Ty thể

Sinh học tế bào
Thành phần tế bào động vật điển hình: Nhân con Nhân tế bào Ribosome (những chấm nhỏ) Túi Lưới nội chất hạt Bộ máy Golgi Khung xương tế bào Lưới nội chất trơn Ty thể Không bào Bào tương (dịch lỏng chứa các bào quan, nằm trong tế bào chất) Lysosome Trung thể Màng tế bào
Thành phần ty thể điển hình 1 Màng ngoài 1.1 Porin 2 Xoang gian màng 2.1 Xoang nội mào 2.2 Xoang ngoại vi 3 Phiến chất nền 3.1 Màng trong 3.11 Màng biên trong 3.12 Màng mào 3.2 Chất nền 3.3 Mào 4 DNA ty thể 5 Hạt chất nền 6 Ribosome 7 ATP synthase

Ty thể (tiếng Anh: mitochondrion, số nhiều: mitochondria) là một bào quan với màng kép và hiện diện ở tất cả sinh vật nhân thực. Tuy vậy, vẫn có một số tế bào ở các sinh vật đa bào thiếu đi bào quan này (chẳng hạn như tế bào hồng cầu). Một vài sinh vật đơn bào (như Microsporidia, Parabasalia, Diplomonadida) cũng tiêu giảm hoặc biến đổi ty thể của chúng thành những cấu trúc khác. Đến nay, duy chỉ có sinh vật nhân thực chi Monocercomonoides là được biết đã hoàn toàn mất đi ty thể. Trong tiếng Anh, từ mitochondrion bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp μίτος, mitos, nghĩa là "sợi" và χονδρίον, chondrion, nghĩa là "hạt". Ty thể giúp tạo ra phần lớn loại phân tử cao năng là adenosine triphosphate (ATP), một nguồn năng lượng hóa học cung cấp cho hầu hết các hoạt động của tế bào. Chính vì vậy, ty thể còn được gọi là "nhà máy năng lượng của tế bào".

Đường kính ty thể thông thường dao động từ 0,75 đến 3 μm, nhưng giữa các ty thể lại khác biệt đáng kể về kích thước và cấu trúc. Trừ khi được nhuộm với thuốc nhuộm đặc hiệu, bình thường chúng ta không thể quan sát được bào quan này. Bên cạnh chức năng cung cấp năng lượng cho tế bào, ty thể còn tham gia vào những vai trò quan trọng khác, như truyền nhận tín hiệu, biệt hóa tế bào và chết rụng tế bào, cũng như duy trì việc kiểm soát chu kỳ tế bào và sinh trưởng tế bào. Những chức năng này được phối hợp một phần bởi quá trình tăng sinh ty thể. Ngoài ra, ty thể còn liên quan đến một số bệnh lý ở người, bao gồm rối loạn ty thể, rối loạn chức năng tim mạch, suy tim và tự kỷ.

Số lượng ty thể trong mỗi tế bào có thể biến động mạnh mẽ tùy thuộc vào từng cơ thể sống, loại mô và loại tế bào. Thí dụ, trong khi tế bào hồng cầu không có ty thể nào, thì tế bào gan lại có thể có hơn 2000 ty thể. Ty thể được cấu trúc thành các ngăn hay các phần riêng biệt nhằm đảm nhận những chức năng chuyên hóa khác nhau. Các cấu thành hay được nhắc đến của ty thể bao gồm màng ngoài, xoang gian màng, màng trong, mào và chất nền.

Mặc dù phần lớn DNA tế bào nằm trong nhân, bào quan ty thể vẫn sở hữu một hệ gen độc lập – gần như tương tự hệ gen vi khuẩn. Giống như số lượng, protein ty thể cũng biến động giữa các loại mô và các loài sinh học khác nhau. Ở người, 615 dạng protein khác nhau đã được xác định từ ty thể của tim, còn ở chuột, con số này là 940 protein.Hệ protein ty thể được cho rằng có khả năng điều hòa cân bằng động.

