میتوکندری

تصویر میکروسکوپی میتوکندری‌ها.
راکیزه یا میتوکندریا ، در یاخته (سلول)، اندامکی است که وظیفه آن تنفس سلولی و نوعی اندامک انتقال انرژی است که موجب می‌شوند انرژی شیمیایی موجود در مواد غذایی با عمل فسفوریلاسیون اکسیداتیو، به صورت پیوندهای پرانرژی فسفات (آدنوزین تری‌فسفات) ذخیره شود. این اندامک در تمام یاخته‌های دارای تنفس هوازی به جز در باکتری‌ها که آنزیم‌های تنفسی آن‌ها در غشای سیتوپلاسمی جایگزین شده‌اند وجود دارد. میتوکندری نیز همانند کلروپلاست از دو غشای داخلی و خارجی تشکیل شده‌است با این تفاوت که دو غشای داخلی و خارجی فضای درون میتوکندری را به دو بخش تقسیم می‌کند که عبارتند از :۱- فضای درون میتوکندری ۲- فضای بین دو غشا. درون میتوکندری DNA حلقوی نیز وجود دارد و می‌تواند مانند پلاذمید باکتری بطور مستقل از سلول نیز همانندسازی کند. درون میتوکندری مایعی سیال به نام ماتریکس وجود دارد که واکنش‌های مربوط به فرایند تنفس سلولی در ان انجام می‌شود. تنفس سلولی فرایندی است که طی ان انرژی ذخیره شده در غذاها (قندها) به ATP (مولکول سوختی سلول) تبدیل می‌شود. در غشا داخلی چین خوردگی‌هایی وجود دارد که به ان کریستا گویند قرار دارد که باعث افزایش سطح غشا می‌شود.
نام «میتوکندری» ترکیبی است از دو واژه یونانی Mito به معنای رشته و chondrion به معنی دانه. چون این اندامک اغلب رشته‌ای یا به صورت دانه‌های کوچک در سیتوپلاسم همه سلول‌های یوکاریوتی وجود دارد.
میتوکندری‌ها محل اکسیداسیون سلولی هستند. در طی این عمل، کربن دی‌اکسید تولید می‌گردد و این همان کربن دی اکسیدی است که از سلول دفع می‌شود. میتوکندری مانند کارخانه‌ای باعث تولید انرژی سلول می‌شود.
میتوکندری مربوط به بافت یونی پستانداران که ماتریس و غشای آن‌ها توسط میکروسکوپ الکترونی نمایش داده شده‌است. اندامکی متصل به غشا است که در اکثر سلول‌های یوکاریوتی (سلول‌های یوکاریوتی سلول‌هایی هستند که دنا (DNA) آن‌ها در هسته سلول قرار دارد و در اکثر گیاهان، حیوانات، قارچ‌ها و دیگر اشکال جانداران تشکیل می‌شوند) وجود دارند. کلمه میتوکندری از عبارت یونانی Motos به معنای رشته …. به معنای دانه تشکیل شده‌است.
اندازه میتوکندری‌ها بین ۰٫۵ تا ۱٫۰ میکرومتر می‌باشد. ساختارهای میتوکندری به عنوان نیروگاه‌های سلولی توصیف می‌شوند چرا که بیشتر انرژی شیمیایی سلول یا همان ATP از میتوکندری تولید می‌شود. علاوه بر تولید انرژی سلولی، میتوکندری وظایف دیگر درون سلولی نیز دارد که شامل سیگنال دهی، تمایز سلولی، مرگ سلولی و کنترل رشد و حفظ سلول می‌باشند.
میتوکندری می‌تواند در چندین نوع بیماری تاثیر داشته باشد که از جمله می‌توان به اختلالات میتوکندری و اختلال عملکرد قلبی اشاره کرد. میتوکندری همچنین می‌تواند در پروسه پیری نیز موثر باشد. تحقیقات و پژوهش‌های اخیر نشان می‌دهند که اوتیسم به ویژه اوتیسم حاد با نقص در سیستم میتوکندری در ارتباط است.
شاخصه‌های متعدد و متفاوت، میتوکندری‌ها را منحصر به فرد کرده‌است. تعداد میتوکندری‌ها در سلول بسته به نوع ارگانیسم‌ها، بافت‌ها و نوع سلول متفاوت می‌باشد. برای مثال سلول‌های خونی قرمز، فاقد میتوکندری می‌باشند پس انرژی‌اش را از مسیر گلیکولیز به دست می‌آورد در حالی که سلول‌های سازنده کبد بیش از ۲۰۰۰ میتوکندری در ساختار خود دارند.
