Ty thể
Ty thể là những bào quan bào quan hình que và có thể được coi là những nhà máy sản xuất năng lượng của tế bào. Tại đây xảy ra quá trình hô hấp tế bào chuyển ôxy và chất dinh dưỡng thành adenosine triphosphate (ATP). ATP là “dòng” năng lượng hóa học của tế bào cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động của đơn vị sự sống này. Đây cũng là lý do vì sao động vật cần thở ôxy. Không có ty thể, động vật bậc cao đã có thể không tồn tại vì nếu vậy tế bào của chúng chỉ có thể thu nhận năng lượng thông qua hô hấp yếm khí, một quá trình kém hiệu quả hơn nhiều. Trên thực tế, ty thể giúp tế bào có thể sản xuất năng lượng nhiều hơn gấp 15 lần so với khi tế bào không có bào quan này. Các động vật có cấu trúc phức tạp, bao gồm cả con người, đều cần một lượng lớn năng lượng mới có thể tồn tại được.
Số lượng của ty thể hiện diện trong mỗi tế bào tùy thuộc vào nhu cầu chuyển hóa của tế bào đó và có thể thay đổi từ một ty thể lớn đến hàng ngàn ty thể khác nhau trong một tế bào. Ty thể có thể tìm thấy trong gần như tất cả các tế bào có nhân, bao gồm cả thực vật, động vật, nấm và sinh vật nguyên sinh. Ty thể có thể có kích thước lớn đến độ có thể quan sát được dưới kính hiển vi quan học và được phát hiện từ những năm 1800. Tên của bào quan này được đặt theo hình dáng của nó như những nhà khoa học đầu tiên đã quan sát. Ty thể (mitochondrion) bắt nguồn từ hai từ Hy lạp “sợi” (thread) và “hạt” (granule). Nhiều năm sau phát hiện của họ, ty thể vẫn được cho là bào quan truyền thông tin di truyền. Chỉ mãi đến giữa những năm 1950, khi ngành sinh học phát triển được một phương pháp phân lập bào quan này một cách nguyên vẹn thì chức năng của ty thể mới được biết rõ.
Mục lục
1. Cấu trúc của ty thể[sửa]
Ty thể được bao bọc bởi hai lớp màng cách nhau bới một khoảng gian màng. Khoảng không gian bên trong màng trong chứa chất nền (matrix) của ty thể. Chất nền này tương đối đậm đặc và có thể tìm thấy các sợi ADN, ribosome hoặc các hạt nhỏ tại đây. Ty thể có thể mã hóa một phần các protein của chúng bằng chính bộ máy di truyền của riêng mình. Ty thể luôn luôn thay đổi hình dáng.
Màng của ty thể đều được cấu tạo bởi protein và lớp phospholipid kép (phospholipid bilayer). Tuy nhiên, mỗi màng có những đặc trưng riêng khác nhau. Như vậy ty thể có năm khoang khác nhau. Đó là lớp màng ngoài, khoảng gian màng (giữa màng ngoài và màng trong), màng trong, khoảng gian mào ty thể (giữa mỗi một mào ty thể) và chất nền (giữa các mào ty thể về phái trong). Kích thước ty thể thay đổi từ 1 đến 10 micrometers (μm).
Màng trong ty thể vận chuyển các cơ chất tích điện âm như ADP, ATP, phosphate, oxoglutarate, citrate, glutamate và malate. Các phản ứng của chu trình citric acid, quá trình ôxy hóa acid béo và một vài giai đoạn của quá trình tổng hợp urea cũng như tân tạo đường cũng xảy ra trong ty thể. Năng lượng được sản xuất bởi quá trình hô hấp ty thể được sử dụng trong tổng hợp ATP bởi một cơ chế rất phức tạp gọi là quá trình phosphoryl hóa nhờ ôxy hóa (oxidative phosphorylation). Ngoài quá trình phosphoryl hóa nhờ ôxy hóa và các con đường chuyển hóa, ty thể còn tham gia vào các quá trình khác như quá trình sinh nhiệt, tạo gốc tự do, cân bằng calcium, tổng hợp protein và vào quá trình chết tế bào lập trình (apoptosis).
