Ty thể

Lịch sử

Những quan sát đầu tiên về các cấu trúc nội bào có khả năng cao là ty thể đã được công bố vào khoảng thập niên 1840. Năm 1890, Richard Altmann đã chứng minh đây chính là những bào quan tế bào và gọi chúng với cái tên "bioblast" (thể sinh bào). Thuật ngữ "mitochondria" (ty thể) được Carl Benda đặt ra 8 năm sau đó. Tiếp đến, Leonor Michaelis khám phá ra thuốc nhuộm Janus Green B có thể được sử dụng để nhuộm tươi ty thể vào năm 1900. Năm 1904, Friedrich Meves đã ghi lại những quan sát đầu tiên về ty thể ở thực vật; đối tượng nghiên cứu của ông là tế bào cây hoa súng trắng, Nymphaea alba. Năm 1908, ông cùng với Claudius Regaud đề xuất ty thể có thể có chứa protein và lipid. Năm 1912, Benjamin F. Kingsbury lần đầu tiên cho rằng bào quan này có liên quan đến quá trình hô hấp tế bào, nhưng hầu như chỉ dựa trên những quan sát về hình thái học. Một năm sau đó, Otto Heinrich Warburg đã mắc nối những tiểu hạt được tách chiết từ gan chuột với quá trình hô hấp, ông gọi những tiểu hạt đó là "grana". Một nhà khoa học khác cũng nghiên cứu về vấn đề này là Heinrich Otto Wieland, mặc dù công nhận cơ chế tiểu hạt, ông lại bất đồng với Warburg về bản chất hóa học của quá trình hô hấp. Cuộc tranh cãi vẫn tiếp diễn sau đó, cho đến tận năm 1925 khi David Keilin khám phá ra cytochrome (hay còn gọi là sắc tố tế bào), từ đó hoàn thiện cơ chế chuỗi chuyền điện tử trong hô hấp tế bào.
Năm 1939, những thí nghiệm trên các tế bào cơ tinh chiết đã chứng minh rằng: trong quá trình hô hấp tế bào, cứ một nguyên tử oxy đi vào quá trình thì có thể tạo nên hai phân tử adenosine triphosphate (ATP). Đến năm 1941, nhà hóa sinh Fritz Albert Lipmann đã phát triển ý tưởng cho rằng những liên kết phosphate của ATP chính là một dạng năng lượng tham gia vào những quá trình chuyển hóa tế bào. Trong những năm tiếp theo, các cơ chế đằng sau quá trình hô hấp tế bào dần dần được hoàn thiện, mặc dù mối liên hệ của quá trình này với bào quan ty thể vẫn chưa được sáng tỏ hoàn toàn. Kỹ thuật phân đoạn tế bào do Albert Claude giới thiệu đã cho phép tách riêng ty thể khỏi những phần còn lại của tế bào và như vậy, ta có thể phân tích hóa sinh chỉ trên riêng đối tượng này. Năm 1946, Claude tuyên bố: enzyme cytochrome oxidase cùng những enzyme khác có tham gia vào chuỗi chuyền điện tử trong hô hấp tế bào đã được ông tách chiết từ ty thể. Năm 1948, Eugene Kennedy và Albert Lehninger phát hiện ra ty thể cũng là nơi xảy ra quá trình phosphoryl hóa oxy hóa ở sinh vật nhân thực. Theo thời gian, công nghệ phân đoạn đã được cải tiến mạnh mẽ, nâng cao chất lượng những ty thể phân lập được, cũng như các yếu tố khác tham gia vào quá trình hô hấp tế bào xảy ra tại bào quan này.
Năm 1952, những ảnh chụp vi ký điện tử độ phân giải cao lần đầu tiên xuất hiện. Phương pháp này dần thay thế kỹ thuật nhuộm bằng thuốc Janus Green cổ điển và trở thành cách ưa thích để trực quan hóa hình ảnh ty thể. Phương pháp này giúp các nhà khoa học phân tích cấu trúc ty thể một cách chi tiết hơn, chẳng hạn như xác định được ty thể có lớp màng bao ngoài. Những tấm ảnh chụp được cũng cho thấy ty thể còn có thêm một lớp màng thứ hai bên trong, gấp nếp thành các mào lấn sâu vào khoang chất nền trung tâm; đồng thời cũng cho biết sự sai khác phong phú về kích thước và hình dạng ty thể giữa các tế bào với nhau.
Biệt danh nổi tiếng của ty thể: "nhà máy năng lượng của tế bào" là do Philip Siekevitz đặt cho ty thể năm 1957.
Năm 1967, người ta phát hiện ty thể có chứa ribosome. Một năm sau đó, 1968, giới khoa học tiếp tục phát triển các phương pháp lập bản đồ gen ty thể. Cuối cùng, bản đồ di truyền và vật lý của hệ gen lập từ DNA ty thể nấm men đã hoàn thành năm 1976.