این اندامک شامل چندین توابع مختلف است که هر کدام عملکرد منحصر به فردی دارند. این واحد سلولی، شامل غشای خارجی، فضای بین سلولی، کریستا و ماتریس میتوکندری می‌باشد. پروتئین‌های میتوکندری بسته به نوع و بافت هر قسمت متفاوت می‌باشند. در انسان، ۶۱۵ نوع مختلف از پروتئین‌های میتوکندری قلبی شناسایی شده‌است. در حالی که در موش‌ها این تعداد ۹۴۰ عدد می‌باشد. پروتئوم‌های میتوکندری به شکل دینامیکی تنظیم می‌گردند اگرچه اکثر DNA موجود تصور می‌شود.
در سلول دو نوکلئوس قرار دارد، اما میتوکندری‌ها دارای ژنوم‌های مستقل خود می‌باشند. علاوه بر این، DNA میتوکندری نشان می‌دهد که این واحد سلولی دارای شباهت‌های قابل توجهی با ژنوم‌های باکتریایی می‌باشد.
تاریخچه
اولین بررسی‌های انجام شده بر روی میتوکندری‌ها، در سال ۱۸۹۴ به‌وسیله آلتمن صورت گرفت که آن‌ها را بیوپلاست یا جایگاه‌های زنده نامید؛ و نظر داد که بین واکنش‌های اکسایش و کاهش سلول و میتوکندری وابستگی وجود دارد. در سال (۱۸۹۷) بتدا با بررسیهای بیشتر آن‌ها را میتوکندری نامید و در ۱۹۰۰، میکائیلیس به کمک معرف رنگی سبز ژانوس میتوکندری را در سلول‌های زنده مشاهده کرد. واربورگ در سال ۱۹۱۳ آنزیمهای تنفسی را در این اندامک نشان داد. سرانجام برای اولین بار، در سال ۱۹۳۴، بنسلی و هر، توانستند آن‌ها را از سلول‌های کبدی جدا کرده و بعد آن بررسیهای بیشتر و عملی‌تر روی آن صورت گرفت.
در سال ۱۹۱۳ ذرات گرفته شده از عصاره کبد خوکچه هندی نشان دادند که تنفس سلولی از طریق میتوکندری صورت می‌گیرد. واربورگ و هندیش در سال ۱۹۳۹ آزمایش‌هایی که با استفاده از ماهیچه‌های موش آزمایشگاهی انجام شدند، نشان دادند که یک اتم اکسیژن می‌تواند یک مولکول آذرونین‌تری فسفات تشکیل دهند. در سال ۱۹۴۱، اصطلاح پیوند فسفاتی نشان دهنده ایجاد انرژی در متابولیسم سلولی بود که توسط آلبرت لیمان ارائه شد. در سال‌های بعد از آن مکانیسمی که در تنفس سلولی مورد بررسی قرار داده شد، توسعه یافت، هرچند ارتباط آن با میتوکندری هنوز هم مشخص نشده بود.
در کتاب مقدمه‌ای بر بخش‌های سلولی نوشته آلبرت کلادیو، میتوکندری از لحاظ بیوشیمیایی و تحلیل از سایر بخش‌های سلولی تفکیک شد. در سال ۱۹۴۶ این‌طور نتیجه‌گیری شد که سیتوکروم اکسیداز و دیگر آنزیم‌ها مسئولیت چرخه تنفسی سلولی را بر عهده دارند.
اولین میکروگراف با وضوح بالا در سال ۱۹۵۲ تهیه شد و جایگزین زنجیره سبز ژانوس گردید که مطلوب‌ترین شیوه مصورسازی میتوکندری به‌شمار می‌رفت. این امر منجر به تحلیل جزئیات بیشتری از ساختار میتوکندری گردید که شامل غشای محصورکننده میتوکندری نیز می‌باشد. همچنین مشخص گردید که غشای ثانویه‌ای نیز در میتوکندری وجود دارد که بخش‌های سخت‌تر را از ساختار درونی جدا می‌سازد و در هر سلول دارای شکل خاصی می‌باشد. اصطلاح معروف نیروگاه سلولی نیز توسط فیلیپ سیکوتیز در سال ۱۹۵۷ ابداع شد.