1.1. Lớp màng ngoài (Outer membrane)[sửa]
Lớp màng ngoài, bao bọc toàn bộ ty thể, có tỷ suất protein/phospholipid tương tự như màng bào tương của các tế bào có nhân khác tức là vào khảng 1:1 nếu tính theo khối lượng. Màng này chứa các gắn màng gọi là các porin chứa các kênh khá lớn (khoảng 2-3 nm). Các kênh này có thể cho thấm qua tất cả các phân tử có trọng lượng phân tử từ 5000 dalton trở xuống. Các phân tử lớn hơn chỉ có thể xuyên qua lớp màng này thông qua phương thức vận chuyển tích cực. Màng ngoài ty thể cũng chứa các enzyme tham gia vào rất nhiều hoạt động khác nhau như nối dài mạch acid béo, ôxy hóa epinephrine và giáng hóa tryptophan.
1.2. Lớp màng trong (Inner membrane)[sửa]
Lớp màng trong của ty thể chưa các protein với bốn chức năng như sau:
- 1. Các protein thực hiện phản ứng ôxy hóa của chuỗi hô hấp tế bào.
- 2. Men ATP synthase trong chất nền tổng hợp ATP.
- 3. Các protein vận chuyển đặc hiệu có chức năng điều hòa sự đi vào hoặc đi ra khỏi chất nền của các chất chuyển hóa.
- 4. Bộ máy nhập khẩu protein.
Lớp màng này chứa hơn 100 polypeptide khác nhau và có tỷ suất protein/phospholipid rất cao (hơn 3:1 nếu tính về khối lượng, tương ứng với 1 protein cho mỗi 15 phospholipid nếu tính về số lượng). Ngoài ra màng trong ty thể còn chứa một lượng lớn một phospholipid không thường gặp đó là cardiolipin. Phospholipid này thường là đặc trưng của lớp màng bào tương vi khuẩn. Không giống như lớp màng ngoài, màng trong ty thể không có các porin và có tính thấm rất thấp. Gần như tất cả các ion và các phân tử đều cần các phân tử vận chuyển màng đặc biệt đẻ đi qua màng này. Ngoài ra, hai bên màng tồn tại một hiệu điện thế. Lớp màng trong của ty thể lại được chia thành nhiều mào ty thể là cho diện tích của lớp màng trong tăng lên nhiều lần và nhờ đó, khả năng tổng hợp ATP cũng tăng lên. Ví dụ, ở các ty thể điển hình tại tế bào gan, bề mặt của màng trong bao gồm cả các mào ty thể lớn khảng gấp 5 lần so với diện tích màng ngoài. Ty thể của các tế bào có nhu cầu năng lượng cao như tế bào cơ chẳng hạn thì lượng mào ty thể này còn cao hơn nữa.
1.3. Chất nền của ty thể (Mitochondrial matrix)[sửa]
Khoang chất nền là khảng không gian được bao bọc bởi lớp màng trong. Chất nền ty thể chứa một hỗn hợp hàng trăm enzyme ở nồng độ cao và các ribosome ty thể đặc biệt, các tRNA và một số bản sao DNA ty thể. Chức năng chính của các enzyme này bao gồm ôxy hóa pyruvate và các acid béo cũng như tham gia trong chu trình acid citric.
Ty thể có vật chất di truyền và bộ máy của riêng nó để tổng hợp nên các RNA cũng như protein của chúng. Các DNA ngoài nhiễm sắc thể này mã hóa một số các peptide của ty thể (13 peptide ở người). Các peptide này gắn vào lớp màng trong cùng với các protein khác được mã hóa trong nhân tế bào.
2. Hoạt động của ty thể như là một nhà máy năng lượng của tế bào[sửa]
Thức ăn đưa vào được ôxy hóa để sản xuất các điện tử chứa năng lượng cao và sau đó được chuyển thành dạng năng lượng dự trữ. Nguồn năng lượng này được dự trữ ở các cầu nối phosphate năng lượng cao trong một loại phân tử gọi là adenosine triphosphate hay ATP. ATP được biển đổi từ adenosine diphosphate (ADP) bằng cách gắn thêm một nhóm phosphate bằng cầu nối năng lượng cao. Các phản ứng khác nhau trong cơ thể hoặc sử dụng năng lượng (trong quá trình này ATP được chuyển thành ADP và giải phóng cầu nối năng lượng cao) hoặc sản xuất ra năng lượng (trong quá trình này, ATP được tổng hợp từ ADP).
