Ty thể là gì?

Thuật ngữ “ty thể” xuất phát từ hai từ trong tiếng Hy Lạp “mitos” và “chondrios” có nghĩa tương ứng là “sợi” và “hạt”. Thuật ngữ “ty thể” là số ít trong khi từ “ty thể” là số nhiều. Như chúng ta đã biết từ lâu, ty thể là cỗ máy năng lượng của tế bào. Chúng cung cấp năng lượng hóa học cho tế bào dưới dạng phân tử ATP.

Định nghĩa về ty thể trong sinh học như sau:

Ty thể là các bào quan có hình tròn hoặc hình bầu dục, có màng kép trong tế bào nhân chuẩn, có nhiệm vụ giữ cho tế bào được tích điện để thực hiện công việc của tế bào bằng cách sản xuất các đơn vị năng lượng gọi là ATP.

Cấu tạo ty thể

Ty thể là một cơ quan nhỏ thường có hình tròn hoặc hình bầu dục và kích thước 0,75-3 μm2. Nó là một cơ quan có màng kép được tìm thấy trong tế bào chất của hầu hết các tế bào nhân chuẩn. Các màng kép làm cho ty thể tương tự như các bào quan khác như nhân và lạp thể. Số lượng và hình dạng có thể khác nhau rất nhiều tùy thuộc vào loại tế bào.

Cấu trúc của ty thể có thể được chia thành năm thành phần chính. Danh sách dưới đây mô tả các phần khác nhau của ty thể.

Màng ngoài

Màng ngoài là lớp phủ ngoài cùng của ty thể và giúp phân tách tách thành phần của không gian liên màng khỏi cytosol.

Về thành phần, màng ngoài giống như một màng sinh chất vì cả hai đều được cấu tạo từ lớp kép phospholipid và chứa nhiều protein và enzyme. Màng ngoài có khả năng thấm đối với các phân tử nhỏ <1000 kDa. Nó có vai trò điều tiết chính trong quá trình chết tế bào theo chương trình.

Danh sách các thành phần quan trọng của màng ngoài ty thể và ý nghĩa của chúng:

• Porins: cấu trúc protein chuyên biệt cho phép các ion, nucleotide, chất chuyển hóa và protein nhỏ đi qua màng.
• Translocase: chúng tham gia vào việc vận chuyển một số protein lớn.
• Enzym chuyển hóa: Mono-amine oxidase, Kynurenine hydroxylase, CoA ligase axit béo, NADH-Cyt-c reductase.
• MAM (Màng ER liên kết với ty thể): MAM là các miền chức năng kết nối ty thể và ER. Chúng đóng một vai trò trong việc vận chuyển lipid, cân bằng nội môi canxi, quá trình tự thực và apoptosis.

Không gian liên màng

Không gian liên màng – hay không gian quanh ty thể – là một không gian nhỏ hiện diện giữa màng ngoài và màng trong của ty thể. Nó đóng một vai trò quan trọng trong việc vận chuyển protein và ion, lắp ráp protein màng bên trong và hô hấp tế bào.

Không gian liên màng chứa các proton được bơm từ ma trận ty thể vào không gian giữa các màng trong các phản ứng oxy hóa khử của chuỗi vận chuyển điện tử.

Màng trong

Màng trong của ty thể có kích thước lớn hơn màng ngoài. Nó tạo ra nhiều nếp gấp để nằm gọn trong màng ngoài, do đó tạo cho nó vẻ ngoài nhăn nheo khi quan sát dưới kính hiển vi điện tử.

Đây là vị trí chính của quá trình phosphoryl oxy hóa vì nó chứa các phức hợp của chuỗi vận chuyển điện tử.

Không giống như màng ty thể bên ngoài, màng ty thể bên trong có tính thấm cao và không có porin. Điều này cho phép màng ty thể bên trong duy trì gradient proton thúc đẩy quá trình tổng hợp ATP.

Cristae

Vô số nếp gấp của màng ty thể bên trong tạo ra các ngăn được gọi là cristae.

Những cristae này được đính các protein của chuỗi vận chuyển điện tử và giúp tối đa hóa diện tích bề mặt cho các phản ứng phosphoryl hóa oxy hóa.

Các tế bào có nhu cầu cao về ATP/năng lượng có nhiều cristae hơn trong ty thể.

