ميتوكوندريا

ميتوكوندريون ( جمعها  ميتوكوندريا) هيا عضية موجودة فى خليه معظم حقيقيات النوى ، زى حيوان نبات فطر . تتمتع الميتوكوندريا ببنية غشائية مزدوجة وتستخدم التنفس الهوائى لتوليد ثلاثى فوسفات الأدينوزين (ATP)، اللى يستخدم فى كل اماكن الخلية كمصدر للطاقة الكيميائية . تم اكتشافها بألبرت فون كوليكر سنة 1857  فى العضلات الإرادية للحشرات. تم صياغة مصطلح الميتوكوندريا ، اللى يعنى حبيبات تشبه الخيط، بكارل بيندا سنة 1898. بيتقال على الميتوكوندريا لقب "محطة توليد الطاقة للخلية"، هيا العبارة اللى أشاعها فيليب سيكيفيتز فى مقالة نشرت فى مجلة ساينتفك امريكان سنة 1957 تحمل نفس الاسم. تفتقر بعض الخلايا فى بعض الكائنات متعددة الخلايا لالميتوكوندريا (زى ، خلايا الدم الحمرا الناضجة عند الثدييات). معروف أن حيوان متعدد الخلايا Henneguya salminicola بعضيات مرتبطة احتفظو بالميتوكوندريا رغم فقدانه الكامل لجينوم الميتوكوندريا. عدد كبير من الكائنات وحيدة الخلية ، زى بويغيات والباراباساليدات متضاعفات ، قلصت أو حولت ميتوكوندرياتها لهياكل تانيه ،  زى الهيدروجينوسومات والميتوزومات . الكائنات الحية الدقيقة الأكسيموناد Monocercomonoides و Streblomastix و Blattamonas فقدت ميتوكوندرياتها تمام.

الميتوكوندريا فى العاده بين 0.75 و 3 ميكرومتر 2 فى المقطع العرضي،  لكن تختلف بشكل كبير فى الحجم والبنية. الا اذا كانت ملطخة بشكل خاص، فهى غير مرئية. تتكون الميتوكوندريا من حجرات توصل وظايف متخصصة. المقصورات أو المناطق دى تتضمن الغشاء الخارجي، والحيز بين الأغشية ، والغشاء الداخلى ، والكريستا ، والمصفوفة . و توفير الطاقة الخلوية، تشارك الميتوكوندريا فى مهام تانيه، زى الإشارة ، والتمايز الخلوى ، وموت الخلايا ، و الحفاظ على السيطرة على دورة الخلية ونمو الخلايا . يتم تنسيق التكوين الحيوى للميتوكوندريا بدوره زمنى مع العمليات الخلوية دى .

ترتبط الميتوكوندريا بالاضطرابات والحالات البشرية زى أمراض الميتوكوندريا ،  واختلال وظايف القلب ،  وفشل القلب،  والتوحد .

عدد الميتوكوندريا فى الخلية بيختلف بشكل كبير حسب الكائن الحى والأنسجة ونوع الخلية. خلايا الدم الحمرا الناضجة مافيهاش ميتوكوندريا،  خلية الكبد ممكن يكون فيها اكتر من 2000.

رغم ان معظم حمض نووى النووى للخلية حقيقية النواة موجود فى نواة الخلية ، الميتوكوندريا ليها جينومها ("ميتوجينوم") يشبه جينومات بكتيريا . الاكتشاف ده اتسبب فى قبول عام لفرضية التكافل الداخلى - ان أسلاف الميتوكوندريا الحديثة البدائية الحية اندمجت بشكل دائم مع الخلايا حقيقية النواة زمان البعيد، و اتطورت بحيث تتنفس الحيوانات والنباتات والفطريات و غيرها من حقيقيات النوى لتوليد الطاقة الخلوية .

 تكوين 
ممكن الميتوكوندريا يكون ليها كذا شكل مختلف. الميتوكوندريا فيها أغشية خارجية وداخلية مكونة من طبقات ثنائية من الفوسفوليبيد بروتين . الغشائين ليهم خصائص مختلفة. بسبب التنظيم ثنائى الغشاء ده ، فيه 5 أجزاء مميزة للميتوكوندريا:

 الغشاء الخارجى للميتوكوندريا،
 الحيز بين الغشائيين (المساحة بين الأغشية الخارجية والداخلية)،
 الغشاء الداخلى للميتوكوندريا،
 مساحة الكريستا (اللى تشكلت بطيات الغشاء الداخلى)، و
 المصفوفة (الفراغ جوه الغشاء الداخلى)، هيا سائل.

الميتوكوندريا فيها طيات لزيادة مساحة السطح،و ده يؤدى بدوره لزيادة إنتاج ATP (أدينوزين ثلاثى الفوسفات). الميتوكوندريا اللى تم تجريدها من غشائها الخارجى بتتسما ميتوبلاستات .

 الغشاء الخارجى 
الغشاء الخارجى بتاع الميتوكوندريا، اللى بيغطى العضية كلها، سُمكه من 60 لـ75 أنجستروم (Å). فيه نسبة بروتين لفوسفوليبيد قريبة من اللى فى غشاء الخلية (حوالى 1:1 بالوزن). الغشاء ده فيه عدد كبير من البروتينات اللى داخلة فى تركيبه بشكل دائم، ودى اسمها بورينز. البروتين الأساسى اللى بينقل هو قناة أنيون بتشتغل حسب الجهد وبتكوّن مسام، واسمها VDAC. الـVDAC دى هيا الناقل الرئيسى للنيوكليوتيدات والأيونات والنواتج الأيضية ما بين السيتوزول والمسافة اللى بين الغشاءين. يتم تشكيله على شكل برميل بيتا يمتد عبر الغشاء الخارجي، على مثال ذلك الموجود فى الغشاء الخارجى للبكتيريا سلبية الجرام . ممكن للبروتينات الاكبر حجم أن تدخل الميتوكوندريا إذا ارتبط تسلسل إشارات عند الطرف الأمينى الخاص بيها ببروتين متعدد الوحدات يسمى الترانسلوكاز فى الغشاء الخارجى ، اللى يحركها بعد كده بنشاط عبر الغشاء. يتم استيراد البروتينات الميتوكوندريا بمجمعات النقل المتخصصة.

الغشاء الخارجى كمان فيه انزيم تشارك فى أنشطة متنوعة زى استطالة الأحماض الدهنية ، و أكسدة الأدرينالين ، وتحلل التربتوفان . بتشمل دى الإنزيمات أكسيداز أحادى الأمين ، واختزال السيتوكروم سي-NADH غير الحساس للروتينون ، وهيدروكسيلاز الكينورينين ، ورابطة الأحماض الدهنية Co-A. يؤدى تعطيل الغشاء الخارجى لتسرب البروتينات الموجودة فى الفراغ بين الغشاء لالسيتوزول،و ده يوصل لموت الخلية. ممكن للغشاء الخارجى للميتوكوندريا أن يرتبط بغشاء الشبكة الإندوبلازمية (ER)، فى بنية تسمى MAM (غشاء الشبكة الإندوبلازمية المرتبط بالميتوكوندريا). وده مهم فى إشارات الكالسيوم بين الشبكة الإندوبلازمية والميتوكوندريا ويشارك فى نقل الدهون بين الشبكة الإندوبلازمية والميتوكوندريا. بره الغشاء الخارجى توجد جزيئات صغيرة (القطر: 60 Å) تسمى وحدات فرعية من بارسون.

 الفراغ بين الأغشية 
الحيز الغشائى للميتوكوندريا هو الحيز بين الغشاء الخارجى والغشاء الداخلى. ويُعرف كمان باسم الحيز المحيط بالميتوكوندريا. علشان الغشاء الخارجى نافذ بحرية للجزيئات الصغيرة، تركيزات الجزيئات الصغيرة، زى الأيونات والسكريات، فى الفراغ بين الغشاء هيا نفسها الموجودة فى السيتوزول . بس، لازم يكون للبروتينات الكبيرة تسلسل إشارات محدد لحد يتم نقلها عبر الغشاء الخارجي، و علشان كده التركيب البروتينى لهذه المساحة يختلف عن التركيب البروتينى للسيتوزول . واحد من بروتين اللى يتمركز فى الفراغ بين الأغشية بهذه الطريقة هو السيتوكروم سى .