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.

Nguồn gốc và con đường tiến hóa

Hiện nay có hai giả thuyết về nguồn gốc ty thể: nội cộng sinh và tự sinh. Những đề xuất từ giả thuyết nội cộng sinh cho rằng ty thể từng là tế bào nhân sơ nguyên thủy, có khả năng thực hiện những cơ chế oxy hóa mà tế bào nhân thực không thể thực thi được; và sau đó chúng trở thành các tế bào nội cộng sinh (endosymbiont) sinh sống trong các tổ chức nhân thực. Còn về giả thuyết tự sinh, người ta cho rằng ty thể sinh ra từ việc chẻ tách một phần DNA của nhân tế bào nhân thực tại thời điểm tiến hóa phân hướng khỏi sinh vật nhân sơ; phần DNA này có thể được bọc bởi những lớp màng không bị protein pha tạp. Nhưng càng ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy ty thể mang nhiều đặc tính chung với vi khuẩn, do đó dẫn đến việc chấp nhận rộng rãi giả thuyết nội cộng sinh.

Mỗi ty thể chứa trong mình vật chất di truyền DNA, gọi là nhiễm sắc thể dạng vòng, được nhân thành một số bản sao từ một phân tử độc nhất. Nhiễm sắc thể ty thể mang các gen quy định protein oxy hóa khử, ví dụ như các enzyme tham gia chuỗi chuyền điện tử hô hấp. Giả thuyết CoRR cho rằng sự đồng định vị này (tức việc những phân tử di truyền định vị trong cùng không gian với các sản phẩm của chính nó) là định chế bắt buộc nhằm điều hòa hoạt động oxy hóa khử trong bào quan. Hệ gen ty thể mã hóa cho một số RNA cấu thành nên ribosome, và 22 loại tRNA cần thiết cho quá trình phiên mã RNA thông tin thành protein. Cấu trúc dạng vòng này cũng có mặt ở sinh vật nhân sơ. Có lẽ vì vậy mà nguyên ty thể (proto-mitochondrion) có thể có mối liên hệ khăng khít với chi Rickettsia. Tuy nhiên, thực chất thì tổ tiên ty thể lại có quan hệ mật thiết với lớp Alphaproteobacteria, và người ta đặt ra nghi vấn liệu rằng ty thể được hình thành song hành hay tiếp sau sự xuất hiện của nhân tế bào, vấn đề này vẫn còn trong vòng tranh cãi.

Một nghiên cứu mới đây từ những nhà nghiên cứu thuộc Viện Đại học Hawaii tại Manoa và Đại học Tiểu bang Oregon chỉ ra nhánh SAR11 (bộ Pelagibacterales thuộc lớp Alphaproteobacteria) của vi khuẩn khả năng có chung tổ tiên tương đối gần đây với những ty thể hiện tồn ở hầu hết tế bào nhân thực.

DNA ty thể mã hóa tổng hợp nên những ribosome ty thể, tương tự ribosome vi khuẩn về kích thước và cấu trúc. Nhóm ribosome này giống nhất với ribosome 70S của vi khuẩn và không thuộc nhóm ribosome 80S trôi nổi ngoài tế bào chất do DNA nhân mã hóa.

Mối quan hệ nội cộng sinh giữa ty thể với tế bào chủ chứa chúng theo Lynn Margulis là vô cùng phổ biến.Thuyết nội cộng sinh đề xuất rằng ty thể là hậu duệ vi khuẩn, và bằng cách nào đó nó đã sống sót qua quá trình nhập bào đến một tế bào khác, rồi dần dần hòa hợp vào nguyên sinh chất tế bào đó. Khả năng những dạng vi khuẩn này đã chu toàn tiến trình hô hấp hiếu khí trong tế bào chủ chứa chúng, lúc mà tế bào chủ chỉ sống dựa vào quá trình đường phân và lên men có hiệu suất năng lượng kém, từ đó tạo ra một lợi thế tiến hóa đáng kể. Quan hệ nội cộng sinh này có thể đã phát triển từ 1,7 đến 2 tỷ năm về trước.