Màng ngoài

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). 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. 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. 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. 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

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. 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.

Vận chuyển phospholipid

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. 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. 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.
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. 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. Dẫu cho cơ chế đây lại hiếm gặp và dường như thu năng lượng, như chất vận chuyển không yêu cầu ATP. 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.
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. Như vậy, MAM chính là một trung tâm giao thương và trao đổi chất quan trọng trong quá trình chuyển hóa lipid.

Tín hiệu canxi

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. 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. 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.
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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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). 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.

Cơ sở phân tử của cơ chế buộc kết

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. 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. 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. 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.

Quan điểm

MAM 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.

Tổ chức và phân bố

Ty thể (cùng những cấu trúc liên quan) có mặt ở tất cả sinh vật nhân thực (trừ một trường hợp duy nhất—chi Monocercomonoides thuộc bộ Oxymonadida). Về mặt tổ chức, ty thể hình thành nên một mạng lưới năng động ở phần lớn tế bào nơi chúng liên tục phân đôi và dung hợp. Số lượng và khu vực tập trung bào quan này cũng thay đổi đa dạng tùy vào loại tế bào. Một ty thể đơn thường chỉ tìm thấy trong những sinh vật đơn bào. Tương phản với số lượng lớn ty thể nằm trong các tế bào gan người, tức khoảng 1000–2000 ty thể trên một đơn vị tế bào, chiếm đến 1/5 thể tích tế bào. Mặt khác hàm lượng ty thể trong những tế bào tương tự cũng biến thiên đáng kể tùy vào kích thước và thế năng màng, với những chênh lệch phát sinh từ căn nguyên bao gồm cả việc phân chia nguyên sinh chất không đồng đều khi phân bào, dẫn đến những sai khác ngoại lai tác động đến nồng độ ATP và các quá trình tế bào thuận chiều. Ty thể có thể bị kẹp giữa những sợi cơ (myofibril) của cơ hay bọc quanh roi tinh trùng. Bình thường, chúng cấu thành một mạng lưới tỏa nhánh 3 chiều phức tạp neo cùng hệ khung xương tế bào. Sự liên hợp với bộ khung xương giúp xác định nên hình dạng ty thể, từ đó có khả năng ảnh hưởng đến nhóm chức năng đặc hiệu: những cấu trúc khác nhau của mạng lưới ty thể có lẽ đủ khả năng để tạo nên một quần tụ đa dạng ưa nhược các đặc tính vật lý, hóa học và tín hiệu. Trong tế bào, ty thể luôn được phân phối dọc theo hệ thống vi ống và sự phân phát bào quan này cũng có mối liên hệ với mạng lưới nội chất. Những bằng chứng gần đây đề xuất rằng vimentin, một trong nhiều thành phần của khung xương tế bào, cũng có vai trò quan trọng trong hiện tượng liên hợp trên.

Chức năng

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. 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.

Chuyển hóa năng lượng

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. 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. Sự sản sinh ATP từ glucose trong hô hấp hiếu khí có hiệu suất cao gấp 13 lần trong quá trình lên men. 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. 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.