2.1. Từ quá trình đường phân đến chuỗi vận chuyển điện tử[sửa]
Đầu tiên, thức ăn phải được chuyển thành các chất hóa học cơ bản để tế bào có thể sử dụng. Nguồn thức ăn cung cấp năng lượng tốt nhất là đường hay carbohydrate. Lấy đường làm ví dụ thì các phân tử đường này sẽ được giáng hóa bởi các enzyme để trở thành dạng đường đơn giản nhất là glucose. Sau đó, glucose này sẽ đi vào tế bào nhờ vào các phân tử đặc biệt trên màng tế bào là các chất vận chuyển glucose.
Một khi đã vào bên trong tế bào, glucose được giáng hóa tiếp tục để tạo thành ATP theo hai con đường. Con đường thứ nhất không yêu cầu sự hiện diện của ôxy và được gọi là chuyển hóa yếm khí (anaerobic metabolism). Con đường này được gọi là quá trình đường phân (glycolysis) và xảy ra trong bào tương, bên ngoài ty thể. Trong quá trình đường phân, glucose được giáng hóa thành pyruvate. Các thức ăn khác như mỡ cũng có thể được giáng hóa để được sử dụng như một nguồn năng lượng.
Ty thể có thể sử dụng cả pyruvate lẫn acid béo để làm nhiên liệu. Cả hai dạng phân tử năng lượng này được vận chuyển qua màng trong ty thể và đều được chuyển thành một dạng trung gian chuyển hóa cực kỳ quan trọng là các acetyl CoA bên trong chất nền. Các nhóm acetyl của acetyl CoA sẽ được ôxy hóa tại đây thông qua chu trình Kreb.
2.2. Chu trình Kreb[sửa]
Ý nghĩa của quá trình hô hấp tế bào nằm ở chu trình Kreb hay còn gọi là là chu trình acid citric. Chu trình này nhằm lấy càng nhiều điện tử năng lượng cao từ thức ăn đưa vào càng tốt. Năng lượng được ATP lưu giữ sau đó sẽ được dùng cho tất cả các hoạt động của các chức năng tế bào như vận động, vận chuyển, đưa các sản phẩm đi vào và đi ra, phân chia…
Để chu trình Kreb hoạt động, cơ thể cần một số phân tử quan trọng cùng với tất cả các enzyme của nó như các chất cho điện tử (electron donor), các chất mang điện tử (carrier) và các chất tiếp nhận điện tử (acceptor). Trước tiên cơ thể cần pyruvate từ quá trình đường phân của glucose. Tiếp theo, cơ thể cần một số phân tử tử vận chuyển điện tử. Có hai loại phân tử vận chuyển điện tử: một loại là nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) và loại kia là flavin adenine dinucleotide (FAD+). Phân tử thứ ba, dĩ nhiên là ôxy.
Pyruvate là một phân tử có 3 carbon. Sau khi đi vào ty thể, nó được giáng hóa thành một phân tử chứa hai carbon nhờ một enzyme đặc biệt. quá trình này giải phóng CO2. Phân tử chứa hai carbon này là Acetyl CoA và đi vào chu trình Kreb bằng cách gắn với một phân tử 4 carbon là oxaloacetate. Một khi hai phân tử này đã liên kết nhau, chúng tạo thành một phân tử chứa 6 carbon là citric acid. Chính vì lý do này mà chu trình Kreb còn có tên là chu trình acid citric. Acid citric sau đó lại được giáng hóa và biến đổi từng bước và trong quá trình này, ion hydrogen và các phân tử carbon được giải phóng. Các phân tử carbon được dùng để tạo nên CO2 và các ion hydrogen được các phân tử NAD cũng như FAD thu nhận. Cuối cùng, quá trình này sản xuất trở lại phân tử oxaloacetate chứa 4 carbon. Lý do mà quá trình này được gọi là chu trình là vì nó luôn kết thúc ở điểm nó đã khởi đầu tức là oxaloacetate lại sẵn sàng kết hợp với các phân tử acetyl CoA khác để tiếp tục đi vào quá trình này.
Sản phẩm quan trọng nhất của quá trình này là việc sản xuất ra các điện tử năng lượng cao. Các điện tử này được vận chuyển bởi các phân tử NADH và FADH2. Các điện tử này được đưa đến màng trong của ty thể, nơi chúng sẽ đi vào chuỗi vận chuyển điện tử.
2.4. Quá trình phosphoryl hóa bằng ôxy hóa (oxidative phosphorylation)[sửa]
Mỗi phân tử glucose thông qua quá trình đường phân ở bào tương sẽ tạo ra 8 ATP và 2 phân tử acid pyruvic. Hai phân tử này này sẽ được đưa vào chất nền để tạo ra 30 phân tử ATP và nước cùng với CO2. Tổng cộng quá trình này tạo ra 38 ATP.