 الغشاء الداخلى 
الغشاء الداخلى للميتوكوندريا فيه بروتينات ليها 3 أنواع من الوظايف:

 اللى يقومو بتفاعلات الأكسدة والاختزال لسلسلة نقل الإلكترون
 إنزيم ATP synthase ، اللى ينتج ATP فى المصفوفة
 بروتينات النقل المحددة اللى تنظم مرور المستقلبات جوه وخارج مصفوفة الميتوكوندريا

الغشاء الداخلى للميتوكوندريا فيه اكتر من 151 بولى ببتيد مختلف، وله نسبة عالية اوى من البروتين لالفوسفوليبيد (اكتر من 3:1 بالوزن، أى حوالى 1 بروتين لمدة 15 الفسفوليبيدات). يحتوى الغشاء الداخلى على حوالى 1/5 من إجمالى البروتين فى الميتوكوندريا. و ذلك، الغشاء الداخلى غنى بالفوسفوليبيد غير المعتاد، الكارديوليبين . تم اكتشاف ده الفسفوليبيد فى الأصل فى قلوب الأبقار سنة 1942، و هو فى العاده يكون من سمات الأغشية البلازمية للميتوكوندريا والبكتيريا. الكارديوليبين فيه 4 أحماض دهنية بدل اثنين، و يساعد فى جعل الغشاء الداخلى غير منفذ،  و ممكن يؤدى تعطيله لاضطرابات سريرية متعددة بما فيها الاضطرابات العصبية والسرطان. على عكس الغشاء الخارجي، لا يحتوى الغشاء الداخلى على بورينات، و هو غير منفذ اوى لجميع الجزيئات. تتطلب كل الأيونات والجزيئات بالتقريب ناقلات غشائية خاصة للدخول لالمصفوفة أو الخروج منها. يتم نقل البروتينات لالمصفوفة عبر ناقل الغشاء الداخلى (TIM) أو عبر OXA1L . و ذلك، فيه جهد غشائى عبر الغشاء الداخلي، يتشكل بفعل انزيم سلسلة نقل الإلكترون . يتم التوسط فى اندماج الغشاء الداخلى ببروتين الغشاء الداخلى OPA1 .

 كريستاى 
يسار|تصغير|250x250بك| صورة مقطعية للكريستا فى الميتوكوندريا الكبدية للفئران لتوضيح البنية ثلاثية الأبعاد المحتملة والعلاقة بالغشاء الداخلى
الغشاء الداخلى للميتوكوندريا ينقسم طيات كتيرة تسمى cristae ، اللى تعمل على توسيع مساحة سطح الغشاء الداخلى للميتوكوندريا،و ده يعزز قدرته على إنتاج ATP. بالنسبة لميتوكوندريا الكبد النموذجية، تكون مساحة الغشاء الداخلى اكبر بحوالى خمسة أضعاف من مساحة الغشاء الخارجى. دى النسبة متغيرة والميتوكوندريا من الخلايا اللى عندها طلب اكبر على ATP، زى خلايا العضلات، فيها المزيد من القمم. ممكن يكون للميتوكوندريا جوه نفس الخلية كثافة قمة مختلفة بشكل كبير، حيث تتمتع الميتوكوندريا المطلوبة لإنتاج المزيد من الطاقة بمساحة اكبر بكتير من سطح الغشاء القمة. تتميز دى الطيات بأجسام دائرية صغيرة معروفه باسم جسيمات 1 أو الأوكسيسومات.

 المصفوفة 

المصفوفة هيا المساحة المحاطة بالغشاء الداخلى. فيه حوالى 2/3 من إجمالى البروتينات الموجودة فى الميتوكوندريا. تعتبر المصفوفة مهمة فى إنتاج ATP بمساعدة ATP synthase الموجود فى الغشاء الداخلى. تحتوى المصفوفة على خليط عالى التركيز من مئات الإنزيمات، والريبوسومات الميتوكوندريا الخاصة، و tRNA ، و كتير من نسخ جينوم الحمض النووى للميتوكوندريا . من الإنزيمات، بتشمل الوظايف الرئيسية أكسدة البيروفات والأحماض الدهنية ، ودورة حمض الستريك . يتم تعبئة جزيئات الحمض النووى فى النوكليويدات بالبروتينات، أحدها هو TFAM .

 وظيفة 
الأدوار الأبرز للميتوكوندريا هيا إنتاج العملة الطاقية للخلية، ATP (أى فسفرة ADP )، بالتنفس و تنظيم عملية التمثيل الغذائى الخلوى. المجموعة المركزية من التفاعلات المشاركة فى إنتاج ATP معروفه مجتمعة باسم دورة حمض الستريك ، أو دورة كريبس ، والفسفرة التأكسدية . بس، للميتوكوندريا وظايف تانيه كتير و إنتاج ATP.

 تحويل الطاقة 
الدور الرئيسى بتاع الميتوكوندريا هو إنتاج الـATP، وده باين من كمية البروتينات الكتير اللى فى الغشاء الداخلى عشان تقوم بالمهمة دى. وبيحصل ده بأكسدة المنتجات الرئيسية. جلوكوز : البيروفات ، و NADH ، اللى يتم إنتاجها فى السيتوزول. النوع ده من التنفس الخلوى ، المعروف بالتنفس الهوائى ، بيعتمد على وجود الأكسجين . لما يكون الأكسجين محدودًا، سيتم استقلاب المنتجات التحللية عن طريق التخمير اللاهوائى ، هيا عملية مستقلة عن الميتوكوندريا. إن إنتاج ATP من الجلوكوز والأكسجين له عائد أعلى بحوالى 13 مرة وقت التنفس الهوائى مقارنة بالتخمير. ميتوكوندريا النبات كمان ممكن تنتج كمية محدودة من ATP إما عن طريق تكسير السكر المنتج وقت عملية التمثيل الضوئى أو بدون الأكسجين باستخدام الركيزة البديلة النتريت . يعبر ATP بالغشاء الداخلى بمساعدة بروتين محدد ، ويعبر الغشاء الخارجى عبر البورينات . بعد تحويل ATP لADP عن طريق إزالة الفسفرة اللى تطلق الطاقة، يرجع ADP عبر نفس المسار.

 البيروفات ودورة حمض الستريك 

يتم نقل جزيئات البيروفات اللى تنتجها عملية تحلل الجلوكوز بشكل نشط عبر الغشاء الداخلى للميتوكوندريا، و لالمصفوفة حيث ممكن أكسدتها ودمجها مع الإنزيم المساعد أ لتكوين 2 أكسيد الكربون، و أسيتيل-CoA ، و NADH ،  أو ممكن كربوكسيلاتها (ببيروفات كاربوكسيلاز ) لتكوين أوكسالو أسيتات. يملأ ده التفاعل الأخير كمية الأكسالوأسيتات فى دورة حمض الستريك و علشان كده فهو تفاعل تناسلى ،و ده يزيد من قدرة الدورة على استقلاب أسيتيل مرافق الإنزيم أ لما تزيد احتياجات الأنسجة من الطاقة (زى ، فى العضلات ) فجأة بسبب النشاط.

فى دورة حمض الستريك، يتم تجديد كل المركبات الوسيطة ( زى الچاكات ، والإيزوسيترات ، و ألفا كيتوغلوتارات ، والسكسينات، والفومارات ، والمالات ، و أوكسالو أسيتات) خلال كل دورة من الدورة. علشان كده إضافة المزيد من أى من دى الوسائط لالميتوكوندريا يعنى الاحتفاظ بالكمية الإضافية جوه الدورة،و ده يوصل لزيادة كل الوسائط التانيه لما يتحول أحدها لالآخر. ومن بعدين إضافة أى واحد منها لالدورة له تأثير تناسلى ، و إزالته له تأثير هدم. ستعمل دى التفاعلات التحفيزية والتحفيزية ، وقت مسار الدورة، على زيادة أو تقليل كمية الأكسالوأسيتات المتاحة للجمع مع أسيتيل CoA لتكوين حمض الستريك. وده بدوره يزيد أو يقلل من معدل إنتاج ATP بالميتوكوندريا، و علشان كده توفر ATP للخلية.

الأسيتيل-CoA، ال من أكسدة البيروفات، أو من أكسدة بيتا للأحماض الدهنية ، هو الوقود الوحيد اللى يدخل دورة حمض الستريك. مع كل دورة من الدورة يتم استهلاك جزيء واحد من أسيتيل CoA لكل جزيء من أوكسالو أسيتات موجود فى مصفوفة الميتوكوندريا، ولا يتم تجديده أبدًا. إن أكسدة جزء الأسيتات من أسيتيل CoA هيا اللى تنتج تانى 2 الكربون والماء، مع الطاقة المنطلقة اللى يتم التقاطها فى شكل ATP. فى الكبد، كربوكسيلة البيروفات السيتوبلازمى لأوكسالوأسيتات جوه الميتوكوندريا خطوة مبكرة فى مسار تكوين الجلوكوز ، اللى يحول اللاكتات والألانين منزوع الأمين لجلوكوز،  تحت تأثير مستويات عالية من الجلوكاجون و/أو الأدرينالين فى الدم. هنا، لا يكون لإضافة أوكسالو أسيتات لالميتوكوندريا تأثير تكاملى صافٍ، حيث يتم إزالة وسيط آخر لدورة حمض الستريك (مالات) على طول من الميتوكوندريا لتحويله لأوكسالو أسيتات سيتوبلازمي، و فى النهاية لجلوكوز، فى عملية تكاد تكون عكس عملية تحلل الجلوكوز .

