Thực đơn
Ty_thể
Mỗi ty thể đều có màng ngoài và màng trong cấu tạo từ lớp phospholipid kép cùng protein.[14] Mỗi lớp màng lại có những đặc tính khác nhau. Nguyên do phương cách tổ chức cấu trúc theo hệ màng kép, ty thể được phân thành 5 bộ phận tách biệt. Bao gồm:
Ty thể nào bị tước đi màng ngoài thì gọi là mitoplast.
Màng ty thể ngoài là lớp màng bao bọc bào quan, độ dày dao động từ 60 đến 75 ångström (Å). Tỷ lệ protein trên phospholipid của màng tương tự màng sinh chất tế bào nhân thực (khoảng 1:1 về mặt khối lượng). Màng ngoài chứa một lượng lớn protein xuyên màng gọi là porin. Những porin tạo nên các kênh cho phép những phân tử nặng khoảng 5000 dalton (đvC) hoặc nhẹ hơn khuếch tán tự do theo một hướng xác định (từ ngoài vào trong màng hay ngược lại).[14] Protein kích thước lớn có thể xâm nhập ty thể nếu như trình tự tín hiệu tại đầu N liên kết với một phân tử protein lớn giàu tiểu đơn vị gọi là translocase thuộc màng ngoài, để từ đó kích hoạt sự vận chuyển chủ động đưa phân tử xuyên qua màng.[40] Tiền protein ty thể được nhập bào thông qua những phức hệ vận chuyển đặc hiệu. Màng ngoài đồng thời cũng chứa các enzyme tham gia vào nhiều hoạt động đa dạng, như kéo dài phân tử axit béo, oxy hóa hormone adrenaline và phân hủy amino axit tryptophan. Bao gồm những enzyme sau: monoamine oxidase, rotenone-insensitive NADH-cytochrome c-reductase, kynurenine hydroxylase và axit béo Co-A ligase. Sự đánh thủng màng ty thể ngoài dẫn đến hậu quả rò rỉ những protein từ xoang gian màng thấm vào bào tương, gây ra cái chết chắc chắn cho tế bào.[41] Màng ngoài ty thể cũng có khả năng thông kết với những lớp màng của lưới nội chất (endoplasmic reticulum, ER), tạo thành một cấu trúc gọi là MAM (mitochondria-associated ER-membrane, tạm dịch: màng ER liên hợp ty thể). Cấu trúc này đóng vai trò quan trọng trong hoạt động truyền dẫn tín hiệu canxi liên ER-ty thể và liên quan đến việc chuyển vận lipid giữa ER và ty thể.[42] Phía ngoài màng ngoài trôi nổi những hạt nhỏ đường kính 60 Å, được đặt tên là tiểu đơn vị Parson (sub-unit of Parson).
Xoang gian màng là không gian choán giữa màng ngoài và màng trong. Đồng thời cũng là không gian bọc quanh ty thể (perimitochondrial space). Vì màng ngoài cho phép những phân tử nhỏ dễ dàng khuếch tán tự do, nên nồng độ của các phân tử này, như ion và đường, ở xoang gian màng tương tự tại bào tương.[14] Trong khi đó, những protein lớn lại cần phải có trình tự tín hiệu đặc hiệu mới được vận chuyển xuyên thấu màng ngoài, vì vậy hàm lượng protein tại xoang gian màng có sự khác biệt so với ngoài bào tương. Ví dụ một loại protein tập trung trong xoang theo cách này có tên là cytochrome c.[41]
Màng ty thể trong chứa nhiều loại protein, chia thành 5 nhóm sau theo chức năng từng loại:[14]
Màng trong mang hơn 151 loại polypeptide khác nhau, và có tỷ lệ rất cao protein trên phospholipid (hơn 3:1 về mặt khối lượng, nghĩa là cứ khoảng 1 protein thì tương đương với 15 phân tử phospholipid). Màng trong cũng là bộ phận chiếm giữ xấp xỉ 1/5 tổng lượng protein ở ty thể.[14] Ngoài ra, màng còn là nơi tích lũy đậm đặc một dạng phospholipid hiếm gặp, cardiolipin. Phân tử phospholipid này ban đầu được phát hiện trong tim bò năm 1942, và sự có mặt của cardiolipin thường là một đặc trưng của màng sinh chất ty thể và vi khuẩn.[43] Cardiolipin cấu tạo từ bốn axit béo thay vì hai như thông thường, và có thể điều này đã khiến cho màng trong trở nên không thấm.[14] Không như màng ngoài, màng trong lại không có các porin và mang đặc tính không thấm cao đối với mọi phân tử muốn chuyển vận xuyên màng. Hầu hết tất cả ion và phân tử đều phải nhờ một hệ vận chuyển qua màng đặc hiệu mới có thể đi vào hay ra khỏi chất nền. Riêng những protein phải được chuyên chở thông qua phức hệ translocase màng trong (translocase of the inner membrane, TIM) hay qua Oxa1.[40] Bên cạnh đó, một điện thế màng cũng xuất hiện hai bên màng trong do những tác động từ các enzyme thuộc chuỗi chuyền điện tử.