در سال ۱۹۶۷ مشاهده شد که میتوکندری‌ها حاوی ریبوزوم‌ها هستند. در سال ۱۹۶۸، روش‌هایی برای نقشه‌برداری ژن‌های موجود در میتوکندری توسعه یافتند و در سال ۱۹۷۶ با نقشه‌های ژنی، میتوکندری موجود در مخمرها تکمیل گردیدند.
شکل و اندازه میتوکندری و تغییرات آن‌ها
شکل میتوکندریها متغیر اما اغلب رشته‌ای یا دانه‌ای می‌باشند. میتوکندریها در برخی مراحل عمل خود می‌توانند به شکلهای دیگری درآیند. مثلا، یک میتوکندری طویل ممکن است در یک انتهای خود متورم شده و به صورتی شبیه گرز درآید. (مثلا در سلول‌های کبدی چند ساعت بعد ورود غذا) یا ممکن است میان تهی شده و شکلی شبیه راکت تنیس به خود بگیرد. گاهی میتوکندریها حفره مانند شده و دارای بخش مرکزی روشنی می‌شود. اما بعد از مدتی، تمام این تغییرات به حالت اول برمی‌گردد.
اندازه
اندازه میتوکندریها نیز متغیر است و در بیشتر سلول‌ها ضخامت آن‌ها ۵۰m و طول تا ۷m می‌رسد. اما متناسب با شرایط محیطی و نیز مرحله عمل سلول، فرق خواهد کرد. سلول‌هایی که هم نوع هستند یا دارای عمل مشترک می‌باشند دارای اندازه ثابت می‌باشند.
ساختمان میتوکندری
غشای خارجی
حدود ۷۵–۶۰ آنگستروم ضخامت دارد و از نوع غشاهای زیستی با ساختمان سه لایه‌ای می‌باشد. این غشا صاف و فاقد چین خوردگی است و هیچ ریبوزومی به آن نچسبیده، گاهی توسط شبکه آندوپلاسمی احاطه می‌شود اما هیچگاه پیوستگی بین این دو دیده نشده‌است.
اتاق خارجی
زیر غشای خارجی، فضایی در حدود ۲۰۰–۱۰۰ آنگستروم وجود دارد که به آن اتاق خارجی گفته می‌شود؛ که شامل دو بخش است: فضای بین دو غشا و فضای درون تاجها یا کریستاها یا کرتها. اما در برخی جاها غشای داخلی و خارجی بهم چسبیده و اندازه این فضا تقریبا صفر می‌شود. در این مناطق در مجاورت دو غشا، تراکمی از ریبوزوم‌های سیتوپلاسمی دیده می‌شود. به خاطر همین در نظر گرفته شده که این مناطق، محل عبور پروتئین‌های مورد نیاز از سیتوزول به میتوکندری می‌باشند. در این اتاق، ترکیباتی مثل آب، نمکهای کانی و یونها، پروتئینها، قندها، و چربیها SO2، O2، ATP و ADP وجود دارند. مقدار آب، بر اندازه کریستاها و در نتیجه بر ساخت ATP تاثیرگذار است.
غشای داخلی
ضخامتش مثل غشای خارجی است اما ترکیب شیمیای آن فرق می‌کند. دارای چین‌خوردگیهای فراوانی است که به چینها، تاج یا کریستا گفته می‌شود. این چینها برخلاف سلول‌های گیاهی، در سلول‌های جانوری منظم قرار گرفته‌اند.
اتاق داخلی
فضای درونی میتوکندری که به‌وسیله غشای داخلی دربرگرفته شده، اتاق داخلی گویند؛ که از ماده زمینه‌ای با ماتریکس دربر گرفته شده‌است که ترکیب و ویژگی‌های کلی آن، شبیه سیتوزول می‌باشد و دارای آنزیمهای خاص و ریبوزوم خاص خود (۷۰S شبیه سلول‌های پروکاریوتی) می‌باشد. تعداد DNA، بر حسب نوع و سن سلول فرق می‌کند و مثل پروکاریوتها، دارای سیتوزین و گوانین زیادی است در نتیجه در مقابل گرما مقاوم می‌باشد.