إنزيمات دورة حمض الستريك تتواجد فى مصفوفة الميتوكوندريا، باستثناء سكسينات ديهيدروجينيز ، اللى يرتبط بالغشاء الداخلى للميتوكوندريا كجزء من المركب التانى. تؤكسد دورة حمض الستريك الأسيتيل-CoA لتانى أكسيد الكربون، و فى دى العملية، تنتج عوامل مساعدة مخفضة (ثلاث جزيئات من NADH وجزيء واحد من FADH 2 ) هيا مصدر للإلكترونات لسلسلة نقل الإلكترون ، وجزيء من GTP (الذى يتحول بسهولة لATP).

 O 2 و NADH: تفاعلات إطلاق الطاقة 
تصغير|400x400بك| سلسلة نقل الإلكترون فى الحيز بين الغشائى للميتوكوندريا

يتم نقل الإلكترونات من NADH و 2 لالأكسجين ( 2 ) والهيدروجين (البروتونات) فى شوية خطوات عبر سلسلة نقل الإلكترون. يتم إنتاج جزيئات NADH و 2 جوه المصفوفة عبر دورة حمض الستريك و فى السيتوبلازم عن طريق التحلل الجلوكوزى . ممكن استيراد المكافئات المختزلة من السيتوبلازم عبر نظام نقل المالات-الأسبارتات لبروتينات الناقل المضاد أو إدخالها فى سلسلة نقل الإلكترون باستخدام مكوك فوسفات الجلسرين . التفاعلات الرئيسية لإطلاق الطاقة  اللى تخللى الميتوكوندريا "محطة توليد الطاقة للخلية" بتحصل فى المجمعات البروتينية I وIII وIV فى الغشاء الداخلى للميتوكوندريا ( NADH dehydrogenase (يوبيكوينون) ، واختزال السيتوكروم سى ، و أوكسيديز السيتوكروم سى ). فى المركب الرابع ، يتفاعل O2 مع الشكل المختزل للحديد فى السيتوكروم سى :

  ΔrGo' = -218 kJ/mol

إطلاق قدر كبير من الطاقة الحرة  من المتفاعلات دون كسر روابط الوقود العضوى. يتم إطلاق الطاقة الحرة المبذولة لإزالة إلكترون من Fe 2+ فى المركب التالت لما يتفاعل Fe 3+ من السيتوكروم c لأكسدة اليوبيكوينول (QH 2 ):

  ΔrGo' = -30 kJ/mol

يتفاعل اليوبيكوينون (Q) الناتج، فى المركب I ، مع NADH:

  ΔrGo' = -81 kJ/mol

يتم التحكم فى التفاعلات بسلسلة نقل الإلكترون، الإلكترونات الحرة مش من المتفاعلات أو المنتجات فى التفاعلات التلاته الموضحة و علشان كده لا تؤثر على الطاقة الحرة المنبعثة، اللى تستخدم لضخ البروتونات (H + ) لالفراغ بين الغشاء. دى العملية فعالة، لكن قد توصل نسبة صغيرة من الإلكترونات لاختزال الأكسجين قبل الأوان،و ده يوصل لتكوين أنواع الأكسجين التفاعلية زى الأكسجين الفائق . ممكن يؤدى ده لإجهاد تأكسدى فى الميتوكوندريا و بيساهم فى انخفاض وظيفة الميتوكوندريا المرتبطة بالشيخوخة. مع زيادة تركيز البروتون فى الفراغ بين الغشاءين، ياتعمل تدرج كهروكيميائى قوى عبر الغشاء الداخلى. ممكن للبروتونات العودة لالمصفوفة بمجمع ATP synthase ، ويتم استخدام طاقتها الكامنة فى تخليق ATP من ADP والفوسفات غير العضوى (P i ). بتتسمما دى العملية بالتناضح الكيميائى ، و وصفها لأول مرة بيتر ميتشل ،  اللى اخد جايزة نوبل فى الكيمياء سنة 1978 عن عمله. و بعد كده ، اتمنح جزء من جايزة نوبل فى الكيمياء سنة 1997 لبول د. بوير وجون إى. ووكر لتوضيحهما لآلية عمل إنزيم ATP synthase.

 إنتاج الحرارة 
فى ظروف معينة، البروتونات ممكن تعود لمصفوفة الميتوكوندريا دون المساهمة فى تخليق ATP. معروفه دى العملية باسم تسرب البروتون أو فصل الميتوكوندريا ، هيا تعود لالانتشار السهل للبروتونات فى المصفوفة. توصل دى العملية لإطلاق الطاقة الكامنة غير المستغلة للتدرج الكهروكيميائى للبروتون على شكل حرارة. يتم التوسط فى دى العملية عن طريق قناة بروتونية تسمى ثيرموجينين ، أو UCP1 . فيه الثيرموجينين بشكل أساسى فى الأنسجة الدهنية البنية ، أو الدهون البنية، و هو المسؤول عن توليد الحرارة غير المرتعشة. توجد الأنسجة الدهنية البنية فى الثدييات، وتكون فى أعلى مستوياتها فى بدايات و فى الحيوانات اللى تدخل فى حالة سبات. فى البشر، يكون النسيج الدهنى البنى موجودًا عند الولادة ويتناقص مع تقدم العمر.

 تخليق الأحماض الدهنية الميتوكوندريا 

تخليق الأحماض الدهنية للميتوكوندريا (mtFASII) ضرورى للتنفس الخلوى والتكوين الحيوى للميتوكوندريا. يُعتقد كمان أنه يلعب دور كوسيط فى الإشارات جوه الخلايا بسبب تأثيره على مستويات الدهون النشطة بيولوجى، زى الليزوفوسفوليبيدات والسفينجوليبيدات . Octanoyl-ACP (C8) المنتج النهائى الاكتر أهمية لـ mtFASII، اللى يشكل كمان الركيزة الأولية لتخليق حمض الليبويك . علشان حمض الليبويك هو العامل المساعد لمجمعات إنزيمات الميتوكوندريا المهمة، زى مجمع بيروفات ديهيدروجينيز (PDC)، ومجمع ألفا كيتوغلوتارات ديهيدروجينيز (OGDC)، ومجمع ألفا كيتو أسيد ديهيدروجينيز المتفرع السلسلة (BCKDC)، و فى نظام انقسام الجلايسين (GCS)، mtFASII له تأثير على عملية التمثيل الغذائى للطاقة.

المنتجات التانيه لـ mtFASII بتلعب دور فى تنظيم ترجمة الميتوكوندريا و تكوين مجموعة FeS و تجميع مجمعات الفسفرة التأكسدية. بمساعدة mtFASII وACP المؤسيل، ينظم أسيتيل CoA استهلاكه فى الميتوكوندريا.

 امتصاص وتخزين و إطلاق أيونات الكالسيوم 
يسار|تصغير|400x400بك| صورة مجهرية إلكترونية ناقلة لخلية غضروفية ، ملطخة بالكالسيوم، بتبيين نواتها (N) والميتوكوندريا (M)

تركيزات الكالسيوم الحر جوه الخلية ممكن تتحكم فى شوية تفاعلات، ودى بتكون مهمة فى نقل الإشارات جوا الخلية. الميتوكوندريا تقدر تخزن الكالسيوم بشكل مؤقت، وده بيساعد فى الحفاظ على توازن الكالسيوم فى الخلية. قدرتها على امتصاص الكالسيوم بسرعة لإطلاقه بعدين تجعلها "مخزنات سيتوبلازمية" جيدة للكالسيوم. الشبكة الإندوبلازمية (ER) هيا موقع تخزين الكالسيوم الاكتر أهمية،  وهناك تفاعل كبير بين الميتوكوندريا والشبكة الإندوبلازمية بخصوص بالكالسيوم. يتم نقل الكالسيوم لالمصفوفة بناقل الكالسيوم الميتوكوندرى الموجود على الغشاء الداخلى للميتوكوندريا . يتم تشغيله فى المقام الاولانى بإمكانات الغشاء الميتوكوندريا. ممكن يحصل إطلاق الكالسيوم تانى لداخل الخلية ببروتين تبادل الصوديوم والكالسيوم أو بمسارات "إطلاق الكالسيوم المستحث بالكالسيوم". ممكن يؤدى ده لإثارة طفرات الكالسيوم أو موجات الكالسيوم مع حدوث تغييرات كبيرة فى إمكانات الغشاء. ممكن تعمل دى على تنشيط سلسلة من بروتينات نظام الرسول الثانوى اللى يمكنها تنسيق العمليات زى إطلاق النواقل العصبية فى الخلايا العصبية و إطلاق هرمون فى الخلايا الصماء.