Sinh nhiệt

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. Quá trình trên do một kênh proton tên thermogenin (hay UCP1) đảm nhận vai trò là chất trung gian. Thermogenin là protein nặng 33 kDa, phát hiện lần đầu năm 1973. 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.

Lưu trữ ion canxi

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. 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. Lưới nội chất (endoplasmic reticulum, ER) là khu vực lưu trữ canxi quan trọng nhất, và cùng với ty thể tạo nên mối tương tác sâu rộng về hoạt động trao đổi canxi. 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. Cơ chế này chủ yếu do điện thế màng ty thể điều khiển. 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). 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.
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. 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.

Điều hòa tăng sinh tế bào

Mối quan hệ giữa sự tăng sinh tế bào và ty thể đã được nghiên cứu trên cơ sở nguồn từ các tế bào ung thư cổ tử cung HeLa. Những tế bào khối u yêu cầu phải chu cấp một lượng lớn ATP để tổng hợp các hoạt chất sinh học như lipid, protein và nucleotide nhằm tăng sinh tế bào nhanh chóng. Đa số ATP trong tế bào khối u hình thành từ quá trình phosphoryl hóa oxy hóa (oxidative phosphorylation, hay OxPhos). Như vậy, sự can thiệp đến OxPhos khiến đình chỉ chu kỳ tế bào chứng tỏ rằng ty thể góp chân một vai trò trong hoạt động tăng sinh tế bào. Ngoài ra, sự sản sinh ATP của ty thể cũng quan trọng trong quá trình phân bào, bên cạnh những chức năng căn bản khác trong tế bào như quy định thể tích tế bào, nồng độ dịch bào và kiến trúc tế bào. Hàm lượng ATP dao động khác nhau theo từng pha trong chu kỳ tế bào cho thấy mối liên hệ mật thiết giữa dung lượng ATP và sức khỏe tế bào để mở ra một chu kỳ tế bào mới. Vai trò của ATP trong hệ chức năng tế bào cơ bản khiến cho chu kỳ tế bào trở nên nhạy cảm với số lượng ATP khả dụng tạo từ ty thể. Những nồng độ ATP khác biệt tồn tại giữa những pha khác nhau của chu kỳ tế bào hỗ trợ cho giả thuyết định rằng ty thể đóng một vai trò quan trọng trong hoạt động điều hòa chu kỳ tế bào. Mặc dù những cơ chế đặc hiệu trong tương tác giữa ty thể và sự điều hòa chu kỳ tế bào vẫn chưa được hiểu rõ toàn vẹn, nhưng những nghiên cứu chỉ ra rằng các điểm kiểm soát năng lượng thấp của chu kỳ giúp giám sát cường độ năng lượng trước khi tế bào chạm đến một vòng phân bào mới.

Tiến hóa và sự đa dạng

Hệ gen ty thể chứa lượng gen ít hơn rất nhiều so với vi khuẩn, tổ tiên của chúng. Bên cạnh một số gen đã hoàn toàn mất đi, có thể vẫn còn ít gen được chuyển đến nhân, như gen mã hóa những tiểu đơn vị protein thuộc Phức hệ II trong hô hấp tế bào. Người ta cho rằng sự kiện này tương đối phổ biến xuyên suốt thời gian tiến hóa. Một vài sinh vật, như Cryptosporidium, có loại ty thể thiếu sót DNA, phỏng chừng tất cả các gen của ty thể đó khả năng đã mất hoặc bị chuyển đi. Trong Cryptosporidium, ty thể có hệ thống sản xuất ATP được tu sửa, cho thấy ký sinh trùng này đã tiến hóa chống lại nhiều tác nhân ức chế ty thể thường gặp như cyanua, azua và atovaquone.