ژنوم میتوکندری
بررسی‌ها نشان می‌دهد که DNA‌سازی در میتوکندری صورت می‌گیرد. طبق این بررسی به وجود DNA در میتوکندری پی می‌بریم. علاوه بر همانندسازی RNA و DNA سازی، پروتئین‌سازی هم در میتوکندری صورت می‌گیرد. این فراینده توسط آنزیمها و ملکولهای خاص خود اندامک صورت می‌گیرد. DNA میتوکندری اغلب موجودات حلقوی است. جایگاه DNA در ماده زمینه میتوکندری و بعضی مواقع چسبیده به غشای داخلی میتوکندری است. ژنوم میتوکندری سلول‌های اغلب جانوران از ۲۰–۱۵ هزار جفت نوکلئوتید تشکیل یافته‌است و ژنوم میتوکندری در پستانداران حدود ۱۰۵ برابر کوچک‌تر از ژنوم هسته‌ای است.
محصولاتی که توسط DNA میتوکندری رمز می‌شوند شامل RNAهای ریبوزومی میتوکندری tRNAها و برخی از پروتئین‌های مسیر تنفس می‌باشد. بعضی از پروتئین‌های میتوکندری نیز در هسته رمز می‌شوند و پس از ساخته شدن در سیتوزول وارد اندامک می‌شوند. مثال مفروض از صفتی که توسط ژنوم میتوکندری تعیین می‌شود، جهت پیچش صدف در حلزون است که از وراثت سیتوپلاسمی تبعیت می‌کند. در حقیقت این صفات توسط ژنوم میتوکندری که همراه میتوکندری‌های موجود در سیتوپلاسم وارد سلول تخم می‌شوند، انتقال می‌یابد و توارث به صورت تک والدی در اکثر آن‌ها می‌باشد.
نقش زیستی میتوکندری
تنفس هوازی سلول‌ها
تمام مواد انرژی‌زا، ضمن تغییرات متابولیکی درون سیتوپلاسمی با واسطه ناقلین اختصاصی به بستره میتوکندری می‌رسد. گلوکز بعد از تبدیل به استیل کو آنزیم A طی گلیکولیز به میتوکندری وارد می‌شود تا در چرخه کربس استفاده شود و اسیدهای چرب به‌وسیله کارنی تین به داخل میتوکندری حمل شده که اینها هم سرانجام به استیل کو آنزیم A تبدیل می‌شوند. اسیدهای آمینه بعد از ورود به بستره به استیل کو آنزیم A تبدیل می‌شوند.
با انجام هر چرخه کربس که با استفاده از یک استیل کوآنزیم A در بستره میتوکندری آغاز می‌شود، علاوه بر CO2 و H2O سه مولکول نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید و یک مولکول FADH2 و یک مولکول GTP تولید می‌شود. این ناقلین انرژی در زنجیره انتقال الکترون استفاده شده و موجب تولید ATP می‌شوند.
سنتز اسیدهای چرب
یکی از راه‌های تولید اسید چرب، سیستم میتوکندریایی می‌باشد که عکس اکسیداسیون یا تجزیه آن‌ها می‌باشد.
دخالت میتوکندری در گوارش چربیها
در هنگام گرسنگی، میتوکندریها به طرف ذرات چربی حرکت کرده و روی ذرات چرب خم شده و آنزیمهای میتوکندریایی شروع به هضم چربی و آزادسازی انرژی می‌کنند.
ذخیره و تجمع مواد در میتوکندریها
میتوکندریها می‌توانند در اتاق داخلی خود مواد مختلف را انباشته کنند که این مواد عبارت‌اند از: ترکیبات آهن‌دار، چربیها، پروتئینها، کاتیونها و آب. در اثر ذخیره این مواد، میتوکندریها اغلب به حالت یک غشایی و شبیه باکتریهای کوچک دیده می‌شوند و به تدریج، کریستاها محو می‌شوند اما بعد از حذف این مواد، دوباره همه به حالت اول برمی‌گردد.
محل میتوکندریها در سلول
اغلب در اطراف هسته دیده می‌شوند اما در شرایط مرضی در حواشی سیتوپلاسم ظاهر می‌شوند. این پراکنش، تحت تاثیر مقدار گلیکوژن و اسید چرب می‌تواند قرار بگیرد. در طول میتوز میتوکندریها در مجاورت دوک جمع می‌شوند و وقتی تقسیم پایان می‌یابد، در دو سلول دختر، پراکنش تقریبا یکسانی پیدا می‌کند. پراکنش میتوکندریها را می‌توان بر حسب عمل آن‌ها از نظر تامین انرژی، مطرح کرد که میتوکندریها در داخل سلول‌ها جابجا شده و خود را به جایی که نیاز به ATP بیشتر است می‌رسانند.