Màng ty thể trong được gấp nếp lấn sâu vào chất nền tạo thành nhiều mấu lồi dạng răng lược gọi là mào (cristae, số ít: crista), giúp màng trong mở rộng diện tích bề mặt, nâng cao khả năng sản xuất ATP. Đối với ty thể tế bào gan điển hình, diện tích màng trong lớn gấp 5 lần màng ngoài. Tỷ lệ này cũng biến thiên đa dạng, và đối với những ty thể trong các tế bào có nhu cầu năng lượng ATP cao như tế bào cơ thì chúng lại gấp nếp mạnh mẽ tạo nên nhiều mào hơn. Những nếp màng này được khảm bằng hàng loạt thể cầu nhỏ, gọi là hạt F1 hay oxysome. Đây không hẳn là những nếp gấp đơn giản tạo ra khi màng trong lõm vào chất nền, mà chúng còn có khả năng tác động đến tổng thể chức năng hóa thẩm thấu.[44]
Một nghiên cứu mô phỏng toán học gần đây đề xuất rằng những đặc tính quang học của mào trong ty thể dạng sợi có thể ảnh hưởng đến sự phát sinh và lan truyền ánh sáng trong mô.[45]
Chất nền là không gian bao bởi màng trong. Chứa đựng khoảng 2/3 tổng lượng protein ở ty thể.[14] Chất nền có vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất ATP thông qua hệ thống phức hợp ATP synthase đặt tại màng trong. Đây là nơi đặc trưng bởi nồng độ cao của hỗn hợp hàng trăm enzyme, nhiều ribosome ty thể, tRNA và một số bản sao từ hệ gen DNA ty thể. Hoạt động chính của những enzyme chất nền là oxy hóa pyruvate và axit béo, cũng như tham gia chu trình axit citric.[14]
Ty thể sở hữu vật chất di truyền của riêng chúng, và là bộ máy cấu tạo nên hệ RNA và protein riêng ty thể (xem: sinh tổng hợp protein). Người ta cho biết một trình tự DNA ty thể ở người được công bố chứa đến 16.569 cặp base mã hóa trong 37 gen, gồm: 22 gen tRNA, 2 gen rRNA và 13 gen peptide.[46] Ở người, 13 loại peptide ty thể này khảm vào lớp màng trong, cùng với những protein mã hóa bởi những gen trong nhân tế bào chủ.
Màng lưới nội chất liên hợp ty thể hay màng ER liên hợp ty thể (mitochondria-associated ER membrane, MAM) là thành phần cấu trúc ngày càng được công nhận rộng rãi về vai trò quan trọng của nó trong sinh lý học tế bào và cân bằng nội môi. Từng bị coi là một trở ngại kỹ thuật trong công nghệ phân đoạn tế bào, vì những túi ER pha tạp này khi đó sẽ gây tập nhiễm khi thực hiện phân đoạn tế bào, thì nay được tái xác nhận là một cấu trúc màng bao nguồn gốc từ hệ MAM—phần trung gian chuyển tiếp giữa ty thể và lưới nội chất (ER).[47] Người ta từng quan sát mối liên thông vật lý giữa hai bào quan đây trong những ảnh vi ký điện tử và gần đây với những ảnh chụp hiển vi huỳnh quang.[47] Những nghiên cứu này ước lượng màng ngoài ty thể có khả năng chiếm đến 20% trong tổng cấu trúc MAM, trong đó ER cùng ty thể bị phân cách một khoảng từ 10–25 nm và kết gặp với nhau thông qua những phức hệ buộc nối protein.[47][48][49]
Tinh chế MAM từ quá trình phân đoạn hạ tế bào đã cho thấy cấu trúc này có vai trò làm giàu các enzyme tham gia những phản ứng biến chuyển phospholipid, bên cạnh đó còn là những kênh hoạt động tương giao với tín hiệu Ca2+.[47][49] Các dấu hiệu trên đã chứng minh MAM có một vai trò nổi bật trong việc điều hòa hoạt động lưu trữ lipid tế bào và dẫn truyền tín hiệu, kèm với những tất suy ý nghĩa cho hiện tượng liên hợp ty thể của tế bào, như đoạn trình bày sau đây. MAM không chỉ cung cấp cách nhìn sâu sắc đến những nền tảng cơ học cơ sở như các quá trình sinh lý trong tiến trình tự chết của tế bào cũng như hoạt động truyền dẫn tín hiệu canxi, mà nó còn phác ra một góc nhìn tinh tế hơn về bào quan ty thể. Dù thường bị xem là tĩnh tại, "nhà máy năng lượng" cô lập này lại đoạt chiếm hoạt động chuyển hóa của tế bào qua một sự kiện nội cộng sinh nguyên thủy, do vậy con đường tiến hóa của MAM phải gạch ra những giới hạn để ty thể được phép tích hợp hòa hợp vào tổng thể quá trình sinh lý tế bào, kèm theo những khớp buộc vật lý và nhập hòa chức năng với hệ thống nội màng.