Matrix

Không gian được bao bọc trong giới hạn của màng ty thể bên trong là matrix (ma trận của ty thể).

Nó chứa một số bản sao của ADN ty thể và các enzyme chuyển hóa khác nhau. Một trong những chu trình trao đổi chất quan trọng nhất, tức là chu trình Krebs (còn gọi là chu trình TCA) xảy ra trong ma trận ty thể.

Chức năng của ty thể

Ty thể là cơ quan của tế bào tham gia tích cực vào việc sản xuất năng lượng hoặc nhiên liệu cho hoạt động sinh học cơ bản của tế bào. Bây giờ câu hỏi được đặt ra, ATP là gì? ATP – hay adenosine triphosphate – là một hợp chất năng lượng cao cung cấp năng lượng cho tế bào. Nó được tạo ra bởi quá trình hô hấp tế bào diễn ra ở ty thể. Trong quá trình hô hấp tế bào, thức ăn bị oxy hóa, oxy được tiêu thụ và carbon dioxide được giải phóng.

Tổng hợp ATP

ATP là nguồn năng lượng cơ sở của mọi hoạt động của tế bào; cho dù đó là tế bào thực vật hay tế bào động vật, tế bào người hay tế bào nấm.

Chức năng quan trọng nhất của ty thể là tổng hợp ATP.

ATP là nguồn năng lượng của tế bào cung cấp năng lượng cho các phản ứng sinh hóa. Các phân tử ATP được tạo ra bởi một quá trình gọi là quá trình phosphoryl hóa oxy hóa.

Quá trình phosphoryl oxy hóa là một chuỗi các phản ứng oxy hóa khử phức tạp trong chuỗi vận chuyển điện tử, oxy hóa các chất chuyển hóa chất dinh dưỡng từ đó giải phóng năng lượng được sử dụng cho quá trình phosphoryl hóa ADP thành ATP.

Chuỗi vận chuyển điện tử nằm ở màng trong ty thể. Chuỗi vận chuyển điện tử là một chuỗi các phức chất được sắp xếp theo thứ tự tăng dần về thế oxy hóa khử, đóng vai trò là chất nhận điện tử. Các phân tử như NADH và FADH2 tặng electron thông qua phản ứng oxi hóa khử cho các phức chất của chuỗi vận chuyển điện tử.

Những phản ứng oxy hóa khử này kết hợp với việc bơm proton vào không gian giữa các màng, do đó tạo ra một gradient điện hóa trên màng ty thể bên trong. Độ dốc này được phức hợp tổng hợp FOF1 ATP sử dụng để tổng hợp ATP.

Nhà máy sản xuất nhiệt cho cơ thể

Gradient điện hóa của ty thể được tạo ra bởi chuỗi vận chuyển điện tử được sử dụng cho quá trình phosphoryl hóa ADP thành ATP.

Điều này được gọi là khớp nối hóa học. Do đó, năng lượng giải phóng trong quá trình chuyển điện tử được lưu trữ trong các liên kết photphat năng lượng cao.

Tuy nhiên, các mô như mỡ nâu không có sự liên kết thẩm thấu hóa học. Do đó, năng lượng tự do được giải phóng dưới dạng nhiệt. Năng lượng nhiệt này giúp trẻ nhỏ giữ ấm vì chúng thiếu các cơ chế sinh nhiệt khác như run rẩy.

Cân bằng nội môi canxi

Ty thể đóng một vai trò quan trọng trong cân bằng nội môi canxi. Ty thể và mạng lưới nội chất là nơi dự trữ canxi nội bào chính.

MAM là các miền giữa ty thể và mạng lưới nội chất điều chỉnh chặt chẽ nồng độ canxi trong tế bào, điều này rất cần thiết cho sự tồn tại và hoạt động của tế bào.

Điều hòa chức năng miễn dịch

Ty thể đóng vai trò trong việc kích hoạt, tồn tại và biệt hóa các tế bào miễn dịch. Nó có thể làm như vậy bằng cách tạo ra những thay đổi trong quá trình trao đổi chất, kích hoạt phản ứng viêm, thay đổi động lực của ty thể bằng cách phân hạch và hợp nhất ty thể, cũng như truyền tín hiệu nối ty thể – ER.