اتقال مؤخر إن دخول الكالسيوم (Ca2+) لجوة مصفوفة الميتوكوندريا بيعتبر طريقة لتنظيم طاقة التنفس، وده عن طريق إنه بيسمح إن فرق الشحنات الكهربية على الغشاء يتحول مؤقت من التركيز على فرق الجهد الكهربى (ΔΨ) للتركيز على فرق الـpH، وده بيساعد يقلل من الإجهاد التأكسدى. فى الخلايا العصبية، تعمل الزيادات المصاحبة فى الكالسيوم السيتوبلازمى والميتوكوندرى على مزامنة النشاط العصبى مع عملية التمثيل الغذائى للطاقة الميتوكوندريا. ممكن توصل مستويات الكالسيوم فى مصفوفة الميتوكوندريا لعشرات الميكرومولار، و هو أمر ضرورى لتنشيط إيزوسيترات ديهيدروجينيز ، واحد من الإنزيمات التنظيمية الرئيسية لدورة كريبس .

 تنظيم انتشار الخلايا 
اتعملت أبحاث على العلاقة بين تكاثر الخلايا والميتوكوندريا. الخلايا السرطانية بتحتاج كمية كبيرة من الـATP علشان تقدر تصنع المركبات اللى ليها نشاط بيولوجى. زى الدهون بروتين والنيوكليوتيدات علشان التكاثر السريع. يتم إنتاج غالبية ATP فى الخلايا السرطانية عبر مسار الفسفرة التأكسدية (OxPhos). يؤدى التدخل مع OxPhos لتوقف دورة الخليةو ده يشير لأن الميتوكوندريا تلعب دور فى تكاثر الخلايا. يعد إنتاج ATP للميتوكوندريا أمر حيوى كمان لانقسام الخلايا وتمايزها فى العدوى  و الوظايف الأساسية فى الخلية بما فيها تنظيم حجم الخلية وتركيز المذاب والهندسة الخلوية.

مستويات الـATP بتتغير فى المراحل المختلفة من دورة الخلية، وده بيدل إن فيه علاقة بين كمية الـATP وقدرة الخلية إنها تدخل دورة خلوية جديدة. إن دور ATP فى الوظايف الأساسية للخلية يجعل دورة الخلية حساسة للتغيرات فى توفر ATP ال من الميتوكوندريا. إن التنوع فى مستويات ATP فى مراحل مختلفة من دورة الخلية يدعم الفرضية القائلة بأن الميتوكوندريا تلعب دور مهم فى تنظيم دورة الخلية. رغم ان الآليات المحددة بين الميتوكوندريا و تنظيم دورة الخلية مش مفهومة كويس ، فقد أظهرت الدراسات أن نقاط تفتيش دورة الخلية منخفضة الطاقة تراقب قدرة الطاقة قبل الالتزام بجولة تانيه من انقسام الخلية.

 موت الخلايا المبرمج والمناعة الفطرية 

موت الخلايا المبرمج (PCD) أمر بالغ الأهمية للكتير من الوظايف الفسيولوجية، بما فيها نمو الأعضاء والتوازن الخلوى. إنه يعتبر آلية جوهرية لمنع التحول الخبيث ويلعب دور أساسى فى المناعة بالمساعدة فى الدفاع المضاد للفيروسات والقضاء على مسببات الأمراض والالتهابات وتجنيد الخلايا المناعية. تم التعرف من فترة طويلة على الميتوكوندريا لدورها المركزى فى المسار الجوهرى لموت الخلايا المبرمج ، و هو شكل من أشكال PCD. و فى العقود الأخيرة، تم التعرف عليها كمان باعتبارها مركز للإشارات لمعظم الجهاز المناعى الفطرى . إن الأصل التكافلى للميتوكوندريا يميزها عن المكونات الخلوية التانيه، كمان تعرض عناصر الميتوكوندريا للسيتوزول ممكن يوصل لنفس المسارات اللى توصل ليها علامات العدوى. توصل دى المسارات لموت الخلايا المبرمج ، أو الالتهام الذاتى ، أو تشجيع الجينات المسببة للالتهابات.

تساهم الميتوكوندريا فى عملية موت الخلايا المبرمج عن طريق إطلاق السيتوكروم سى ، اللى يحفز بشكل مباشر تكوين الأبوبتوسومات . و ذلك، فهى مصدر لأنماط جزيئية مختلفة مرتبطة بالضرر (DAMPs). فى الغالب يتم التعرف على دى DAMPs بنفس مستبوسات التعرف على الأنماط (PRRs) اللى تستجيب للأنماط الجزيئية المرتبطة بالمسببات المرضية (PAMPs) وقت العدوى.  زى ، يشبه الحمض النووى للميتوكوندريا الحمض النووى للبكتيريا بسبب افتقاره لمثيلة CpG ويمكن اكتشافه بمستقبل Toll-like 9 و cGAS .  ممكن للحمض النووى الريبوزى ثنائى السلسلة (dsRNA)، اللى يتم إنتاجه بسبب النسخ ثنائى الاتجاه للميتوكوندريا، أن ينشط مسارات الاستشعار الفيروسية بمستبوسات تشبه RIG-I .  و ذلك، ممكن التعرف على تحويل N -formylation لبروتينات الميتوكوندريا ، على مثال تحويل البروتينات البكتيرية، عن طريق مستبوسات ببتيد الفورميل .   فى العادي، مكونات الميتوكوندريا بتكون معزولة عن باقى أجزاء الخلية، لكن بتبدأ تطلع لما بيحصل نفاذ فى غشاء الميتوكوندريا وقت عملية الموت الخلوى المبرمج (apoptosis) أو بشكل سلبى بعد تلف الميتوكوندريا. لكن كمان الميتوكوندريا ليها دور نشيط فى المناعة الفطرية، لأنها بتفرز الحمض النووى بتاعها (mtDNA) كرد فعل لإشارات ناتجة من التمثيل الغذائى. الميتوكوندريا كمان هيا المكان اللى بيتموضع فيه بروتينات بتنظم المناعة والموت الخلوي، زى BAX وMAVS (اللى موجود على الغشاء الخارجى) وNLRX1 (اللى موجود فى المصفوفة). البروتينات دى بتتأثر بالحالة الأيضية للميتوكوندريا وبالتغيرات فى شكلها وحركتها.

 هبة 
بعض الخلايا تتبرع بالميتوكوندريا لخلايا تانيه. تحدث زى دى التبرعات فى أنواع متعددة من الخلايا، و فى الكائنات الحية زى الخميرة، والرخويات، والقوارض. تمت ملاحظة التبرع بالميتوكوندريا لأول مرة سنة 2006. من سنة 2025، لم يتم ملاحظة ذلك فى البشر داخل الجسم الحي . ممكن تحصل التبرعات لمساعدة الخلايا التالفة، أو تشجيع تعديل الأنسجة أو الجهاز المناعي، أو لتزويد الخلايا المتضررة بالطاقة. الباحثين زرعو خلايا سرطان الرئة البشرية الخالية من الميتوكوندريا باستخدام الخلايا الجذعية. قامت الخلايا الجذعية بطرد الميتوكوندريا، اللى تم امتصاصها بخلايا الرئة. بعد كده استرجعت خلايا الرئة قدرتها على الانقسام واستقلاب الجلوكوز. و تم بعد كده اكتشاف تحرك الميتوكوندريا بين خلايا الرئة والقلب والدماغ والدهون والعظام و غيرها من الخلايا. ماحددش البحث كيف تشير الخلية لحاجتها لمساعدة الميتوكوندريا أو كيف تقرأ الخلايا التانيه دى المؤشرات.

وقد لوحظت أغراض مختلفة لتفسير دى و بتشمل :

 استعادة وظيفة الخلايا التالفة و إطالة عمرها 
 ممكن يؤدى التبرع بالخلايا البطانية للخلايا السرطانية لزيادة مقاومة العلاج الكيميائى  أو القدرة على التسبب فى السرطان.
 بعد إصابة الرئة الحادة، ممكن للخلايا الجذعية أن تتبرع بالميتوكوندريا لخلايا الرئة، اللى بدورها تقوم بتوزيع ATP (الوقود) لالخلايا القريبة اللى لم تستقبل الميتوكوندريا.
 ممكن للصفائح الدموية أن تتبرع بالميتوكوندريا لالخلايا الجذعية اللى تقوم بدورها بإطلاق جزيئات تساعد فى تكوين الأوعية الدموية،و ده يسرع من التئام الجروح. و كان للتبرع بخلايا العظام تأثير مماثل.
 الحفاظ على حاجز الدم الدماغي
 الحفاظ على وظيفة الخلايا البلعمية لما يتم تعطيل عملية التمثيل الغذائى لها
 تقليل الاستجابة الالتهابية، و بالخصوص لما يتم التبرع بيها للخلايا التائية. أظهرت الخلايا الجذعية المزروعة من مرضى التهاب المفاصل الروماتويدى عدد أقل من الميتوكوندريا للخلايا التائية مقارنة بالخلايا المتتاخده من أشخاص تانيين.