Nhân đôi và di truyền

Ty thể phân cắt bằng cách phân đôi, tương tự phân bào ở vi khuẩn. Sự điều hòa hoạt động phân đôi ty thể khác biệt giữa các sinh vật nhân thực. Trong nhiều tổ chức nhân thực đơn bào, sự sinh trưởng và phân chia bào quan này liên hợp với chu kỳ tế bào. Tỷ dụ, một ty thể đơn có khả năng phân chia đồng bộ song song với nhân. Quá trình phân đôi và phân phối này phải được kiểm soát chặt chẽ để mỗi tế bào con đều nhận được ít nhất một ty thể. Trong những sinh vật nhân thực khác (như thú), có thể phần lớn ty thể liên tục sao chép DNA của chúng và phân đôi nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng tế bào, hơn là phải hoạt động đồng pha với chu kỳ tế bào. Một khi nhu cầu năng lượng tăng cao, ty thể sẽ tích cực sinh trưởng và phân đôi. Còn khi nhu cầu năng lượng xuống thấp, ty thể bị phân hủy hay trở nên bất hoạt. Theo những ví dụ trên, và tương phản với hiện trạng ở nhiều sinh vật nhân thực đơn bào, rõ ràng ty thể được phân phối ngẫu nhiên cho các tế bào con trong giai đoạn phân chia tế bào chất. Hiểu biết về hoạt độ động lực ty thể, tựa như tính cân bằng giữa sự dung hợp và phân đôi, đã cho thấy những thay đổi chức năng và cấu trúc trong hình thái học ty thể là nhân tố trọng yếu của bệnh lý học, liên quan đến một số cơ sở khởi phát bệnh.
Những lý thuyết về quá trình phân đôi ty thể đạt được độ tin cậy bằng việc trực quan hóa nhờ kính hiển vi huỳnh quang và kính hiển vi điện tử truyền qua tiêu chuẩn (transmission electron microscopy, TEM). Ta phải sử dụng tận hai kính là do độ phân giải kính hiển vi huỳnh quang (~200 nm) không đủ để phân biệt chi tiết các cấu trúc, như màng kép ty thể trong phân đôi bào quan hay thậm chí nhận ra từng ty thể riêng biệt trong trường hợp nằm gần nhau. Mặc dù TEM tiêu chuẩn vẫn còn một số hạn chế kỹ thuật trong việc xác minh sự phân đôi ty thể. Gần đây người ta cũng sử dụng phương pháp chụp cắt lớp điện tử lạnh (cryo-electron tomography) để trực quan hóa phân đôi ty thể trên mẫu tế bào ngậm nước đông lạnh nguyên vẹn. Phương pháp này tiết lộ rằng ty thể phân đôi bằng cách nảy chồi.
Cơ chế di truyền của những gen ty thể trong từng đơn vị bào quan riêng biệt không như những gen nhân tế bào. Thông thường, mỗi ty thể chỉ thừa hưởng thông tin di truyền từ một bên bố mẹ đơn nhất. Ở người, khi một tế bào trứng được tinh trùng thụ tinh, nhân tế bào trứng và tinh trùng sẽ cùng góp chung một lượng vật chất di truyền như nhau để tạo nên nhân tế bào hợp tử. Trong khi ở ty thể lại ngược lại, DNA ty thể thường chỉ đến từ tế bào trứng. Ty thể tinh trùng cũng nhập bào vào trứng, nhưng không góp được thông tin di truyền nào cho phôi. Nguyên nhân là do những ty thể từ bố bị ubiquitin đánh dấu và phôi sẽ cho tiêu hủy sau này. Tế bào trứng chứa tương đối ít ty thể, nhưng nhóm ty thể này lại sống sót và tiếp tục phân đôi để cư trú trong những tổ chức sống trưởng thành. Qua đó, phần lớn trường hợp giao phối chỉ di truyền ty thể từ mẹ, khát quát lên thành khái niệm di truyền dòng mẹ. Phương thức di truyền