MAM có khả năng làm giàu các enzyme tham gia sinh tổng hợp lipid, như phosphatidylserine synthase trên bề mặt lưới nội chất và phosphatidylserine decarboxylase trên bề mặt ty thể.[50][51] Nguyên do ty thể là bào quan liên tục dung hợp và phân đôi, nên chúng yêu cầu phải có một nguồn cung cấp phospholipid thường xuyên và chất lượng nhằm duy trì bộ màng được nguyên vẹn.[52][53] Nhưng ty thể không chỉ là đích nhập phospholipid tại tận cùng tiến trình tổng hợp; mà đúng hơn, bào quan này còn đóng vai trò trong hệ liên bào quan để giao thương các chất trung gian và những sản phẩm từ con đường sinh tổng hợp phospholipid, chuyển hóa ceramide và cholesterol, cũng như đồng hóa glycosphingolipid.[51][53]
Việc MAM điều tiết khả năng giao thương nội bào được chứng minh là để tạo điều kiện thuận lợi cho sự chuyển vận lipid trung gian giữa các bào quan.[50] Tương phản với cơ chế chuyển tiếp lipid căn bản qua hệ túi sinh học, bằng chứng cho thấy khoảng cách vật lý gần giữa màng ER và ty thể tại MAM cho phép lipid dịch chuyển linh hoạt giữa hai lớp màng đối diện nhau này.[53] Dẫu cho cơ chế đây lại hiếm gặp và dường như thu năng lượng, như chất vận chuyển không yêu cầu ATP.[53] Thay vì đó, ở nấm men, sự vận chuyển này lại phụ thuộc vào một cấu trúc buộc kết đa protein gọi là cấu trúc gặp gỡ ER-ty thể (ER-mitochondria encounter structure, hay ERMES), mặc dù vẫn chưa rõ liệu cấu trúc này có trực tiếp làm trung gian vận chuyển lipid hay chỉ có vai trò cần thiết để neo giữ các màng ở vị trí đủ gần nhằm tiêu giảm hàng rào năng lượng cho hoạt động lipid dịch chuyển linh hoạt.[53][54]
MAM đồng thời cũng có thể là thành phần thuộc lộ trình chế tiết (secretory pathway), bên cạnh vai trò trong giao thương lipid nội bào. Cụ thể, MAM có vẻ là một trạm trung chuyển giữa lưới nội chất hạt (rough ER) và bộ máy Golgi trên lộ trình, từ đó chỉ dẫn cho các lipoprotein tỷ trọng rất thấp (very-low-density lipoprotein, hay VLDL) lắp rắp hoặc bài tiết ra ngoài.[51][55] Như vậy, MAM chính là một trung tâm giao thương và trao đổi chất quan trọng trong quá trình chuyển hóa lipid.