Một vài nhóm sinh vật nhân thực đơn bào chỉ còn lại dạng ty thể tiêu giảm hay sót lại những cấu trúc dẫn xuất, ví dụ: ngành Microsporidia, ngành Metamonad và lớp Archamoebae. Các nhóm này thuộc về những sinh vật nhân thực nguyên thủy nhất nằm trên cây phát sinh chủng loại xây dựng từ thông tin rRNA, và người ta từng cho rằng chúng có mặt trước cả lúc ty thể bắt đầu xuất hiện. Tuy nhiên, ngày nay các nhà khoa học cho đây chỉ là hệ quả từ lỗi hấp dẫn nhánh dài (long branch attraction) trong phát sinh học. Thực chất chúng lại là những nhóm sinh vật dẫn xuất và giữ lại các gen hay bào quan nguồn gốc từ ty thể (ví dụ: mitosome và hydrogenosome).

Chi Monocercomonoides dường như đã hoàn toàn mất đi ty thể và hiện tại chỉ còn lại một ít chức năng ty thể có khả năng do những protein tế bào chất đảm nhận.

Cấu trúc

Siêu cấu trúc ty thể (hình tương tác) Ty thể có một lớp màng kép; trong đó màng trong chứa đựng những bộ máy hóa thẩm và cấu tạo gấp nếp thành những rãnh sâu giúp gia tăng diện tích bề mặt. Bình thường ty thể được miêu tả như "một chiếc xúc xích cam lỏng chỏng bọng nước bên trong" (tựa như hình trên), thực tế thì bào quan này lại tồn tại dưới nhiều hình dạng khác nhau và xoang gian màng của chúng cũng tương đối mỏng.

Mỗi ty thể đều có màng ngoài và màng trong cấu tạo từ lớp phospholipid kép cùng protein. Mỗi lớp màng lại có những đặc tính khác nhau. Nguyên do phương cách tổ chức cấu trúc theo hệ màng kép, ty thể được phân thành 5 bộ phận tách biệt. Bao gồm:

1. màng ty thể ngoài
2. xoang gian màng (khoảng không gian giữa màng ngoài và màng trong)
3. màng ty thể trong
4. xoang mào (tạo thành từ sự gấp nếp màng trong), và
5. chất nền (không gian bên trong màng trong)

Ty thể nào bị tước đi màng ngoài thì gọi là mitoplast.

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 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 acid 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 calci 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.

Màng trong

Màng ty thể trong chứa nhiều loại protein, chia thành 5 nhóm sau theo chức năng từng loại:

1. Nhóm tham gia những phản ứng oxy hóa khử thuộc quá trình phosphoryl hóa oxy hóa
2. Phức hệ ATP synthase, đảm nhận vai trò sản sinh ATP trong chất nền
3. Nhóm protein vận chuyển đặc hiệu, điều hòa hoạt động chuyển tiếp chất chuyển hóa vào trong và rời khỏi chất nền
4. Bộ máy nhập dẫn protein
5. Nhóm protein tham gia dung hợp và phân đôi ty thể