الميتوكوندريا بره الخلية تستخدم طرق نقل متعددة:

 أنابيب نانوية نفقية تربط الخلايا مؤقت لنقل البضائع المختلفة 
 الركاب على الحويصلات
 عائمة بحرية (فى العاده فى الدم)
 اتصال الخلايا/اندماجها

 وظايف إضافية 
الميتوكوندريا بتلعب دور محورى فى الكتير من المهام الأيضية التانيه، مثل:

 الإشارات بجزيئات الأكسجين التفاعلية للميتوكوندريا 
 تنظيم جهد الغشاء 
 إشارات الكالسيوم (بما فيها موت الخلايا المبرمج الناتج عن الكالسيوم) 
 تنظيم عملية التمثيل الغذائى الخلوى 
 تفاعلات معينة لتخليق الهيم  (شوف كمان : البورفيرين )
 تخليق الستيرويد 
 الإشارات الهرمونية  - الميتوكوندريا حساسة وتستجيب للهرمونات، جزئى بعمل مستبوسات هرمون الاستروجين فى الميتوكوندريا (mtERs). اتلقا دى المستبوسات فى أنسجة و أنواع مختلفة من الخلايا، بما فيها الدماغ  والقلب 
 تطور ووظيفة الخلايا المناعية 
 تساهم الميتوكوندريا العصبية كمان فى مراقبة جودة الخلايا بالإبلاغ عن الحالة العصبية تجاه الخلايا الدبقية الصغيرة بالوصلات الجسدية المتخصصة.
 تساهم الميتوكوندريا الموجودة فى الخلايا العصبية النامية فى إرسال الإشارات بين الخلايا نحو الخلايا الدبقية الصغيرة ، و هو التواصل اللى يعد ضرورى للتنظيم السليم لتطور الدماغ.

بعض وظايف الميتوكوندريا تتم فى أنواع محددة من الخلايا بس. زى ، تحتوى الميتوكوندريا الموجودة فى خلايا الكبد على إنزيمات تسمح ليها بإزالة سموم الأمونيا ، هيا واحد من منتجات التمثيل الغذائى للبروتين. ممكن توصل الطفرة فى الجينات اللى تنظم أى من دى الوظايف لأمراض الميتوكوندريا . تختلف البروتينات الميتوكوندريا (البروتينات المنسوخة من الحمض النووى للميتوكوندريا) اعتماد على الأنسجة والأنواع. فى البشر، تم التعرف على 615 نوع مميز من البروتينات من الميتوكوندريا قلب ،  فى الوقت نفسه فى فئران ، تم الإبلاغ عن 940 بروتين. يُعتقد أن البروتينيوم الميتوكوندريا يتم تنظيمه بشكل ديناميكى.

 تنظيم و توزيع 
تصغير|شبكة الميتوكوندريا النموذجية (الخضراء) فى خليتين بشريتين ( خلايا هيلا )
الميتوكوندريا (أو الهياكل اللى ليها صله) فى كل حقيقيات النوى (باستثناء أوكسيموناد مونوسيركومونويدس ). رغم تصويرها فى العاده على أنها هياكل تشبه حبة الفاصوليا، إلا أنها تشكل شبكة ديناميكية اوى فى غالبية الخلايا حيث تخضع باستمرار للانشطار والاندماج . يشكل كل الميتوكوندريا فى خلية معينة الغضروف. تختلف الميتوكوندريا فى العدد والموقع حسب لنوع الخلية. فى الغالب توجد ميتوكوندريا واحدة فى الكائنات وحيدة الخلية، فى الوقت نفسه تحتوى خلايا الكبد البشرية على حوالى 1000-2000 ميتوكوندريا لكل خلية، و هو ما يشكل 1/5 من حجم الخلية. ممكن يختلف محتوى الميتوكوندريا فى الخلايا المتشابهة بشكل كبير فى الحجم و إمكانات الغشاء،  مع الاختلافات الناشئة عن مصادر بما فيها التقسيم غير المتكافئ عند انقسام الخلايا،و ده يوصل لاختلافات خارجية فى مستويات ATP والعمليات الخلوية اللاحقة. ممكن العثور على الميتوكوندريا متجمعة بين ألياف العضلات أو ملفوفة حول سوط الحيوان المنوى . ساعات كتير، فإنها تشكل شبكة متفرعة ثلاثية الأبعاد معقدة جوه الخلية مع الهيكل الخلوى . يحدد الارتباط بالهيكل الخلوى شكل الميتوكوندريا، اللى ممكن يؤثر على الوظيفة كمان : قد توفر الهياكل المختلفة لشبكة الميتوكوندريا للسكان مجموعة متنوعة من المزايا أو العيوب الفيزيائية والكيميائية والإشارية. تنتشر الميتوكوندريا فى الخلايا دايما على طول الأنابيب الدقيقة، ويرتبط توزيع دى العضيات كمان بالشبكة الإندوبلازمية . تشير الأدلة الحديثة لأن الفيمنتين ، واحد من مكونات الهيكل الخلوي، له أهمية بالغة كمان بخصوص بالارتباط بالهيكل الخلوى.

 غشاء ER المرتبط بالميتوكوندريا (MAM) 

غشاء الشبكة الإندوبلازمية المرتبط بالميتوكوندريا (MAM) هو عنصر هيكلى آخر يتم التعرف عليه بشكل متزايد لدوره الحاسم فى وظايف الخلايا والتوازن الداخلى . فى السابق، كان يُعتقد أن ملوثات حويصلات الشبكة الإندوبلازمية اللى ظهرت دايما فى جزء الميتوكوندريا كانت عقبة فنية فى تقنيات تجزئة الخلايا، لكن تم إعادة تحديدها على أنها هياكل غشائية مشتقة من MAM - الواجهة بين الميتوكوندريا والشبكة الإندوبلازمية. تم ملاحظة الاقتران الفيزيائى بين هاتين العضيتين قبل كده فى المجهر الإلكترونى وتم فحصه مؤخر باستخدام المجهر الفلورى . تقدر زى دى الدراسات أنه فى الغشاء المخاطى المتوسط، اللى قد يشكل ما يوصل ل20% من الغشاء الخارجى للميتوكوندريا، تكون الشبكة الإندوبلازمية والميتوكوندريا منفصلتين بمسافة 10-25 بس. نانومتر ويتم ربطهامع بعضبمجمعات ربط البروتين.

يتم إثراء MAM المنقى من التجزئة الفرعية الخلوية بالإنزيمات المشاركة فى تبادل الفسفوليبيد، و القنوات المرتبطة بإشارات Ca2 2+ . و تم تأكيد دى التلميحات حول الدور البارز اللى يلعبه MAM فى تنظيم مخازن الدهون الخلوية ونقل الإشارات، مع وجود آثار كبيرة على الظواهر الخلوية المرتبطة بالميتوكوندريا، زى ما هو موضح تحته. لم يوفر MAM نظرة ثاقبة على الأساس الميكانيكى اللى تقوم عليه العمليات الفسيولوجية زى موت الخلايا المبرمج الجوهرى وانتشار إشارات الكالسيوم فحسب، بل إنه يفضل كمان رؤية اكتر دقة للميتوكوندريا. رغم ان الميتوكوندريا فى الغالب تُرى على أنها "محطات طاقة" ثابتة ومعزولة يتم اختطافها علشان التمثيل الغذائى الخلوى بحدث تكافلى قديم، تطور الغشاء الغشائى المحيط بالخلية (MAM) يؤكد مدى دمج الميتوكوندريا فى وظايف الخلايا الكلية، مع الاقتران الفيزيائى والوظيفى الوثيق بنظام الغشاء الداخلى.

 الأصل والتطور 

فيه فرضيتين حول أصل الميتوكوندريا: تكافلية داخلية و ذاتية المنشأ . تشير فرضية التكافل الداخلى لأن الميتوكوندريا كانت فى الأصل خلايا بدائيات النوى ، قادرة على تنفيذ آليات الأكسدة اللى ما كانتش ممكنة للخلايا حقيقية النواة؛ فقد بقت متعايشة داخلى تعيش جوه حقيقيات النوى. فى الفرضية الذاتية، اتولدت الميتوكوندريا عن طريق انقسام جزء من الحمض النووى من نواة الخلية حقيقية النواة فى وقت التباعد مع بدائيات النوى؛ و كان مفترض أن يكون ده الجزء من الحمض النووى محاط بأغشية، اللى مش ممكن للبروتينات عبورها. علشان الميتوكوندريا ليها سمات مشتركة كتير مع بكتيريا ، فرضية التكافل الداخلى هيا الاكتر قبول على نطاق واسع من الفرضيتين.