Như trên đã nói, bản thân chu trình Kreb không tạo ra ATP mà chỉ tạo ra các electron năng lượng cao. Các điện tử này được vận chuyển đến màng trong nhờ NADH và FADH2. Quá trình tạo ATP từ các điện tử năng lượng cao này xảy ra tại các mào ty thể thông qua một quá trình phức tạp. Gắn vào màng trong là một dãy các chất vận chuyển điện tử khác nhau cùng với các enzyme tạo thành các phức hợp. Các phức hợp này được gắn vào màng trong bởi các protein xuyên màng.
- Phức hợp NADH dehydrogenase: là phức hợp lớn nhất chứa trên 40 chuỗi peptide. Các điện tử từ NADH đầu tiên đến flavin sau đó xuyên qua 7 trung tâm chứa sắt-lưu huỳnh (iron-sulfur center) để đến ubiquinone.
- Phức hợp cytochrome: gồm các chuỗi 22 protein, 6 heme trong các cytochrome, cộng với hai trung tâm sắt-lưu huỳnh. Phức hợp này chuyển điện tử đến cytochrome c.
- Phức hợp cytochrome oxydase: chứa 26 chuỗi protein gồm 4 cytochrome, mỗi cytochrome gắn với 2 nguyên tử đồng. Các cytochrome này nhận mỗi lần 1 điện tử từ cytochrome c và chuyển mỗi lần 4 điện tử cho ôxy để tạo thành nước.
Chuỗi vận chuyển điện tử này chuyển năng lượng từ điện tử của NADH + Hvà FADH2 để tạo thành ATP.
Đầu tiên 2 điện tử được gắn vào flavin (ở phức hợp NADH dehydrogenase) trong khi đó 2 Proton được đi xuyên màng ra khoang gian màng. Electron được chuyển qua các trung tâm sắt-lưu huỳnh. Ubiquinone chuyển 2 điện tử từ phức hợp 1 sang phức hợp cytochrome. Hai điện tử này đi song song xuyên qua phức hợp cytochrome.
Cytochrome c chuyển cặp điện tử này đến phức hợp 3. Các điện tử này tập trung tại heme a3. Trong khi đó các phân tử O2 thẩm thấu qua tế bào và bị bắt giữ tại lõi sắt đồng (iron-copper core) tại heme a3. Ôxy có ái tính với điện tử tuy nhiên nếu gắn ít hơn 4 điện tử cùng một lúc sẽ làm cho nó không bền vững. Chính vì vậy mà lõi sắt đồng này giữ chúng tại heme a3 cho đến khi gắn đủ 4 điện tử.
Bản thân màng trong không cho proton H+ thấm qua do đó chúng tích lũy tại khoảng gian màng với nồng độ cao hơn 10 lần so với bên trong chất nền (tương đương 1 đơn vị pH). Sự chênh lệch này làm cho proton có khuynh hướng quay trở lại chất nền. Thông qua ATP synthase, proton đi vào chất nền và giải phóng năng lượng cho ATP synthase. Men này sử dụng năng lượng để tổng hợp ATP. Phức hợp ATP synthase hay còn gọi là phức hợp F0F1 được cấu tạo bởi một kênh proton (F0) và một ATPase (F1). Năng lượng phát ra khi proton từ khoang gian màng đi vào chất nền sẽ làm quay lần lượt một số tiểu đơn vị của phức hợp này. Đây là một quá trình phức tạp nhờ đó ATP được tổng hợp từ ADT và phospho.
Các proton H+ được bơm ngược trở lại vào trong chất nền bởi bơm ATP synthetase sẽ kết hợp với oxygen để tạo thành nước. Và điều này rất quan trọng vì nếu không có ôxy, các ion này sẽ tích lũy lại và gradient nồng độ proton H+ sẽ không còn đủ lớn để vận hành bơm ATP synthase làm cho bơm này ngừng hoạt động.
3. Vòng đời của ty thể[sửa]
Ty thể nhân lên theo phương thức rất giống với tế bào vi khuẩn. Khi chúng trở nên quá lớn, chúng bắt đầu chia đôi. Quá trình này thực hiện bằng quá trình tạo rãnh bên trong và sau đó là bên ngoài ty thể trông giống như ai đó đang kẹp đôi bào quan này. Sau đó hai ty thể con tách đôi nhau. Dĩ nhiên trước tiên, các ty thể phải nhân đôi bộ DNA của chúng. Đôi khi các ty thể mới được tổng hợp ở các trung tâm giàu protein và polyribosomes cần thiết.