Màng trong mang hơn 151 loại polypeptide khác nhau, và có tỷ lệ rất cao protein trên phospholipid (hơn 3:1 về mặt khối lượng, nghĩa là cứ khoảng 1 protein thì tương đương với 15 phân tử phospholipid). Màng trong cũng là bộ phận chiếm giữ xấp xỉ 1/5 tổng lượng protein ở ty thể. Ngoài ra, màng còn là nơi tích lũy đậm đặc một dạng phospholipid hiếm gặp, cardiolipin. Phân tử phospholipid này ban đầu được phát hiện trong tim bò năm 1942, và sự có mặt của cardiolipin thường là một đặc trưng của màng sinh chất ty thể và vi khuẩn. Cardiolipin cấu tạo từ bốn axit béo thay vì hai như thông thường, và có thể điều này đã khiến cho màng trong trở nên không thấm. Không như màng ngoài, màng trong lại không có các porin và mang đặc tính không thấm cao đối với mọi phân tử muốn chuyển vận xuyên màng. Hầu hết tất cả ion và phân tử đều phải nhờ một hệ vận chuyển qua màng đặc hiệu mới có thể đi vào hay ra khỏi chất nền. Riêng những protein phải được chuyên chở thông qua phức hệ translocase màng trong (translocase of the inner membrane, TIM) hay qua Oxa1. Bên cạnh đó, một điện thế màng cũng xuất hiện hai bên màng trong do những tác động từ các enzyme thuộc chuỗi chuyền điện tử.

Mào

Màng ty thể trong được gấp nếp lấn sâu vào chất nền tạo thành nhiều mấu lồi dạng răng lược gọi là mào (cristae, số ít: crista), giúp màng trong mở rộng diện tích bề mặt, nâng cao khả năng sản xuất ATP. Đối với ty thể tế bào gan điển hình, diện tích màng trong lớn gấp 5 lần màng ngoài. Tỷ lệ này cũng biến thiên đa dạng, và đối với những ty thể trong các tế bào có nhu cầu năng lượng ATP cao như tế bào cơ thì chúng lại gấp nếp mạnh mẽ tạo nên nhiều mào hơn. Những nếp màng này được khảm bằng hàng loạt thể cầu nhỏ, gọi là hạt F₁ hay oxysome. Đây không hẳn là những nếp gấp đơn giản tạo ra khi màng trong lõm vào chất nền, mà chúng còn có khả năng tác động đến tổng thể chức năng hóa thẩm thấu.

Một nghiên cứu mô phỏng toán học gần đây đề xuất rằng những đặc tính quang học của mào trong ty thể dạng sợi có thể ảnh hưởng đến sự phát sinh và lan truyền ánh sáng trong mô.

Chất nền

Chất nền là không gian bao bởi màng trong. Chứa đựng khoảng 2/3 tổng lượng protein ở ty thể. Chất nền có vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất ATP thông qua hệ thống phức hợp ATP synthase đặt tại màng trong. Đây là nơi đặc trưng bởi nồng độ cao của hỗn hợp hàng trăm enzyme, nhiều ribosome ty thể, tRNA và một số bản sao từ hệ gen DNA ty thể. Hoạt động chính của những enzyme chất nền là oxy hóa pyruvate và axit béo, cũng như tham gia chu trình axit citric.

Ty thể sở hữu vật chất di truyền của riêng chúng, và là bộ máy cấu tạo nên hệ RNA và protein riêng ty thể (xem: sinh tổng hợp protein). Người ta cho biết một trình tự DNA ty thể ở người được công bố chứa đến 16.569 cặp base mã hóa trong 37 gen, gồm: 22 gen tRNA, 2 gen rRNA và 13 gen peptide. Ở người, 13 loại peptide ty thể này khảm vào lớp màng trong, cùng với những protein mã hóa bởi những gen trong nhân tế bào chủ.

Màng ER liên hợp ty thể (MAM)

Màng lưới nội chất liên hợp ty thể hay màng ER liên hợp ty thể (mitochondria-associated ER membrane, MAM) là thành phần cấu trúc ngày càng được công nhận rộng rãi về vai trò quan trọng của nó trong sinh lý học tế bào và cân bằng nội môi. Từng bị coi là một trở ngại kỹ thuật trong công nghệ phân đoạn tế bào, vì những túi ER pha tạp này khi đó sẽ gây tập nhiễm khi thực hiện phân đoạn tế bào, thì nay được tái xác nhận là một cấu trúc màng bao nguồn gốc từ hệ MAM—phần trung gian chuyển tiếp giữa ty thể và lưới nội chất (ER). Người ta từng quan sát mối liên thông vật lý giữa hai bào quan đây trong những ảnh vi ký điện tử và gần đây với những ảnh chụp hiển vi huỳnh quang. Những nghiên cứu này ước lượng màng ngoài ty thể có khả năng chiếm đến 20% trong tổng cấu trúc MAM, trong đó ER cùng ty thể bị phân cách một khoảng từ 10–25 nm và kết gặp với nhau thông qua những phức hệ buộc nối protein.