này có mặt trong phần lớn sinh vật, bao gồm đa số động vật. Nhưng đôi khi cũng có trường hợp di truyền ty thể từ bố; xuất hiện nhất định ở một số loài cây ngành Thông, dù không bao gồm chi Thông và chi Taxus. Còn ở họ Vẹm, di truyền dòng bố chỉ xảy ra trong con đực. Người ta cũng cho rằng tỷ lệ xuất hiện phương thức di truyền này ở con người là rất thấp. Một ý kiến gần đây trình bày việc ty thể sẽ gây rút ngắn tuổi thọ giống đực, nguyên nhân là do chúng chỉ được thừa hưởng từ mẹ. Ngược lại, tiến trình chọn lọc tự nhiên ở cỏ dại lại cho thấy ty thể giảm mất cơ hội sống sót của giống cái, và như vậy ty thể ít có khả năng truyền đến những thế hệ tiếp theo. Kết luận, từ những dẫn chứng trên đã cho chúng ta thấy một trong những nguyên nhân dẫn đến hiện tượng giống cái loài người và động vật có khuynh hướng sống lâu hơn giống đực. Các tác giả của nhận định trên khẳng định đây là một giải thích chưa toàn diện.
Di truyền một bên bố mẹ tạo ra ít cơ hội tái tổ hợp di truyền giữa những dòng ty thể khác nhau, dù cho mỗi ty thể đơn có thể chứa từ 2–10 bản sao DNA. Vì nguyên nhân này, người ta thường nghĩ DNA ty thể sản sinh theo phương thức phân cắt thành hai (phân đôi). Có thể do sự tái tổ hợp ưu tiên bảo tồn toàn vẹn hệ di truyền hơn là duy trì tính đa dạng. Dù vậy, đã có những nghiên cứu tiết lộ bằng chứng quá trình tái tổ hợp có xảy ra ở DNA ty thể. Theo như trên, rõ ràng các enzyme thực hiện tái tổ hợp có hiện diện trong tế bào động vật có vú. Hơn nữa, các chứng cứ còn gợi ý ty thể động vật có thể là hệ quả của quá trình tái tổ hợp từ trước. Dữ liệu tương tự ở người thì còn gây tranh cãi, dù những bằng chứng gián tiếp vẫn cho thấy có tồn tại sự tái tổ hợp. Nếu tái tổ hợp không diễn ra, toàn bộ trình tự DNA ty thể sẽ trở thành một haplotype duy nhất, khiến trường hợp này hữu ích trong việc nghiên cứu lịch sử tiến hóa quần thể.
Những ty thể được di truyền theo một bên bố mẹ và ít hoặc không tái tổ hợp khả năng sẽ chịu tác động từ hiệu ứng chốt hãm ngược Muller (Muller's ratchet), tích tụ vô tình những đột biến có hại cho đến khi chức năng bào quan hoàn toàn biến mất. Quần thể ty thể động vật tránh đi sự tích tụ này thông qua một quá trình tiến hóa gọi là nút cổ chai ty thể (mitochondrial bottleneck). Nút cổ chai lợi dụng những quá trình ngẫu nhiên hiện diện trong tế bào để gia tăng sự chênh lệch hàm lượng nạp tải đột biến giữa các tế bào theo tiến trình phát triển sinh vật, như khi: một tế bào trứng đơn chứa một lượng mtDNA đột biến có thể trở thành một phôi mang nhiều tế bào khác nhau có lượng nạp tải đột biến khác biệt. Sau đó có thể diễn ra sự chọn lọc cấp độ tế bào nhằm loại bỏ những tế bào chứa nhiều mtDNA đột biến, dẫn đến ổn định hóa hay giảm thiểu hàm lượng nạp tải đột biến giữa các thế hệ. Cơ chế đằng sau quá trình nút cổ chai vẫn còn đang tranh luận. Một nghiên cứu tổng hợp toán học lẫn thực nghiệm gần đây đã cung cấp bằng chứng về sự tổ hợp trong phân vùng ngẫu nhiên mtDNA khi phân bào và đổi mới ngẫu nhiên các phân tử mtDNA trong tế bào.