Ty thể khác với hầu hết các bào quan khác của tế bào vì nó chứa ADN vòng của riêng nó (giống như ADN của các tế bào không nhân) và sinh sản độc lập với tế bào chứa nó. Các nhà khoa học đưa ra giả thiết rằng hàng triệu năm trước các sinh vật tiền nhân bị nuốt nhưng không bị tiêu hóa bởi các sinh vật tiền nhân khác lớn hơn có thể do chúng đề kháng với các enzyme tiêu hóa của sinh vật chủ. Hai thực thể này phát triển một mối quan hệ cộng sinh qua một thời gian, tế bào lớn sẽ cung cấp cho tế bào nhỏ một lượng lớn năng lượng trong khi đó tế bào nhỏ sẽ cung cấp cho tế bào lớn các phân tử ATP. Cuối cùng, theo thuyết này, sinh vật lớn sẽ phát triển thành tế bào có nhân và sinh vật nhỏ hơn biến thành ty thể. Đây gọi là thuyết nội cộng sinh (endosymbiotic theory).
Ở hầu hết các loài động vật, ty thể dường như chủ yếu được di truyền từ mẹ mặc dù có một vài bằng chứng gần đây cho thấy rằng trong một số trường hợp hiếm, bào quan này cũng được di truyền từ bố. Ví dụ điển hình nhất là tinh trùng. Giao tử này có thể mang một ít ty thể ở phía đuôi như là một nguồn năng lượng để cho tinh trùng hoạt động trên hành trình dài tìm đến với trứng. Khi một tinh trùng nào đó may mắn gắn được với trứng trong quá trình thụ tinh thì đuôi của nó cũng rụng đi. Hệ quả là cơ thể mới được tạo thành chỉ chứa ty thể của mẹ truyền cho. Như vậy không giống với ADN của nhân tế bào, vật chất di truyền của ty thể không có hiện tượng trộn lẫn qua mỗi thế hệ do đó nó thay đổi với tốc độ chậm hơn. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu quá trình tiến hóa của con người.
4. Các bệnh lý liên quan đến bất thường di truyền của ty thể[sửa]
Mức độ nặng của một bệnh lý nào đó do bất thường về di truyền ở ty lạp thể phụ thuộc vào kiểu biến dị và tỉ lệ giữa số lượng phân tử ADN biến dị và số lượng ADN bình thường. Khi một biến dị nào đó của ADN ty thể xuất hiện thì tế bào sẽ chứa một hỗn hợp các ADN lành và các ADN biến dị. Tình trạng này gọi là heteroplasmia. Khi tế bào sinh dưỡng hoặc sinh dục phân chia thì ty thể được phân bố ngẫu nhiên, do đó các ADN biến dị cũng phân bố ngẫu nhiên. Các tế bào con chứa một lượng ADN biến dị không giống nhau. Vì tất cả các enzyme cần cho sự tách đôi và tăng sinh của ty thể đều được lấy từ bào tương nên sự biến dị ADN không ảnh hưởng đến quá trình phân chia ty thể.Trải qua một số lần phân chia nào đó như vậy thì ở một thế hệ nhất định, lượng ADN bệnh trong một tế bào có thể tăng cao lên và biểu hiện bệnh.
Mặc dù tất cả các loại tế bào trong cơ thể đều chứa ty thể nhưng chỉ có những tổ chức nào có nhu cầu năng lượng cao hoặc những tổ chức mà tại đó toàn bộ ADN của ty thể rất cần thiết cho việc tổng hợp một số protein quan trọng. Chứng bất sản thần kinh thị-gan: một bệnh thoái hóa thần kinh thị có thể đưa đến mù lòa gây nên do biến dị ADN ty thể đưa đến khiếm khuyết cua tiểu đơn vị 4 của men NADH-CoQ-reductase.
Mất đoạn lớn trên ADN ty thể gây nên nhiều bệnh lý khác nữa. Ví dụ liệt dây vận nhãn ngoài mạn tính tuần tiến. Hội chứng Kearns-Sayre gây khiếm khuyết ở mắt kèm với rối loạn nhịp cùng với thoái hóa hệ thần kinh trung ương.