Tinh chế MAM từ quá trình phân đoạn hạ tế bào đã cho thấy cấu trúc này có vai trò làm giàu các enzyme tham gia những phản ứng biến chuyển phospholipid, bên cạnh đó còn là những kênh hoạt động tương giao với tín hiệu Ca²⁺. Các dấu hiệu trên đã chứng minh MAM có một vai trò nổi bật trong việc điều hòa hoạt động lưu trữ lipid tế bào và dẫn truyền tín hiệu, kèm với những tất suy ý nghĩa cho hiện tượng liên hợp ty thể của tế bào, như đoạn trình bày sau đây. MAM không chỉ cung cấp cách nhìn sâu sắc đến những nền tảng cơ học cơ sở như các quá trình sinh lý trong tiến trình tự chết của tế bào cũng như hoạt động truyền dẫn tín hiệu calci, mà nó còn phác ra một góc nhìn tinh tế hơn về bào quan ty thể. Dù thường bị xem là tĩnh tại, "nhà máy năng lượng" cô lập này lại đoạt chiếm hoạt động chuyển hóa của tế bào qua một sự kiện nội cộng sinh nguyên thủy, do vậy con đường tiến hóa của MAM phải gạch ra những giới hạn để ty thể được phép tích hợp hòa hợp vào tổng thể quá trình sinh lý tế bào, kèm theo những khớp buộc vật lý và nhập hòa chức năng với hệ thống nội màng.

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 calci

Vai trò then chốt của ER trong phát xuất tín hiệu calci 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 "điểm phình 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 điểm phình 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 điểm phình, 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 điểm phình 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 calci 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 điểm phình 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.

Pyruvate và chu trình axit citric

Những phân tử pyruvate sinh ra từ quá trình đường phân được vận chuyển chủ động xuyên qua màng ty thể trong và chuyển đến chất nền, nơi chúng có thể tiếp tục bị oxy hóa và hóa hợp với coenzyme A hình thành nên CO₂, acetyl-CoA và NADH; hoặc bị carboxyl hóa (bằng enzyme pyruvate carboxylase) tạo ra oxaloaxetat. Chính phản ứng carboxyl này sẽ giúp gia tăng hàm lượng oxaloacetate trong chu trình axit citric, vì vậy nó thuộc loại phản ứng bổ sung (anaplerotic reaction), tăng cường hiệu suất chu trình để chuyển hóa mạnh hơn acetyl-CoA khi nhu cầu năng lượng của mô (như trong cơ) bật cao đột ngột đang lúc hoạt động.

Trong chu trình axit citric, tất cả những chất trung gian (ví dụ: citrate, iso-citrate, alpha-ketoglutarate, succinate, fumarate, malate và oxaloacetate) được tái sinh trong suốt mỗi vòng chu trình. Khi bổ sung nhiều hơn bất kỳ chất nào trong số các chất trung gian trên vào ty thể đều dẫn đến hiện tượng hàm lượng bổ sung chất đó vẫn không mất đi trong chu trình, mà còn làm tăng cao nồng độ những chất trung gian khác một khi nó bị chuyển hóa thành các sản phẩm nối tiếp sau đó. Do vậy, việc thêm vào bất kỳ chất nào trong số chúng đến chu trình sẽ gây ra một hiệu ứng bổ sung (anaplerotic effect), và ngược lại là hiệu ứng rút bỏ (cataplerotic effect). Những phản ứng bổ sung và rút bỏ này sẽ làm tăng hoặc giảm hàm lượng oxaloacetate sẵn có để hóa hợp với acetyl-CoA hình thành nên axit citric trong suốt lộ trình chu trình. Các sự kiện trên tạo nên những biến chuyển tăng cường hoặc hạ thấp cường độ sản xuất ATP trong ty thể, cũng như ảnh hưởng đến nguồn cung sẵn có ATP cho tế bào.

