sung (anaplerotic reaction), tăng cường hiệu suất chu trình để chuyển hóa mạnh hơn acetyl-CoA khi nhu cầu năng lượng của mô (như trong cơ) bật cao đột ngột đang lúc hoạt động.[72]
Trong chu trình axit citric, tất cả những chất trung gian (ví dụ: citrate, iso-citrate, alpha-ketoglutarate, succinate, fumarate, malate và oxaloacetate) được tái sinh trong suốt mỗi vòng chu trình. Khi bổ sung nhiều hơn bất kỳ chất nào trong số các chất trung gian trên vào ty thể đều dẫn đến hiện tượng hàm lượng bổ sung chất đó vẫn không mất đi trong chu trình, mà còn làm tăng cao nồng độ những chất trung gian khác một khi nó bị chuyển hóa thành các sản phẩm nối tiếp sau đó. Do vậy, việc thêm vào bất kỳ chất nào trong số chúng đến chu trình sẽ gây ra một hiệu ứng bổ sung (anaplerotic effect), và ngược lại là hiệu ứng rút bỏ (cataplerotic effect). Những phản ứng bổ sung và rút bỏ này sẽ làm tăng hoặc giảm hàm lượng oxaloacetate sẵn có để hóa hợp với acetyl-CoA hình thành nên axit citric trong suốt lộ trình chu trình. Các sự kiện trên tạo nên những biến chuyển tăng cường hoặc hạ thấp cường độ sản xuất ATP trong ty thể, cũng như ảnh hưởng đến nguồn cung sẵn có ATP cho tế bào.[72]
Mặt khác, acetyl-CoA dù cho sinh ra từ quá trình oxy hóa pyruvate hay từ tiến trình beta-oxy hóa axit béo cũng đều là nhiên liệu duy nhất nhập vào chu trình axit citric. Với mỗi vòng chu trình, một phân tử acetyl-CoA sẽ hóa hợp vào bất kỳ phân tử oxaloacetate nào đang hiện diện tại chất nền ty thể, và không bao giờ được tái sinh trở lại. Đó chính là quá trình oxy hóa phần acetate của acetyl-CoA, tạo ra CO2 và nước, kèm theo năng lượng phát thải dưới dạng ATP.[72]
Trong gan, sự carboxyl hóa pyruvate bào tương thành oxaloacetate nội ty thể là bước khởi đầu của con đường tân tạo glucose (gluconeogenic pathway), để rồi sau đó chuyển hóa thành lactate và alanine dạng khử amin hóa thành glucose,[15][72] tiến trình này chịu ảnh hưởng bởi nồng độ cao glucagon và/hoặc adrenalin trong máu.[72] Lúc này đây, sự thêm vào oxaloacetate đến ty thể không còn gây ra một hiệu ứng bổ sung rõ rệt nữa, trong khi một chất trung gian khác của chu trình axit citric là malate thì lại lập tức loại đi khỏi ty thể để chuyển về dạng oxaloacetate bào tương, dẫn đến hệ quả cuối cùng là trở thành glucose, một quá trình hầu như hoàn toàn đảo ngược so với đường phân.[72]
Những enzyme thuộc chu trình axit citric đắm chìm trong chất nền ty thể, trừ ngoại lệ enzyme succinate dehydrogenase lại khảm quanh màng ty thể trong vì nó là một bộ phận của Phức hệ II (Complex II).[73] Chu trình axit citric oxy hóa acetyl-CoA thành cacbon dioxit, và tạo nên những cofactor dạng khử (3 phân tử NADH và 1 phân tử FADH2), đây là nguồn electron dồi dào cung cấp cho chuỗi chuyền điện tử; cùng với một phân tử GTP (dễ dàng chuyển hóa thành ATP).[15]
Năng lượng oxy hóa từ NADH và FADH2 được chuyển đến oxy (O2) thông qua một vài giai đoạn thuộc chuỗi chuyền điện tử. Các phân tử giàu năng lượng này sản sinh tại chất nền từ chu trình axit citric và một phần đến từ quá trình đường phân tại tế bào chất. Đương lượng khử từ tế bào chất có khả năng được nhập cảng thông qua hệ thống con thoi malate-aspartate thuộc nhóm protein đối chuyển, hay chuyển vào chuỗi chuyền điện tử bằng cách sử dụng con thoi glycerol phosphate.[15] Những phức hệ protein tại màng trong (NADH dehydrogenase (ubiquinone), cytochrome c reductase và cytochrome c oxidase) đảm nhận khả năng truyền dẫn và gia tăng giải phóng năng lượng bằng việc bơm proton (H+) xuất ra xoang gian màng. Tổng thể năng suất quá trình là hiệu quả, nhưng một lượng nhỏ electron có thể sớm khử oxy, tạo nên những chủng chất hoạt động có oxy (reactive oxygen species) như superoxit.[15] Hiện tượng này có thể gây ra căng thẳng oxy hóa trong ty thể và góp phần suy giảm chức năng ty thể cũng như dẫn đến lão hóa.[74]