الميتوكوندريا فيها حمض نووى ، اللى يتم تنظيمه على شكل شوية نسخ من كروموسوم واحد، فى العاده يكون دائرى . كروموسوم الميتوكوندريا ده فيه جينات لبروتينات الأكسدة والاختزال ، زى تلك الموجودة فى السلسلة التنفسية. تقترح فرضية CoRR أن التواجد المشترك ده مطلوب لتنظيم الأكسدة والاختزال. يشفر الجينوم الميتوكوندريا بعض الحمض النووى الريبوزى للريبوسومات ، و22 tRNAs اللازمة لترجمة mRNAs لبروتين. اتلقا البنية الدائرية كمان فى بدائيات النوى. من المحتمل أن تكون الميتوكوندريا الأولية وثيقة الصلة بجنس ريكتسيا ، اللى ينتمى لفئة ألفا بروتيوباكتيريا من شعبة الزائفة الزنجارية. بس، العلاقة الدقيقة بين سلف الميتوكوندريا والبكتيريا البروتينية ألفا وما إذا كانت الميتوكوندريا تشكلت فى نفس الوقت أو بعد النواة، لسه مثيرة للجدل. زى ، اقترح أن فرع SAR11 من البكتيريا يشترك فى سلف مشترك حديث نسبى مع الميتوكوندريا،  فى الوقت نفسه تشير التحليلات الجينومية إن الميتوكوندريا تطورت من سلالة Pseudomonadota وثيقة الصلة أو عضو فى alphaproteobacteria . بعض الأوراق البحثية تصف الميتوكوندريا بأنها اخت للألفا بروتيوباكتيريا، تشكلمع بعضمجموعة مارين بروتيو 1 الشقيقة، و تشكلمع بعضمجموعة ماجنيتوكوكيداى الشقيقة.الريبوسومات المشفرة بالحمض النووى للميتوكوندريا تشبه الموجودة فى البكتيريا حسب  الحجم والبنية. إنها تشبه لحد كبير الريبوسوم البكتيرى 70S و ليس الريبوسومات السيتوبلازمية 80S ، اللى يتم ترميزها بالحمض النووى .

لين مارغوليس روجت للعلاقة التكافلية بين الميتوكوندريا و خلاياها المضيفة . فرضية التكافل الداخلى  تشير إن الميتوكوندريا تنحدر من بكتيريا هوائية نجت بطريقة ما من عملية البلعمة الخلوية بخلية تانيه، و بقت مدمجة فى السيتوبلازم . قدرة البكتيريا دى على إجراء عملية التنفس فى الخلايا المضيفة اللى اعتمدت على تحلل الجلوكوز والتخمير ممكن توفر ميزة تطورية كبيرة. من المحتمل أن تكون دى العلاقة التكافلية اتطورت من 1.7 ل2 مليار سنة.
تصغير|تطور شركات الصيانة والتعديل والعمرة

بعض مجموعات حقيقيات النوى وحيدة الخلية فيها ميتوكوندريا أثرية أو هياكل مشتقة بس : بويغيات ، فوق مونيات ، والأركاميبا .  المجموعات دى تظهر باعتبارها اكتر الكائنات حقيقية النواة بدائية على الشجر التطورية اللى  اتنشأت باستخدام معلومات rRNA ، اللى اقترحت ذات مرة أنها ظهرت قبل أصل الميتوكوندريا. بس،  بقا معروف دلوقتى  أن ده مجرد نتاج لجذب الفروع الطويلة : فهى   مجموعات مشتقة وتحتفظ بالجينات أو العضيات المشتقة من الميتوكوندريا ( زى الخلايا البطانية). زى ، الميتوزومات والهيدروجينوسومات ). الهيدروجينوسومات، والميتوزومات، والعضيات اللى ليها صله كما لقت فى بعض اللوريسيفرا (زى . ز. سبينولوريكس )  مواخط (e. ز. يتم تصنيف Henneguya zschokkeiمع بعضعلى أنها MROs، هيا عضيات مرتبطة بالميتوكوندريا.

يظهر ان المونوكركومونويدات والأكسيمونيدات التانيه فقدت الميتوكوندريا الخاصة بيها تمام ويظهر ان بعض وظايف الميتوكوندريا على الأقل يتم تنفيذها بالبروتينات السيتوبلازمية دلوقتى .

 جينوم الميتوكوندريا 
يسار|تصغير|300x300بك| الجينوم الدائرى للميتوكوندريا البشرية بطول 16,569 جوز قاعدى  اللى يشفر 37 جين، أي 28 على السلسلة H و9 على السلسلة L

الميتوكوندريا فيها جينوم خاص بها. الجينوم الميتوكوندريا البشرية   جزيء حمض نووى مزدوج السلسلة دائرى الشكل بيتكون من حوالى 16 كيلوباس . إنه يشفر 37 جين: 13 لوحدات فرعية من المجمعات التنفسية I وIII وIV وV، و22 لـ tRNA الميتوكوندريا (للأحماض الأمينية القياسية العشرين، و جين إضافى لليوسين والسرين)، و2 لـ rRNA (12S و16S rRNA). ممكن تحتوى الميتوكوندريا الواحدة على نسختين لعشر نسخ من الحمض النووى الخاص بها.  واحد من سلسلتى الحمض النووى للميتوكوندريا (mtDNA) فيه نسبة أعلى بشكل غير متناسب من النيوكليوتيدات الثقيلة الأدينين والجوانين، وبيتقال على ده الخيط اسم الخيط الثقيل (أو خيط H)، فى الوقت نفسه بيتقال على الخيط التانى اسم الخيط الخفيف (أو خيط L). يسمح فرق الوزن بفصل الخصلتين عن طريق الطرد المركزى . يحتوى mtDNA على امتداد طويل غير مشفر يُعرف باسم المنطقة غير المشفرة (NCR)، اللى فيها مروج السلسلة الثقيلة (HSP) ومروج السلسلة الخفيفة (LSP) لنسخ الحمض النووى الريبي، و أصل التضاعف لسلسلة H (OriH) الموضعية على سلسلة L، وثلاثة صناديق تسلسل محفوظة (CSBs 1-3)، وتسلسل مرتبط بالإنهاء (TAS). يقع أصل التضاعف لسلسلة L (OriL) على سلسلة H على بعد 11000 جوز قاعدى من OriH،  اللى يقع جوه مجموعة من الجينات اللى تشفر الحمض النووى الريبوزى الناقل.  زى ما هو الحال فى بدائيات النوى، هناك نسبة عالية اوى من الحمض النووى المشفر وغياب التكرارات. يتم نسخ الجينات الميتوكوندريا على شكل نسخ متعددة الجينات، اللى يتم تقسيمها و إضافة الكتير من الأدينيلات ليها لإنتاج mRNA ناضجة. يتم ترميز معظم البروتينات اللازمة لوظيفة الميتوكوندريا بالجينات الموجودة فى نواة الخلية ويتم استيراد البروتينات المقابلة لالميتوكوندريا. يختلف العدد الدقيق للجينات المشفرة بالنواة والجينوم الميتوكوندريا بين الأنواع. معظم الجينومات الميتوكوندريا دائرية. بشكل عام، يفتقر الحمض النووى للميتوكوندريا لالإنترونات ، زى ما هو الحال فى جينوم الميتوكوندريا البشري؛  بس، فقد لوحظت الإنترونات فى بعض الحمض النووى للميتوكوندريا حقيقية النواة،  زى ذلك الخاص بالخميرة  طلائعيات ،  بما فيها ديكتيوستيليوم ديسكويديوم . بين مناطق ترميز البروتين، توجد جزيئات tRNA. تحتوى جينات الحمض النووى الريبوزى الناقل للميتوكوندريا على تسلسلات مختلفة عن الحمض النووى الريبوزى الناقل النووي، لكن  اتلقا  جينات مشابهة للحمض النووى الريبوزى الناقل للميتوكوندريا فى الكروموسومات النووية ذات تشابه تسلسلى كبير.

جينوم الميتوكوندريا فى الحيوانات، يكون فى العاده كروموسوم دائرى واحد طوله حوالى 16 كيلو قاعدة وفيه 37 جين.  رغم ان الجينات محفوظة بشكل كبير، إلا أنها ممكن تختلف فى موقعها. و الغريب أن النمط  ده مافيش فى قملة جسم الإنسان ( Pediculus humanus ). بدل ده ، يتم ترتيب  جينوم الميتوكوندريا ده فى 18 كروموسوم دائرى صغير،  طول كل منها 3-4 كيلو قاعدة و فيها جين واحد ل3 جينات.  اتلقا  النوع  ده  كمان فى قمل ماص التانيه، لكن ليس فى قمل العاض .  ثبت أن إعادة التركيب تحدث بين الكروموسومات الصغيرة.

 دراسات جينية للسكان البشريين 

الغياب شبه الكامل لإعادة التركيب الجينى فى الحمض النووى للميتوكوندريا يجعله مصدر مفيد للمعلومات لدراسة علم الوراثة السكانية و علم الأحياء التطورى . علشان  الحمض النووى للميتوكوندريا يتم توريثه كوحدة واحدة، أو النمط الوراثى ، العلاقات بين الحمض النووى للميتوكوندريا من أفراد مختلفين ممكن تمثيلها على هيئة شجرة جينية . ممكن استخدام الأنماط الموجودة فى شجر الجينات دى لاستنتاج التاريخ التطورى للسكان. المثال الكلاسيكى على ذلك موجود فى علم الوراثة التطورى البشرى ، حيث ممكن استخدام الساعة الجزيئية لتوفير تاريخ حديث لحواء الميتوكوندريا . فى الغالب   يتم تفسير ده على أنه دعم قوى للتوسع البشرى الحديث بره إفريقيا . ومن الأمثلة البشرية التانيه تسلسل الحمض النووى للميتوكوندريا من عظام إنسان نياندرتال . تم تفسير المسافة التطورية الكبيرة نسبى بين تسلسلات الحمض النووى للميتوكوندريا عند إنسان نياندرتال والبشر الأحياء على أنها دليل على عدم وجود تزاوج بين إنسان نياندرتال والبشر المعاصرين.  بس،  الحمض النووى للميتوكوندريا يعكس بس تاريخ الإناث فى السكان. ممكن الغلب  ده  جزئى باستخدام التسلسلات الجينية الأبوية، زى المنطقة غير القابلة لإعادة التركيب فى الكروموسوم Y.

