Ty thể

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Sinh học tế bào
tế bào động vật
Animal Cell.svg
Thành phần tế bào động vật điển hình:
  1. Hạch nhân
  2. Nhân tế bào
  3. Ribosome (những chấm nhỏ)
  4. Túi tiết
  5. Mạng lưới nội chất thô ráp
  6. Bộ máy Golgi (hoặc "thể Golgi")
  7. Bộ xương tế bào
  8. Mạng lưới nội chất mịn
  9. Ty thể
  10. Không bào
  11. Phần bào tan (Chất lỏng có chứa các bào quan)
  12. Tiêu thể
  13. Trung thể
  14. Màng tế bào

Ty thể (tiếng Anh: mitochondrion (số nhiều: mitochondria)) là bào quan phổ biến ở các tế bào nhân chuẩn có lớp màng kép và hệ gen riêng. Ty thể được coi là trung tâm năng lượng của tế bào vì là nơi chuyển hóa các chất hữu cơ thành năng lượng tế bào có thể sử dụng được là ATP[1]. Nguồn gốc của ty thể được coi như là thể rút gọn từ các vi khuẩn cộng sinh từng sống tự do (xem thêm thuyết nội cộng sinh).

Trong sinh học tế bào, một ty thể (xuất phát từ tiếng Hy Lạp mitos có nghĩa là sợi và khondrion có nghĩa là hạt) là một tiểu thể (hay còn gọi là cơ quan) được tìm thấy trong hầu hết các tế bào sinh vật nhân thực, bao gồm thực vật, động vật, nấmnhóm đơn bào. Ở một vài nhóm, như là trypanosoma, protozoa, có một ty thể lớn duy nhất, ngoài ra thông thường một tế bào có hàng trăm cho đến hàng ngàn ty thể. Con số chính xác của ty thể phụ thuộc vào mức độ hoạt động chuyển hóa của tế bào: càng nhiều hoạt động chuyển hóa thì càng có nhiều ty thể. Ty thể có thể chiếm đến 25% thể tích của bào tương.

Đôi khi ty thể được miêu tả như "cỗ máy năng lượng của tế bào", bởi vì chức năng cơ bản của nó là chuyển đổi các vật chất hữu cơ thành năng lượng dưới dạng ATP (adenosin triphosphat).[2]

Cấu trúc ty thể[sửa | sửa mã nguồn]

Mặt cắt ngang của một ty thể, cho thấy: (1) màng trong, (2) màng ngoài, (3) mào ty thể, (4) chất nền

Tùy thuộc loại tế bào, ty thể có cấu trúc tổng thể khác nhau. Ở bên phải của ảnh, ty thể giống như hình dạng của xúc xích, có kích thước chiều dài từ 1 đến 4 µm. Trong khi đó ở bên trái của ảnh, ty thể có hình dạng một mạng lưới các ống liên kết nhau có độ phân nhánh cao. Quan sát các ty thể có gắn huỳnh quang ở các tế bào sống cho thấy chúng là các tiểu thể hay bào quan năng động có khả năng thay đổi hình dạng phong phú. Ngoài ra ty thể có khả năng liên kết với ty thể khác hoặc tự phân chia thành hai ty thể khác nhau.

Lớp ngoài của ty thể bao gồm hai màng có chức năng khác biệt nhau: màng ngoài ty thểmàng trong ty thể. Màng ngoài bao trùm toàn bộ ty thể, tạo nên ranh giới ngoài của nó. Lớp màng trong thì tạo thành các nếp gấp hay còn gọi là mào (cristae), hướng vào tâm. Mào này là nơi chứa các nhà máy hay bộ phận cần thiết cho quá trình hô hấp hiếu khí hay hô hấp ái khí và tổng hợp ATP, và cấu trúc gấp nếp ấy giúp gia tăng diện tích lớp màng trong của ty thể.

Các màng ty thể chia ty thể thành hai khoang khác biệt nhau: khoang "chứa chất cơ bản" nằm bên trong ty thể và khoang "liên màng" hay gian màng nằm giữa lớp màng ngoài và màng trong.

Màng ty thể[sửa | sửa mã nguồn]

Màng ngoài và màng trong cấu trúc gồm các lớp photpholipid kép được gắn với các protein, trông giống với màng tế bào điển hình. Tuy nhiên hai màng này có những đặc điểm khác biệt nhau. Lớp màng ngoài bao bọc ty thể bao gồm 50% trọng lượng là photpholipid và chứa các enzyme hay men liên quan đến các hoạt động khác nhau như oxi hóa của epinephrine (adrenaline), phân hủy của tryptophan, và quá trình tổng hợp kéo dài chuỗi axit béo.