Apoptosis hoặc chết tế bào theo chương trình

Ty thể có một vai trò rõ ràng trong con đường thúc đẩy quá trình apoptotic nội tại.

Các tín hiệu, chẳng hạn như tổn thương DNA, kích hoạt con đường chết theo chương trình nội tại. Nó xảy ra trước sự mất cân bằng giữa protein prooptotic và protein chống apoptotic.

Sự mất cân bằng này dẫn đến tăng tính thấm của màng ty thể bên ngoài với cytochrome-c (cyt-c), chất này rò rỉ ra ngoài trong bào tương.

Cyt-c hình thành phức hợp với APAF-1 (yếu tố kích hoạt apoptosis), tuyển dụng và kích hoạt caspase-9 (protease khởi đầu).

Caspase-9 tiếp tục kích hoạt caspase-3, 6 và 7 (protease của kẻ hành quyết).

Điều này dẫn đến sự chết tế bào và quá trình thực bào hiệu quả của phần còn lại.

Điều hòa tế bào gốc

Chuyển hóa ty thể rất quan trọng đối với sự điều hòa chặt chẽ cân bằng nội môi của tế bào gốc soma (SCC).

Đột biến trong ADN ty thể dẫn đến rối loạn chức năng ty thể và làm tổn hại đến cân bằng nội môi của SCC. Điều này có liên quan đến sự thoái hóa mô và lão hóa gia tăng.

Tổng hợp các chất sinh hóa

Ty thể cung cấp chất trung gian để tổng hợp một số hợp chất như axit amin, diệp lục, cytochrome, steroid, alkaloid, pyrimidine…

Các chất trung gian của chu trình TCA đóng vai trò là tiền chất của quá trình tổng hợp một số axit amin. Oxaloacetate và axit α -ketoglutaric lần lượt là tiền chất của axit aspartic và axit glutamic.

Sự phân bố của ty thể

Ty thể là những bào quan nhỏ không thể nhìn thấy dưới kính hiển vi thông thường trừ khi được nhuộm màu đặc biệt.

Số lượng, kích thước và hình dạng của ty thể trong tế bào có thể khác nhau rất nhiều tùy thuộc vào loại sinh vật, loại tế bào và chức năng của tế bào. Chúng là những bào quan năng động có thể nhanh chóng trải qua các chu kỳ hợp nhất và phân hạch để thích ứng với yêu cầu của tế bào.

Khi hai ty thể khác nhau hợp nhất với nhau để trở thành một, nó được gọi là sự hợp nhất và khi một ty thể tách thành hai, nó được gọi là phân hạch.

Tổng số ty thể của tế bào được gọi là chondriome. Chúng thường hình thành các mạng lưới liên kết phức tạp với bộ khung tế bào của tế bào. Chúng luôn được phân bố cùng với các vi ống và thường liên kết với mạng lưới nội chất.

Sự đa dạng về cấu trúc và sự phân bố của ty thể ở các sinh vật và loại tế bào khác nhau có thể được hiểu qua các ví dụ dưới đây:

• Tế bào tinh trùng của động vật có vú chứa 50-75 ty thể hình lưỡi liềm với sự sắp xếp từ đầu đến cuối ở phần giữa của nó bao bọc các sợi dày đặc bên ngoài của đuôi theo kiểu xoắn ốc. Sự sắp xếp này của ty thể tinh trùng được gọi là vỏ bọc ty thể.
• Tế bào cơ chứa một số lượng lớn ty thể được sắp xếp giữa các sợi cơ. Một tế bào cơ tâm thất điển hình có thể chứa tới 7.000 ty thể, chiếm tới 35% thể tích tế bào.
• Hồng cầu trưởng thành hoàn toàn không có ty thể. Do đó, chúng chỉ phụ thuộc vào hô hấp yếm khí để đáp ứng nhu cầu năng lượng.
• Nguyên bào sợi chứa một số ty thể hợp nhất thường kéo dài tới chiều dài 50 μm.
• Hầu hết các sinh vật nhân chuẩn đều có ty thể ngoại trừ Oxymonad monocercomonoides và Henneguya salminicola.
• Các thể nguyên sinh thực vật thường chứa hàng trăm ty thể rời rạc và phân bố đồng đều về mặt vật lý do hiện tượng cyclosis.