تعداد میتوکندریها در سلول
تشخیص ارزش میتوکندریایی یک سلول دشوار است. اما اغلب بر حسب نوع سلول مرحله عمل سلول متفاوت می‌باشد. در یک سلول معمولی کبد بیشترین تعداد و در حدود ۱۰۰۰ تا ۱۶۰۰ عدد وجود دارد که در اثر تحلیل رفتن سلول و نیز سرطانی شدن آن کاهش می‌یابد؛ و در مقابل، تعداد میتوکندری در بافت لنفی، خیلی کمتر است. در سلول‌های گیاهی، کمتر از جانوری می‌باشد چون بسیاری از اعمال میتوکندریها، به‌وسیله کلروپلاست انجام می‌شود.
منشا میتوکندری
دو نظریه بیان شده‌است: یکی اینکه میتوکندری‌ها ممکن است از قالبهای ساده‌تری ساخته شوند (تشکیل Denovo) و دیگر اینکه میتوکندری‌های جدید از تقسیم میتوکندریهای قبلی بوجود می‌آیند. به این صورت که تعداد آنها، در طول میتوز و نیز در اینترفاز افزایش یافته و بعد بین دو سلول دختر، پراکنش می‌یابند.
خاستگاه پروکاریوتی میتوکندری
فرضیه‌ای در این صدد مطرح شده‌است که: در گذشته بسیار دور، جو زمین فاقد اکسیژن بوده و جاندارانی که در آن زمان می‌زیسته‌اند بی‌هوازی بودند. با گذشت زمان و ضمن واکنش‌های شیمیایی، جو زمین دارای اکسیژن شده و به تدریج جانداران آن زمان و به ویژه پروکاریوتها به علت ساختمان ساده خود، هوازی شده‌اند؛ بنابراین بعضی از بکتری‌ها توسط سلول‌های یوکاریتی بلعیده شدن وبدلیل وجود همزیستی بعضی از ان‌ها به کلروپلاست یا میتوکندری تبدیل شدن پس یعنی اجداد میتوکندری همان پروکاریوت‌ها یا باکتری‌ها بوده‌است.
حوای میتوکندریایی
به خاطر انتخاب طبیعی یا رانش ژنتیکی نیاکان مادری ممکن است به فردی واحد برسند، حوای میتوکندری مثالی از این پدیده است.
حوای میتوکندریایی به جدیدترین نیای مشترک تمام انسان‌های امروزی از طرف مادری می‌گویند. دی‌ان‌ای میتوکندری که همواره از مادر به فرزند منتقل می‌شود، در همه انسان‌های امروزی به‌طور مستقیم از حوای میتوکندریایی به ارث رسیده‌است.
حوای میتوکندریایی همتای مونث آدم کروموزوم Y (که جدیدترین نیای مشترک از سمت پدری است) می‌باشد اما زمان زندگی این‌دو هزارها سال با هم متفاوت بوده‌است. معمولا تخمین زده می‌شود که حوای میتوکندری حدود ۲۰۰۰۰۰ سال پیش و به احتمال زیاد در شرق آفریقا زندگی می‌کرده‌است. این همان زمانی است که گونه هومو ساپینس ساپینس (انسان دانای دانا یا همان انسان امروزی) در حال جدا شدن از دیگر گونه‌های انسانی بوده‌است.
حوای میتوکندری خیلی زودتر از زمان هجرت از آفریقا که تصور می‌شود بین ۴۵،۰۰۰ تا ۹۵،۰۰۰ سال پیش رخ داده است، زندگی می‌کرده‌است. تعیین زمان زندگی حوا ضربه بزرگی به این نظریه بود که نیاکان انسان‌های امروزی که گونه‌ای قدیمی‌تر از انسان مدرن بودند میلیون‌ها سال پیش از آفریقا خارج شده‌اند و در مناطق مختلف به نژادهای مختلف امروزی تکامل یافته‌اند. این تخمین زمانی با نظریه مخالف منطبق است که می‌گوید انسان مدرن نسبتا به تازگی در آفریقا سرچشمه گرفته‌است و از آنجا پراکنده شده‌است و جاگزین جمعیت‌های انسانی «کهن» مانند نئاندرتالها شده‌است. فرضیه دوم در حال حاضر نظریه غالب است.