Khi tăng nồng độ proton trong xoang gian màng, một gradient điện hóa mạnh được thiết lập hai bên màng trong. Các proton có thể trở về chất nền thông qua phức hệ ATP synthase, và chính năng lượng thế năng này sẽ giúp tổng hợp ATP từ ADP và phosphate vô cơ (Pi).[15] Quá trình này được gọi là hóa thẩm thấu (chemiosmosis), do nhà khoa học Peter Mitchell[75][76] lần đầu tiên phát hiện, ông đã đoạt Giải Nobel hóa học 1978 cho chính khám phá này. Sau này, một phần Giải Nobel hóa học 1997 trao cho Paul D. Boyer và John E. Walker qua những cống hiến của về việc giải mã cơ chế hoạt động ATP synthase.[77]
Dưới những điều kiện nhất định, các proton có thể nhập lại chất nền ty thể mà không tạo ra ATP. Quá trình này được gọi là rò rỉ proton (proton leak) hay tách cặp ty thể (mitochondrial uncoupling) và nguyên nhân là do hiện tượng khuếch tán tăng cường proton chảy vào chất nền. Từ đó dẫn đến hệ quả rơi tuột năng lượng thế năng của gradient điện hóa proton chuyển thoát thành nhiệt năng.[15] Quá trình trên do một kênh proton tên thermogenin (hay UCP1) đảm nhận vai trò là chất trung gian.[78] Thermogenin là protein nặng 33 kDa, phát hiện lần đầu năm 1973.[79] Kênh này chủ yếu tập trung ở mô mỡ nâu, gọi tắt mỡ nâu, chịu trách nhiệm cho cơ chế sinh nhiệt không run (non-shivering thermogenesis). Mô mỡ nâu có ở động vật có vú và đạt khối lượng cao nhất tại những năm tháng đầu đời và trong những động vật ngủ đông. Ở người, mô mỡ nâu hiện diện khi cơ thể mới sinh và tiêu dần lúc lớn lên.[78]
Nồng độ canxi tự do trong tế bào có thể điều biến hàng loạt phản ứng và là thuộc tính quan trọng của cơ chế truyền dẫn tín hiệu nội bào. Ty thể có khả năng lưu trữ canxi nhanh chóng, đảm bảo cân bằng nội môi hàm lượng canxi trong tế bào.[80][81] Trên thực tế, khả năng chiếm lấy nhanh nhạy canxi dự trữ cho lần giải phóng lát sau khiến chúng trở thành "bộ đệm bào tương" rất tốt cho canxi.[82][83][84] Lưới nội chất (endoplasmic reticulum, ER) là khu vực lưu trữ canxi quan trọng nhất,[56] và cùng với ty thể tạo nên mối tương tác sâu rộng về hoạt động trao đổi canxi.[85] Các ion canxi phiêu bạt được di lý đến chất nền với sự giúp đỡ của protein đơn chuyển canxi ty thể (mitochondrial calcium uniporter) khảm trên màng trong.[86] Cơ chế này chủ yếu do điện thế màng ty thể điều khiển.[81] Sự phóng thích canxi trở về không gian nội bào có thể thực hiện thông qua protein trao đổi natri-canxi hay qua con đường giải phóng canxi cảm ứng canxi (calcium-induced calcium release).[86] Sự kiện này có thể khơi mào phát xuất những ghim bắn hay cơn sóng canxi kèm theo những thay đổi lớn trên điện thế màng. Từ đó có thể tiếp tục kích hoạt một loạt các protein thuộc hệ thống chất truyền tin cấp hai để phối hợp hoạt động những quá trình song hành với nhau, như giải phóng chất dẫn truyền xung thần kinh trong tế bào thần kinh và giải phóng các hormone trong tế bào nội tiết.[87]
Gần đây người ta cho rằng những luồng Ca2+ chảy đến chất nền ty thể chính là một cơ chế điều hòa hoạt động sinh năng lượng hô hấp bằng việc cho phép thế điện hóa hiện diện hai bên màng để "bật nhảy" đột ngột từ trạng thái chênh lệch thế năng ưu thế (ΔΨ-dominated) sang pH ưu thế (pH-dominated), tạo điều kiện thuyên giảm căng thẳng oxy hóa.[88] Ở neuron, sự gia tăng nồng độ canxi trong bào tương và ty thể đảm bảo ổn định hóa hoạt động thần kinh đồng hành với chức năng chuyển hóa năng lượng của bào quan này. Hàm lượng canxi trong chất nền ty thể có thể đạt đến hàng chục micromol, đủ ngưỡng cần thiết để kích hoạt isocitrate dehydrogenase, một trong những enzyme then chốt của chu trình Krebs.[89]
Ty thể còn đóng vai trò trung tâm trong nhiều tiến trình trao đổi chất khác, ví dụ:
Một vài chức năng của ty thể chỉ hiện diện ở một số loại tế bào đặc biệt. Thí dụ, ty thể tế bào gan chứa các enzyme cho phép thực hiện giải độc amoniac, là sản phẩm thải từ con đường chuyển hóa protein. Mỗi một đột biến trong điều hòa biểu hiện gen quy định các chức năng trên đều có thể dẫn đến hậu quả gây ra các bệnh lý ty thể.
Thực đơn
Ty_thểLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Ty_thể