Mặt khác, acetyl-CoA dù cho sinh ra từ quá trình oxy hóa pyruvate hay từ tiến trình beta-oxy hóa axit béo cũng đều là nhiên liệu duy nhất nhập vào chu trình axit citric. Với mỗi vòng chu trình, một phân tử acetyl-CoA sẽ hóa hợp vào bất kỳ phân tử oxaloacetate nào đang hiện diện tại chất nền ty thể, và không bao giờ được tái sinh trở lại. Đó chính là quá trình oxy hóa phần acetate của acetyl-CoA, tạo ra CO₂ và nước, kèm theo năng lượng phát thải dưới dạng ATP.

Trong gan, sự carboxyl hóa pyruvate bào tương thành oxaloacetate nội ty thể là bước khởi đầu của con đường tân tạo glucose (gluconeogenic pathway), để rồi sau đó chuyển hóa thành lactate và alanine dạng khử amine hóa thành glucose, tiến trình này chịu ảnh hưởng bởi nồng độ cao glucagon và/hoặc adrenalin trong máu. Lúc này đây, sự thêm vào oxaloacetate đến ty thể không còn gây ra một hiệu ứng bổ sung rõ rệt nữa, trong khi một chất trung gian khác của chu trình axit citric là malate thì lại lập tức loại đi khỏi ty thể để chuyển về dạng oxaloacetate bào tương, dẫn đến hệ quả cuối cùng là trở thành glucose, một quá trình hầu như hoàn toàn đảo ngược so với đường phân.

Những enzyme thuộc chu trình axit citric đắm chìm trong chất nền ty thể, trừ ngoại lệ enzyme succinate dehydrogenase lại khảm quanh màng ty thể trong vì nó là một bộ phận của Phức hệ II (Complex II). Chu trình axit citric oxy hóa acetyl-CoA thành cacbon dioxide, và tạo nên những cofactor dạng khử (3 phân tử NADH và 1 phân tử FADH₂), đây là nguồn electron dồi dào cung cấp cho chuỗi chuyền điện tử; cùng với một phân tử GTP (dễ dàng chuyển hóa thành ATP).

NADH và FADH₂: chuỗi chuyền điện tử

Năng lượng oxy hóa từ NADH và FADH₂ được chuyển đến oxy (O₂) thông qua một vài giai đoạn thuộc chuỗi chuyền điện tử. Các phân tử giàu năng lượng này sản sinh tại chất nền từ chu trình axit citric và một phần đến từ quá trình đường phân tại tế bào chất. Đương lượng khử từ tế bào chất có khả năng được nhập cảng thông qua hệ thống con thoi malate-aspartate thuộc nhóm protein đối chuyển, hay chuyển vào chuỗi chuyền điện tử bằng cách sử dụng con thoi glycerol phosphate. Những phức hệ protein tại màng trong (NADH dehydrogenase (ubiquinone), cytochrome c reductase và cytochrome c oxidase) đảm nhận khả năng truyền dẫn và gia tăng giải phóng năng lượng bằng việc bơm proton (H⁺) xuất ra xoang gian màng. Tổng thể năng suất quá trình là hiệu quả, nhưng một lượng nhỏ electron có thể sớm khử oxy, tạo nên những chủng chất hoạt động có oxy (reactive oxygen species) như superoxit. Hiện tượng này có thể gây ra căng thẳng oxy hóa trong ty thể và góp phần suy giảm chức năng ty thể cũng như dẫn đến lão hóa.