القياسات الحديثة للساعة الجزيئية للحمض النووى للميتوكوندريا  أشارت لقيمة طفرة واحدة كل 7884  سنه  تعود لأحدث سلف مشترك للإنسان والقردة، و هو  يتوافق مع تقديرات معدلات طفرة الحمض النووى الصبغى الجسمى (10 −8 لكل قاعدة لكل جيل).

 الشفرة الوراثية البديلة 
+استثناءات للشيفرة الجينية القياسية فى الميتوكوندريا  الكائن الحي الكودون معيار الميتوكوندريا ثدييات أجا، أجج الأرجينين قف كودون اللافقاريات أجا، أجج الأرجينين سيرين فطر جامعة كوا الليوسين ثريونين كل ما سبق جامعة أوا الأيزوليوسين الميثيونين جامعة جورجيا كودون التوقف التربتوفانتم التنبؤ باختلافات طفيفة فى الشفرة الجينية القياسية فى وقت سابق،   اكتشاف أى منها ماحصلش  لحد سنة 1979،  لما قرر الباحثون اللى  يدرسو جينات الميتوكوندريا البشرية أنهم استخدمو شفرة بديلة. بس، الميتوكوندريا فى كتير من حقيقيات النوى التانيه ، بما فيها معظم النباتات، تستخدم الكود القياسى . تم اكتشاف متغيرات طفيفة كتير من كده الحين،  بما فيها كتير من الشفرات البديلة للميتوكوندريا. و  الكودونات AUA وAUC وAUU هيا كلها كودونات بداية مسموح بها.

لازم  اعتبار بعض الاختلافات  دى تغيرات زائفة فى الشفرة الجينية بسبب ظاهرة تحرير الحمض النووى الريبى ، هيا ظاهرة شائعة فى الميتوكوندريا. فى النباتات العليا، كان يُعتقد أن CGG يشفر التربتوفان مش الأرجينين ؛ بس، تم اكتشاف أن الكودون فى الحمض النووى الريبى المعالج هو كودون UGG، و هو ما يتفق مع الشفرة الجينية القياسية للتربتوفان. ومن الجدير بالملاحظة أن الشفرة الوراثية للميتوكوندريا عند المفصليات خضعت لتطور موازى جوه شعبة، عض الكائنات الحية ترجمت AGG لليسين بشكل فريد.

 التكرار والوراثة 
الميتوكوندريا تنقسم  عن طريق الانشطار الميتوكوندرى ، و هو شكل من أشكال الانشطار الثنائى اللى يتم كمان بالبكتيريا  رغم ان العملية بتنظمها بشكل صارم الخلية حقيقية النواة المضيفة و تتضمن التواصل و الاتصال مع عضيات تانيه كتير .  تنظيم التقسيم ده بين حقيقيات النوى يختلف . فى كتير من حقيقيات النوى وحيدة الخلية، يرتبط نموها وانقسامها بدورة الخلية . زى ،  الميتوكوندريا الواحدة ممكن تنقسم بشكل متزامن مع النواة. لازم التحكم بشكل صارم فى عملية الانقسام والفصل دى بحيث تتلقى كل خلية بنت ميتوكوندريا واحدة على الأقل. فى حقيقيات النوى التانيه (فى الثدييات زى )، قد تقوم الميتوكوندريا بتكرار الحمض النووى الخاص بيها وتنقسم بشكل أساسى استجابة لاحتياجات الخلية من الطاقة، مش بالتزامن مع دورة الخلية.  لما تكون احتياجات الخلية من الطاقة عالية، تنمو الميتوكوندريا وتنقسم.  لما يكون استخدام الطاقة منخفض، يتم تدمير الميتوكوندريا أو تبقا غير نشطة. فى زى دى الأمثلة، يظهر ان الميتوكوندريا تتوزع بشكل عشوائى على الخلايا الابنية وقت انقسام السيتوبلازم . ديناميكيات الميتوكوندريا، والتوازن بين اندماج الميتوكوندريا والانشطار ، هيا عامل مهم فى الأمراض المرتبطة بالكتير من الحالات المرضية.

 خلل و مرض 

 أمراض الميتوكوندريا 
الضرر والخلل اللى بيحصل بعد كده فى الميتوكوندريا بيعتبر عامل مهم فى كتير من أمراض البشر عشان تأثيره على عملية التمثيل الغذائى فى الخلايا. و فى الغالب  اضطرابات الميتوكوندريا بتظهر على شكل مشاكل عصبية، ومن ضمنها التوحد . ممكن تظهر كمان على شكل اعتلال عضلى ، مرض السكر ، واعتلال الغدد الصماء المتعدد، ومجموعة متنوعة من الاضطرابات الجهازية التانيه. بتشمل الأمراض الناجمة عن الطفرة فى الحمض النووى للميتوكوندريا متلازمة كيرنز ساير ، ومتلازمة ميلاس ، واعتلال العصب البصرى الوراثى لليبر . فى الغالبية العظمى من الحالات، تنتقل دى الأمراض من الأنثى لأطفالها، حيث يستمد الزيجوت الميتوكوندريا الخاصة به و علشان كده الحمض النووى للميتوكوندريا من البويضة. يُعتقد أن أمراض زى متلازمة كيرنز ساير، ومتلازمة بيرسون ، وشلل العين الخارجى التدريجى تعود لإعادة ترتيب الحمض النووى للميتوكوندريا على نطاق واسع،  أمراض تانيه زى متلازمة ميلاس، واعتلال العصب البصرى الوراثى لليبر، ومتلازمة ميرف ، و غيرها تعود لطفرات نقطية فى الحمض النووى للميتوكوندريا.

كمان ا إن الخلايا السرطانية المقاومة للأدوية بفيها عدد وحجم اكبر من الميتوكوندريا، وده بيدل على زيادة فى تكوين الميتوكوندريا. فى دراسة اتنشرت سنة 2022 فى مجلة Nature Nanotechnology، قالت إن الخلايا السرطانية بتقدر تخطف الميتوكوندريا من الخلايا المناعية عن طريق أنابيب نانوية فيزيائية بتوصل بينهم.

العيوب فى الجينات النووية فى أمراض تانيه، توصل لخلل فى وظايف بروتينات الميتوكوندريا. ده هو الحال فى مرض فريدريك أتاكسيا ، والشلل النصفى التشنجى الوراثى ، ومرض ويلسون . تنتقل دى الأمراض وراثيا بطريقة السيادة ، زى ما هو الحال بالنسبة لمعظم الأمراض الوراثية التانيه. ممكن تحصل مجموعة متنوعة من الاضطرابات بسبب الطفرات النووية فى إنزيمات الفسفرة التأكسدية، زى نقص الإنزيم المساعد Q10 ومتلازمة بارث . قد تتفاعل التأثيرات البيئية مع الاستعدادات الوراثية وتسبب أمراض الميتوكوندريا. زى ، ممكن يكون فيه رابط بين التعرض للمبيدات الحشرية والظهور المتأخر مرض باركنسون . بتشمل الأمراض التانيه ذات السببية اللى تنطوى على خلل فى الميتوكوندريا شيزوفرينيا ، والاضطراب ثنائى القطب ، والخرف ، ومرض الزهايمر ،  ومرض باركنسون، والصرع ، والسكتة الدماغية ، و أمراض القلب والأوعية الدموية ، والتهاب الدماغ والنخاع العضلي/متلازمة التعب المزمن (ME/CFS)، والتهاب الشبكية الصباغى ، مرض السكر .