Ngược lại lớp mạng trong của ty thể chứa hơn 100 polypeptide khác nhau, và có tỷ lệ protein/phospholipid cao (lớn hơn 3:1 theo trọng lượng, tương đương với 1 phân tử protein so với 15 phân tử photpholipid). Ngoài ra, lớp màng trong có nhiều các phân tử photpholipid hiếm như cardiolipin, phân tử này có đặc điểm của màng bào tương vi khuẩn.[3]

Lớp màng ngoài có chứa nhiều các protein tích hợp còn gọi là các porin hay các cổng, chúng có chứa bên trong một kênh tương đối lớn (khoảng 2-3 nm) và cho phép các ion và các phân tử nhỏ di chuyển ra vảo ty thể. Tuy nhiên các phân tử lớn không thể xuyên qua lớp màng ngoài được. Tuy nhiên lớp màng trong không có chứa các cổng porin nên không có tính thấm cao; hầu hết các ion và các phân tử cần phải có chất vận chuyển đặc biệt để di chuyển vào bên trong khoang cơ bản hay khoang chứa chất cơ bản.

Khoang cơ bản của ty thể[sửa | sửa mã nguồn]

Bên cạnh các enzymes, ty thể còn chứa các ribosome và nhiều phân tử DNA. Vì vậy ty thể có vật chất di tryền riêng của nó, và các nhà máy để sản xuất ra RNAprotein chính nó. (Xem thêm Tổng hợp protein). DNA không thuộc nhiễm sắc thể này mã hóa cho một số nhỏ peptide của ty thể (13 peptide ở người) và các peptide này được gắn kết vào lớp màng trong, cùng với các polypeptide được mă hóa bởi các gen nằm trong nhân tế bào.

Chức năng ty thể[sửa | sửa mã nguồn]

Dù chức năng cơ bản của ty thể là biến các chất hữu cơ thành năng lượng cho tế bào ở dưới dạng ATP, ty thể còn đóng một vai trò quan trọng khác trong nhiều quá trình chuyển hóa, như là:

  • Apoptosis, quá trình tế bào chết được lập trình
  • Tổn thương tế bào thần kinh do thoát các chất trung gian Glutamate
  • Tăng sinh tế bào
  • Điều hòa trạng thái oxi hóa khử của tế bào (redox có nghĩa là quá trình oxi hóa khử)
  • Tổnh hợp nhân Heme
  • Tổng hợp Steroid
  • Tạo nhiệt (giúp giữ ấm cho có thể)

Một vài chức năng của ty thể chỉ được thực hiện ở một số loại tế bào đặc hiệu nào đó. Chẳng hạn như ty thể của tế bào gan chứa các enzymes cho phép loại bỏ độc tính của ammoniac, đây là chất thải của quá trình chuyển hóa protein. Một sự đột biến các gen điều hòa bất cứ các chức năng này đều có thể gây ra nhiều bệnh ty thể khác nhau.

Biến đổi năng lượng[sửa | sửa mã nguồn]

Như miêu tả nêu trên, chức năng cơ bản của ty thể là sản xuất ra ATP. Điều này được thực hiện nhờ quá trình chuyển hóa các sản phẩm chính như phân hủy đường, pyruvateNADH (Phân hủy đường glycolysis được thực hiện ngoài ty thể, trong bào tương). Quá trình chuyển hóa này được thực hiện theo hai con đường khác nhau, tùy thuộc vào loại tế bào và có hay không có oxygen.

Pyruvate: Chu trình Krebs[sửa | sửa mã nguồn]

Xem chi tiết: Chu trình Krebs

Mỗi phân tử pyruvate được tạo ra từ phân hủy glucose được vận chuyển tích cực qua màng trong của ty thể, và vào trong khoang cơ bản, tại đây nó được kết hợp với coenzyme A để tạo thành acetyl CoA. Sau khi được tạo thành, acetyl CoA sẽ đi vào chu trình Krebs, hay còn gọi là chu trình tricarboxylic acid (TCA) hay là chu trình axít citric. Quá trình này tạo ra 3 phân tử NADH và 1 phân tử FADH2, tất cả chúng sẽ tham gia vào chuỗi vận chuyển điện tử. Vậy hai phân tử pyruvate từ 1 phân tử gluco ban đầu của quá trình đường phân sẽ tạo ra 6 phân tử NADH và 2 phân tử FADH2 đồng thời giải phóng ra 4 phân tử CO2 của phân tử gluco ban đầu. Như vậy kết thúc chu trình Krebs, 6C của phân tử Gluco đã được phân giải hoàn toàn thành 6 CO2 (2 phân tử CO2 được giải phóng trong quá trình oxy hóa 2 pyruvate và 4 phân tử CO2 còn lại được tạo ra trong chu trình Krebs).

Trong trường hợp có men succinate dehydrogenase, men này bám vào màng trong của ty thể, thì tất cả các men của chu trình Krebs sẽ được hòa tan vào khoang cơ bản của ty thể.