Vai trò then chốt của ER trong phát xuất tín hiệu canxi được công nhận trước khi người ta chấp nhận rộng rãi ty thể cũng có vai trò trong quá trình này, một phần là do đặc tính ái lực thấp của những kênh Ca2+ định vị tại màng ty thể ngoài dường như đối ngược với khả năng đáp ứng có mục đích của bào quan này nhằm tạo nên những thay đổi trên dòng chảy Ca2+ nội bào.[47][56] Nhưng sự hiện diện của MAM đã giúp giải quyết mâu thuẫn rõ ràng đây: sự liên hợp vật lý khoảng cách gần giữa hai bào quan dẫn đến hệ quả các vi miền Ca2+ (Ca2+ microdomain) tại những điểm tiếp xúc có thể dễ dàng truyền tải hiệu quả Ca2+ từ ER đến ty thể.[47] Quá trình truyền dẫn xảy ra khi đáp ứng lại thứ gọi là "bánh xốp Ca2+" (Ca2+ puff), tạo từ việc nhóm cụm tự phát và kích hoạt công năng phức hệ IP3R, một kênh Ca2+ xuyên màng ER tiêu chuẩn.[47][48]
Số phận của những chiếc bánh xốp này—cụ thể, liệu rằng chúng vẫn hạn chế chuyển đến những địa điểm biệt lập hay tích kết vào những cơn sóng Ca2+ lưu thông khắp tế bào—được định rõ ở một tổng thể lớn hơn theo những hoạt độ động lực của MAM. Dù cho sự tái hấp thu Ca2+ của ER (đồng thời với sự phát xuất) điều biến cường độ bánh xốp, như vậy cũng gây cách điện ty thể ở một mức độ nhất định từ việc phơi nhiễm nồng độ cao Ca2+, MAM thường cư xử như một tường lửa, về mặt bản chất là những bánh xốp Ca2+ kèm đệm, bằng cách chuyển thành một bể chìm để các ion tự do giải phóng vào bào tương có thể được phễu lọc.[47][57][58] Đường hầm Ca2+ xuất hiện thông qua thụ quan Ca2+ ái lực thấp là VDAC1, gần đây được chứng minh là có thể buộc kết về mặt vật lý với những cụm IP3R trên màng ER và được làm giàu tại MAM.[47][48][59] Khả năng ty thể hành xử như một bể chứa Ca2+ là một hệ quả từ gradient điện hóa xuất hiện xuyên suốt quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, tạo nên những đường hầm cation theo tiến trình sụt thế.[59] Thông thường, dòng canxi trung hòa từ bào tương chảy vào chất nền ty thể là nguyên nhân gây ra hiện tượng khử cực tạm thời, rồi được hiệu sửa sau đó bằng cách bơm các proton ra ngoài.
Lưu ý là quá trình truyền dẫn Ca2+ không phải một chiều đơn nhất; chính xác hơn là con đường lưu thông hai chiều.[56] Những tính chất của bơm Ca2+ SERCA và kênh IP3R thể hiện trên màng ER tạo điều kiện xảy ra sự điều hòa ngược điều phối nhờ chức năng của MAM. Cụ thể, việc MAM quét sạch Ca2+ cho phép mẫu hóa không thời gian (spatio-temporal patterning) đối với sự phát xuất tín hiệu Ca2+ bởi Ca2+ có thể tu chỉnh hoạt động IP3R một cách lưỡng pha.[47] SERCA cũng chịu ảnh hưởng tương tự từ tác động ngược của ty thể: hấp thu Ca2+ khi MAM kích thích sản xuất ATP, như vậy cung cấp năng lượng cho phép SERCA nạp tải Ca2+ qua ER từ những dòng Ca2+ tuôn trào liên hồi tại MAM.[57][59] Như thế, MAM không chỉ là bộ đệm thụ động của những bánh xốp Ca2+, mà còn giúp điều tiết những dòng tín hiệu Ca2+ xa hơn nữa thông qua các vòng lặp hồi ngược tác động đến hoạt tính động lực của ER.