Khi tăng nồng độ proton trong xoang gian màng, một gradient điện hóa mạnh được thiết lập hai bên màng trong. Các proton có thể trở về chất nền thông qua phức hệ ATP synthase, và chính năng lượng thế năng này sẽ giúp tổng hợp ATP từ ADP và phosphate vô cơ (P_i). Quá trình này được gọi là hóa thẩm thấu (chemiosmosis), do nhà khoa học Peter Mitchell lần đầu tiên phát hiện, ông đã đoạt Giải Nobel hóa học 1978 cho chính khám phá này. Sau này, một phần Giải Nobel hóa học 1997 trao cho Paul D. Boyer và John E. Walker qua những cống hiến của về việc giải mã cơ chế hoạt động ATP synthase.

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 calci

Nồng độ calci 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 calci nhanh chóng, đảm bảo cân bằng nội môi hàm lượng calci trong tế bào. Trên thực tế, khả năng chiếm lấy nhanh nhạy calci dự trữ cho lần giải phóng lát sau khiến chúng trở thành "bộ đệm bào tương" rất tốt cho calci. Lưới nội chất (endoplasmic reticulum, ER) là khu vực lưu trữ calci quan trọng nhất, và cùng với ty thể tạo nên mối tương tác sâu rộng về hoạt động trao đổi calci. Các ion calci phiêu bạt được di lý đến chất nền với sự giúp đỡ của protein đơn chuyển calci 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 calci trở về không gian nội bào có thể thực hiện thông qua protein trao đổi natri-calci hay qua con đường giải phóng calci cảm ứng calci (calcium-induced calcium release). Sự kiện này có thể khơi mào phát xuất những ghim bắn hay cơn sóng calci 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 calci 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 calci 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.

Những chức năng khác

Ty thể còn đóng vai trò trung tâm trong nhiều tiến trình trao đổi chất khác, ví dụ:

• Phát xuất tín hiệu thông qua chủng chất hoạt động có oxy của ty thể
• Điều hòa điện thế màng
• Chết rụng tế bào-tế bào tự chết theo chương trình
• Truyền dẫn tín hiệu calci (bao gồm sự chết rụng tế bào khởi kích calci)
• Điều hòa trao đổi chất tế bào
• Tham gia một số phản ứng tổng hợp heme(xem thêm: porphyrin)
• Tổng hợp steroid
• Truyền dẫn tín hiệu hormone. Ty thể là bào quan nhạy cảm và đáp ứng mẫn cảm với kích thích của hormone, một phần là do tác động của những thụ quan estrogen ty thể (mitochondrial estrogen receptors, mtERs). Người ta tìm thấy những thụ quan này có mặt trong nhiều loại tế bào và mô khác nhau, cả ở não lẫn tim.

Một vài chức năng của ty thể chỉ hiện diện ở một số loại tế bào đặc biệt. Thí dụ, ty thể tế bào gan chứa các enzyme cho phép thực hiện giải độc amonia, là sản phẩm thải từ con đường chuyển hóa protein. Mỗi một đột biến trong điều hòa biểu hiện gen quy định các chức năng trên đều có thể dẫn đến hậu quả gây ra các bệnh lý ty thể.

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.

Hệ gen

Ty thể có chứa hệ gen của riêng chúng, gọi là DNA ty thể (mitochondrial DNA), viết tắt mtDNA; một dấu hiệu cho thấy bào quan này có nguồn gốc từ vi khuẩn thông qua hiện tượng nội cộng sinh (xem Nguồn gốc và con đường tiến hóa ở trên). Tuy nhiên, hệ gen nội cộng sinh tổ tiên của chúng đã mất đi phần lớn các gen, dẫn đến hệ gen ty thể hiện nay là một trong những hệ gen thoái hóa mạnh nhất khi tính trên cấp độ sinh vật.