الإجهاد التأكسدى الناجم عن الميتوكوندريا يلعب دور فى اعتلال عضلة القلب عند مرضى السكرى من النوع 2 . يؤدى زيادة توصيل الأحماض الدهنية لالقلب لزيادة امتصاص الأحماض الدهنية بالخلايا العضلية القلبية،و ده يوصل لزيادة أكسدة الأحماض الدهنية فى دى الخلايا. تعمل دى العملية على زيادة المكافئات المختزلة المتاحة لسلسلة نقل الإلكترون فى الميتوكوندريا،و ده يؤدى فى الاخر لزيادة إنتاج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). تعمل أنواع الأكسجين التفاعلية على زيادة بروتينات الفصل (UCPs) وتعزيز تسرب البروتون بناقل نوكليوتيد الأدينين (ANT)،  اللى يعمل تركيبه على فصل الميتوكوندريا. ويؤدى الانفصال  بعد كده لزيادة استهلاك الأكسجين بالميتوكوندريا،و ده يوصل لزيادة أكسدة الأحماض الدهنية. وده يخلق حلقة مفرغة من عدم الارتباط؛ وعلاوة على ذلك،  رغم زيادة استهلاك الأكسجين، تخليق ATP مايزيدش بشكل متناسب لأن الميتوكوندريا غير مرتبطة. يؤدى انخفاض توفر ATP فى الاخر لعجز فى الطاقة يظهر على شكل انخفاض فى كفاءة القلب واختلال وظيفى فى الانقباض. ولزاد المشكلة، ضعف إطلاق الكالسيوم فى الشبكة الساركوبلازمية وانخفاض إعادة امتصاص الميتوكوندريا يحدان من مستويات الذروة فى السيتوبلازم للأيون الإشارى المهم وقت انقباض العضلات. يؤدى انخفاض تركيز الكالسيوم جوه الميتوكوندريا لزيادة تنشيط نازعة الهيدروجين وتخليق ATP. لذلك، و انخفاض تخليق ATP بسبب أكسدة الأحماض الدهنية، تخليق ATP يتأثر كمان بسبب ضعف إشارات الكالسيوم،و ده يسبب مشاكل فى القلب لمرضى السكر.

الميتوكوندريا تعمل على تعديل العمليات زى تطور الخلايا الجسدية الخصوية، وتمايز الخلايا الجذعية المنوية، وتحمض التجويف، و إنتاج هرمون التستوستيرون فى الخصيتين، واكتر من كده. وبالتالي، خلل الميتوكوندريا فى الحيوانات المنوية ممكن يكون سبب للعقم.

فى إطار الجهود المبذولة لمكافحة أمراض الميتوكوندريا، تم تطوير العلاج البديل للميتوكوندريا (MRT). يستخدم ده الشكل من التلقيح الصناعى الميتوكوندريا المتبرع بها،و ده يتجنب انتقال الأمراض الناجمة عن طفرات الحمض النووى للميتوكوندريا. بس، لسه ده العلاج قيد البحث، و ممكن  يوصل علشان تعديل وراثي، فضل عن المخاوف المتعلقة بالسلامة. دى الأمراض نادرة لكن ممكن تكون أمراض شديدة الضعف والتقدم،و ده يثير أسئلة أخلاقية معقدة للسياسة العامة.

 العلاقات مع الشيخوخة 

ممكن يحصل تسريب شوية إلكترونات منقولة فى سلسلة التنفس، وده بيكوّن جزيئات أكسجين تفاعلية. زمان كانو فاكرين إن ده بيعمل إجهاد تأكسدى كبير فى الميتوكوندريا وبيزود معدل الطفرات فى الحمض النووى بتاعها. العلاقة اللى اتقال إنها موجودة بين الشيخوخة والإجهاد التأكسدى مش جديدة، و من سنة 1956. اللى تم تحسينها بعدين لنظرية الجذور الحرة للميتوكوندريا للشيخوخة . كانو بيعتقدو إن فى حلقة مفرغة بتحصل، يعنى الإجهاد التأكسدى بيعمل طفرات فى الحمض النووى بتاع الميتوكوندريا، واللى ممكن يسبب خلل فى الإنزيمات ويزود الإجهاد التأكسدى كمان. ومع التقدم فى السن، ممكن تحصل تغييرات كتير فى الميتوكوندريا. أنسجة الناس الكبار فى السن بتبيّن إن نشاط الإنزيمات بتاعة بروتينات سلسلة التنفس بيقل. بس، الحمض النووى المتحوّر بتاع الميتوكوندريا مش بيتلاقى غير فى حوالى 0.2% بس من الخلايا اللى كبيرة اوى فى السن.  البعض افترضو ان الحذف الكبير فى جينوم الميتوكوندريا يوصل لمستويات عالية من الإجهاد التأكسدى وموت الخلايا العصبية فى مرض باركنسون . و ثبت كمان حدوث خلل فى الميتوكوندريا فى التصلب الجانبى الضمورى .

 تاريخ 

الملاحظات الأولى للهياكل جوه الخلايا اللى ممكن  كانت تمثل الميتوكوندريا اتنشرت  سنة  1857، بعالم وظايف الأعضاء ألبرت فون كوليكر .  سنة  1890، أسسها ريتشارد التمان باعتبارها عضيات خلوية وسماها اسم "الأرومات الحيوية".  سنة  1898، صاغ كارل بيندا مصطلح "الميتوكوندريا" من الكلمة اليونانية  و  و "خيط" و , , "الحبيبة". ليونور ميكايليس اكتشف أنه ممكن استخدام اللون الأخضر جانوس كصبغة حيوية للميتوكوندريا  سنة  1900.  سنة  1904،  فريدريش ميفز عمل أول ملاحظة مسجلة للميتوكوندريا فى النباتات فى خلايا زنبق الماء الأبيض، Nymphaea alba ، Ernster's citation  و سنة 1908، مع كلوديوس ريجود ، اقترح أنها فيها بروتينات و دهون.  سنة  1912، قام بنيامين ف. كينجزبيرى بربطها لأول مرة بتنفس الخلايا، لكن بشكل حصرى تقريبى استناد للملاحظات المورفولوجية.  سنة  1913،  أوتو هاينريش فاربورغ ربط عملية التنفس بالجسيمات اللى حصل عليها من مستخلصات كبد خنزير جينيا اللى سماها اسم "جرانا". اختلف واربورج هاينريش فيلاند ، اللى افترضا كمان وجود آلية جزيئية مماثلة، حول الطبيعة الكيميائية للتنفس. ولم يتم وصف السلسلة التنفسية إلا  سنة  1925،  لما اكتشف ديفيد كيلين السيتوكرومات .

التجارب اللى اتعملت  باستخدام خلايا العضلات المفرومة   سنة  1939، أظهرت أن التنفس الخلوى باستخدام جزيء أكسجين واحد ممكن يشكل  4  جزيئات من أدينوسين ثلاثى الفوسفات (ATP)، و سنة 1941، تم تطوير مفهوم الروابط الفوسفاتية لـ ATP باعتبارها شكل من أشكال الطاقة فى التمثيل الغذائى الخلوى بفريتس ليبمان . فى السنين  اللى بعد كده ، تم تطوير الآلية بعد التنفس الخلوى بشكل اكبر،  رغم عدم معرفة ارتباطها بالميتوكوندريا. سمح تقديم تقسيم الأنسجة بألبرت كلود بعزل الميتوكوندريا عن أجزاء الخلايا التانيه و إجراء التحليل الكيميائى الحيوى عليها وحدها. و سنة 1946، خلص لأن أكسيديز السيتوكروم وغيره من الإنزيمات المسؤولة عن السلسلة التنفسية كانت معزولة فى الميتوكوندريا. اكتشف يوجين كينيدى وألبرت لينينجر  سنة  1948 أن الميتوكوندريا هيا موقع الفسفرة التأكسدية فى حقيقيات النوى. مع مرور الوقت، تم تطوير طريقة التجزئة بشكل اكبر،و ده اتسبب فى تحسين جودة الميتوكوندريا المعزولة، وتم تحديد عناصر تانيه من تنفس الخلايا تحدث فى الميتوكوندريا.

فيليب سيكيفيتز  صاغ المصطلح الشائع "محطة توليد الطاقة للخلية"  سنة 1957.  سنة  1967، تم اكتشاف أن الميتوكوندريا فيها الريبوسومات .  سنة  1968، تم تطوير طرق لرسم خرائط الجينات الميتوكوندريا، وخلص الخريطة الجينية والفيزيائية للحمض النووى للميتوكوندريا فى الخميرة  سنة  1976. فى نوفمبر 2024، اكتشف باحثون من امريكا أن الميتوكوندريا تنقسم لشكلين متميزين  لما يتم تجويع الخلايا، وده ممكن يساعد فى تفسير ووصف كيفية ازدهار السرطان فى ظروف معادية.

 مصادر 

 لينكات برانيه 


 Powering the Cell Mitochondria  – XVIVO Scientific Animation
 Mitodb.com  – The mitochondrial disease database.
 Mitochondria Atlas  at جامعة ماينتس
 Mitochondria Research Portal at mitochondrial.net
 Mitochondria: Architecture dictates function at cytochemistry.net
 Mitochondria links at جامعة الاباما
 MIP  Mitochondrial Physiology Society
 3D structures of proteins from inner mitochondrial membrane  at University of Michigan
 3D structures of proteins associated with outer mitochondrial membrane  at University of Michigan
 Mitochondrial Protein Partnership at University of Wisconsin
 MitoMiner – A mitochondrial proteomics database at MRC Mitochondrial Biology Unit
 Mitochondrion – Cell Centered Database 
 Mitochondrion Reconstructed by Electron Tomography  at San Diego State University
 Video Clip of Rat-liver Mitochondrion from Cryo-electron Tomography

ميتوكوندريا