Quá trình điều hòa ER giải phóng Ca2+ tại MAM đặc biệt quan trọng bởi có thể chỉ có một lối thông nhất định hấp thu Ca2+ nhằm duy trì hoạt động ty thể, và ở mức độ tế bào là quá trình hóa thẩm thấu. Một lượng vừa đủ tín hiệu Ca2+ nội bào quan là yêu cầu cần thiết để kích thích trao đổi chất bằng cách hoạt hóa những enzyme dehydrogenase có vai trò chu toàn chu trình axit citric.[60] Tuy nhiên, một khi lượng tín hiệu Ca2+ trong ty thể vượt ngưỡng nhất định lại dẫn đến kích hoạt phương thức nội tại của quá trình chết rụng tế bào, một phần nguyên do sự suy biến thế năng màng ty thể cần thiết cho hoạt động trao đổi chất.[47] Những nghiên cứu khảo sát vai trò các nhân tố tiền và phản chết rụng (pro- and anti-apoptotic factor) đã ủng hộ mô hình này, lấy ví dụ, nhân tố phản chết rụng Bcl-2 được minh chứng là có thể tương tác với IP3R nhằm hạ lượng Ca2+ chảy vào ER, dẫn đến tiêu giảm dòng chảy tuôn trào tại MAM và ngăn chặn sự suy biến thế năng màng ty thể do chất kích thích hậu chết rụng (post-apoptotic stimuli).[47] Vì nhu cầu điều hòa khỏe mạnh dòng tín hiệu Ca2+, có lẽ không ngạc nhiên mấy khi sự rối loạn điều hòa Ca2+ ty thể lại liên quan đến một số bệnh lý thoái hóa thần kinh, khi mà hàng loạt gen ức chế khối u bao hàm một vài phần mã hóa cho các sản phẩm được làm giàu tại MAM.[59]
Những tiến bộ gần đây trong việc nhận diện cấu trúc buộc kết giữa màng ty thể và ER đã gợi ý chức năng giàn giáo của những thành phần phân tử là thứ sinh so với các chức năng không tham gia cấu trúc của chúng. Ở nấm men, ERMES, một phức hệ đa protein cư trú liên màng ER và ty thể, bắt buộc phải có cho hoạt động vận chuyển lipid tại MAM và cũng là thành phần minh họa cho nguyên tắc trên. Lấy ví dụ, một trong những cấu phần của nó cũng là một cấu thành của hệ phức hợp protein cần có cho sự chèn gắn những protein ống beta xuyên màng (transmembrane beta-barrel protein) vào lớp lipid kép.[53] Tuy vậy, một đồng đẳng của phức hệ ERMES vẫn chưa được xác định hoàn toàn trong tế bào động vật có vú. Những protein liên đới khác trong hệ cấu trúc giàn giáo cũng có tương tự những chức năng độc lập với hoạt tính buộc kết có cấu trúc tại MAM; tỷ dụ, những mitofusin cư trú liên ER và ty thể hình thành nên những dị phức hệ (heterocomplex) quản lý một lượng vị trí tiếp túc liên bào quan, mặc dù người ta chỉ mới xác định được vai trò của mitofusin trong những sự kiện phân đôi và dung hợp giữa các ty thể riêng lẻ.[47] Protein điều hòa glucose 75 (Glucose-regulated protein 75, Grp75) là một protein song năng khác. Bên cạnh việc tập trung thành những bể Grp75 trong chất nền, một phần phân tử cũng đảm trách như một chaperone trong việc liên kết vật lý giữa những kênh Ca2+ VDAC và IP3R liên ty thể-ER nhằm nâng cao hiệu quả truyền dẫn Ca2+ tại MAM.[47][48] Ngoài ra còn có một cấu trúc buộc kết thế năng nữa là Sigma-1R, một thụ quan phi opioid (non-opioid receptor) có chức năng ổn định hóa phức hệ IP3R cư trú ER, có khả năng bảo tồn thông tin liên lạc tại MAM thông qua những đáp ứng căng thẳng chuyển hóa.[61][62]
Mô hình phức hệ buộc kết đa protein ở nấm men, ERMESMAM là một trung tâm tín hiệu, chuyển hóa và giao thương quan trọng trong tế bào, đảm nhận sự liên hợp sinh lý giữa ER và ty thể. Những khớp buộc giữa hai bào quan này không chỉ đơn thuần là một cấu trúc bình thường mà còn chịu trách nhiệm thực hiện nhiều chức năng hữu ích và quan trọng trong tổng thể tiến trình sinh lý tế bào cũng như cân bằng nội môi. Như vậy, MAM đã áp thêm một quan điểm mới lên ty thể phân tán khỏi cách nhìn truyền thống về bào quan này như một thể tĩnh tại, một đơn vị cô lập từng đoạt chiếm khả năng chuyển hóa của tế bào. Thay cho quan niệm cũ đó, thực tế chính cấu trúc liên ER-ty thể này đã nhấn mạnh tính liên hợp của ty thể, sản phẩm từ một sự kiện nội cộng sinh, trong những quá trình tế bào đa dạng.
Thực đơn
Ty_thểLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Ty_thể