NADH và FADH2: Chuỗi vận chuyển điện tử[sửa | sửa mã nguồn]

Xem chi tiết: Chuỗi vận chuyển điện từ

Năng lượng tạo ra từ NADH và FADH2 được chuyển đến oxygen trong các bước của chuỗi vận chuyển điện tử. Các phức hợp protein trong lớp màng trong (NADH dehydrogenase, cytochrome c reductase, cytochrome c oxidase) sẽ thực hiện vận chuyển các năng lượng giải phóng đến các bơm proton (H+) để vận chuyển ngược với chiều gradient (nồng độ của protons trong khoang liên màng thì cao hơn trong khoang cơ bản). Một hệ thống vận chuyển tích cực (cần năng lượng) sẽ bơm các proton ngược chiều với hướng vật lý của chúng (theo chiều "ngược lại") từ khoang cơ bản vào khoang liên màng.

Khi nồng độ proton tăng lên trong khoang liên màng sẽ tạo ra một gradient khuếch tán mạnh. Lối thoát duy nhất cho các proton này là qua con đường tổng hơp ATP. Bằng cách vận chuyển các proton từ khoang liên màng ngược vào lại khoang cơ bản, phức hợp tổng hợp ATP có thể tạo ra ATP từ ADP và các phosphate vô cơ (Pi). Quá trình này được gọi là tình trạng thẩm thấu hóa học (chemiosmosis) và đây là ví dụ của quá trình khuếch tán hỗ trợ (facilitated diffusion). Peter Mitchell đã đạt được giải thưởng Nobel về hóa học năm 1978 với công trình chemiosmosis trạng thái thẩm phân hóa học. Sau đó là giải Nobel năm 1997 được trao cho Paul D. BoyerJohn E. Walker trong việc làm sáng tỏ cơ chế hoạt động của tổng hợp ATP.

Áp dụng trong nghiên cứu di truyền quần thể[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Di truyền ty thể

Bởi vì trong quá trình thụ tinh tinh trùng chỉ góp vào DNA nhiễm sắc thể, còn hợp tử thừa kế tế bào chất và các bào quan độc quyền từ tế bào trứng của mẹ, nên ADN ty thể của một cá thể chỉ có nguồn gốc từ mẹ. Những gen khác thì được thừa hường của cả bố lẫn mẹ. Do bởi đặc tính di truyền chỉ tử mẹ của ADN ty thể này mà các nhà khoa học về Di truyền quẩn thểsinh học tiến hóa thường sử dụng số liệu của chuỗi ADN ty thể để rút ra các kết luận về di truyền họctiến hóa, thông qua việc truy tìm phả hệ dòng mẹ của cá thể cái. (Xem thêm: bà Eve ti thể)

Các nghiên cứu quần thể đầy đủ thực hiện với cả vùng không tái tổ hợp của ADN nhiễm sắc thể Y, để truy tìm phả hệ dòng bố của cá thể đực.

Tuy nhiên các nghiên cứu mới đây đã đặt ra nghi vấn cho giả thuyết này. Kraytsberg và cộng sự đã chỉ ra rằng các kết hợp về di truyền ty thể cũng có thể gặp ở người[4].

Thuyết nội cộng sinh[sửa | sửa mã nguồn]

Ty thể là bào quan không như các bào quan bình thường khác vì có chứa các ribosome và vật chất di truyền riêng cho chúng. DNA của ty thể có dạng vòng và có các đặc tính khác biệt so với mã di truyền của sinh vật nhân thực (giống cấu trúc của sinh vật nhân sơ).

Chính điều này cùng với các bằng chứng tương tự đã hỗ trợ cho thuyết nội cộng sinh — đó là ty thể có nguồn gốc từ các thể nhân sơ nội cộng sinh. Do đó rộng rãi chấp nhận giả thuyết rằng tổ tiên của ty thể hiện đại là vi khuẩn phụ thuộc, chúng cư ngụ bên trong các tiền thân cổ đại của tất cả các thể nhân thực (người ta cho rằng ty thể ở tế bào nhân thực có nguồn gốc do sự kí sinh của sinh vật kị khí).[3]

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Henze K., Martin W., (2003). Evolutionary biology: essence of mitochondria. Nature 426 (6963): 127–8.
  2. ^ Campbell N. A., Brad W., Robin J. H., (2006). Biology: Exploring Life. Boston, Massachusetts: Pearson Prentice Hall. ISBN 0-13-250882-6.
  3. ^ a ă Andersson SG, Karlberg O, Canbäck B, Kurland CG, (2003). On the origin of mitochondria: a genomics perspective. Philosophical Transactions of the Royal Society B 358 (1429): 165–77.
  4. ^ Tạp chí Science. 304:981, May 2004, pubmed #15143273

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]