Những mối liên hệ khả thi đến tiến trình lão hóa

Với chức năng là nhà máy năng lượng của tế bào, nơi liên tục xảy ra các phản ứng oxy hóa, đôi khi ty thể cũng bị rò rỉ các electron cao năng lượng trong chuỗi chuyền điện tử rồi dẫn đến hình thành các chủng chất hoạt động có oxy (reactive oxygen species, ROS). Đây được xem là hệ quả của tình trạng căng thẳng oxy hóa đáng kể trong ty thể chứa bộ mtDNA có tỷ lệ đột biến cao. Mối liên hệ mắc xích giữa sự lão hóa và căng thẳng oxy hóa không hẳn là mới và đã được đề xuất năm 1956, sau đó khái quát thành lý thuyết gốc tự do ty thể của sự lão hóa. Một vòng luẩn quẩn xuất hiện, đó là khi căng thẳng oxy hóa khởi phát những đột biến trên DNA ty thể, từ đó sản sinh những enzyme bất thường và lại tiếp tục gây ra căng thẳng oxy hóa.
Một số biến đổi trên ty thể có thể diễn ra trong suốt tiến trình lão hóa. Phân tích mẫu mô từ những bệnh nhân cao tuổi cho thấy sự sụt giảm hoạt tính enzyme của những protein thuộc chuỗi chuyền điện tử. Tuy vậy, mtDNA đột biến chỉ có mặt trong khoảng 0,2% tế bào thật sự già. Các nhà khoa học đưa ra lý thuyết cho rằng hiện tượng khuyết đoạn quy mô lớn hệ gen ty thể đã dẫn đến căng thẳng oxy hóa mức độ cao và phá chết neuron ở bệnh nhân Parkinson.

Ty thể trong văn hóa đại chúng

Tiểu thuyết khoa học viễn tưởng A Wind in the Door xuất bản năm 1973 của tác giả Madeleine L'Engle có nội dung về bào quan ty thể trong cơ thể nhân vật chính Charles Wallace Murry, được hư cấu hóa thành nơi sinh sống của những sinh vật gọi là farandolae (lấy từ tên một điệu vũ nổi tiếng ở xứ Provence, Pháp). Ngoài ra, cốt truyện cũng xuất hiện những nhân vật đi du lịch bên trong ty thể của Murry.
Tiểu thuyết kinh dị viễn tưởng Parasite Eve xuất bản năm 1995 của tác giả Hideaki Sena mô tả ty thể có thể ý thức tương đối và có khả năng điều khiển tâm trí, nỗ lực lợi dụng những đặc tính đó để vượt trên sinh vật nhân thực, trở thành dạng sống ưu thế. Tiểu thuyết này đã được chuyển thể thành bộ phim, video game và video game nối tiếp cùng tên, ăn nhập với cốt truyện ban đầu.
Trong vũ trụ giả tưởng Chiến tranh giữa các vì sao, những vi sinh vật ám chỉ với tên "midi-chlorian" có khả năng cảm giác và sử dụng Thần lực. Trong bộ phim năm 1999 Chiến tranh giữa các vì sao (Phần I): Bóng ma đe dọa, giới thiệu lần đầu những sinh vật midi-chlorian, đạo diễn George Lucas đã miêu tả chúng như "một phác họa mơ hồ từ ty thể". Sau này, các nhà phân loại học lấy ý tưởng từ tên của nhóm sinh vật hư cấu trên để đặt ra tên chi Midichloria thuộc giới Vi khuẩn.
Trong môi trường giáo dục các môn khoa học, ty thể thường thẩm thấu đều đặn vào trí óc học viên với cụm từ nổi tiếng "ty thể là nhà máy năng lượng của tế bào", tạo ra hệ quả là bộc phát thành một biểu tượng meme phổ biến trên Internet. Meme này ngụ ý rằng những giá trị trọng tâm của nền giáo dục trung học đã lệch khỏi nhu cầu tiếp nhận kỹ năng sống, cho rằng lượng kiến thức học thuật này, như hiểu biết về vai trò của ty thể, tương đối không có lợi ích thực tế.