Hệ gen ty thể người là một phân tử DNA vòng mang khoảng 16 kilobase. Thông tin di truyền tập hợp trong 37 gen: 13 mã hóa các tiểu đơn vị thuộc những phức hệ hô hấp I, III, IV và V; 22 mã hóa tRNA ty thể (gồm 20 loại tRNA tham gia vận chuyển 20 loại amino acid tiêu chuẩn, cộng với một gen bổ sung mã hóa leucine và serine) và 2 mã hóa rRNA. Mỗi một ty thể có thể chứa từ 2 đến 10 bản sao DNA phát sinh từ phân tử gốc.

Trong khi ở sinh vật nhân sơ, hiện diện một tỷ lệ rất cao DNA mã hóa và vắng đi những đoạn lặp lại. Các gen ty thể được phiên mã theo phương thức phiên mã đa gen (multigenic transcript), sau đó bị cắt nối và bổ sung đuôi poly(A) nhằm hoàn thiện tạo nên mRNA trưởng thành. Không phải tất cả protein cần cho chức năng ty thể đều mã hóa bởi hệ gen ty thể; thực chất phần lớn trong số chúng lại do gen nhân tế bào mã hóa và nhập cảng vào bào quan. Con số chính xác những gen mã hóa thuộc hệ gen nhân và ty thể khác nhau tùy vào từng loài. Hầu hết hệ gen ty thể đều là dạng vòng, ngoại trừ một số ngoại lệ. Chung quy lại, DNA ty thể thiếu sót các intron, như trường hợp hệ gen ty thể con người; tuy một vài intron từng được tìm thấy trong số ít DNA ty thể nhân thực, ví dụ nấm men và sinh vật nguyên sinh, như loài Dictyostelium discoideum. Giữa những vùng mã hóa protein có mặt các phân tử tRNA. Trong suốt quá trình phiên mã, tRNA đạt được hoạt tính cấu dạng L (L-shape) để các enzyme đặc hiệu có thể nhận diện và cắt nối. Gen tRNA ty thể có những đoạn trình tự khác biệt so với tRNA nhân nhưng lại có vẻ giống với tRNA ty thể tìm thấy trong các nhiễm sắc thể nhân với mật độ tương đồng trình tự cao.

Ở động vật, hệ gen ty thể thường là một nhiễm sắc thể vòng đơn đặc trưng, dài xấp xỉ 16 kb và chứa 37 gen. Các gen được bảo tồn tốt có thể sắp xếp đa dạng ở nhiều vị trí. Kỳ lạ thay, mô hình này lại không thể tìm thấy ở loài rận thân thể người (human body louse, Pediculus humanus). Thay vào đó, hệ gen ty thể của nó được phân bổ thành 18 nhiễm sắc thể vòng nhỏ (minicircular chromosome), mỗi một phân tử dài khoảng 3–4 kb và chỉ mang 1 đến 3 gen. Mô hình dẫn xuất này cũng có mặt trong những loài rận hút (sucking louse) khác, nhưng lại không có ở rận nhai (chewing louse). Người ta cũng quan sát thấy quá trình tái tổ hợp diễn ra giữa các nhiễm sắc thể nhỏ. Nguyên nhân chính xác của sự khác biệt này vẫn chưa thể hiểu rõ.

Hệ thống mã di truyền thay thế

Ngoài những biến thể nhẹ của bộ mã di truyền tiêu chuẩn đã dự đoán từ trước, người ta không còn phát hiện thêm bất kì mã nào cho đến năm 1979, khi những nghiên cứu trên các gen ty thể người cho rằng chúng có sử dụng một bộ mã thay thế. Tuy vậy, ty thể của nhiều sinh vật nhân thực khác, bao gồm hầu hết thực vật, vẫn sử dụng hệ thống mã di truyền tiêu chuẩn. Từ đó trở đi, nhiều biến thể nhỏ của bộ mã tiếp tục được phát hiện, gồm cả những mã thay thế trong ty thể. Thêm nữa, ba codon AUA, AUC và AUU đều là các codon mở đầu.

Một vài sai khác trên được coi là giả thay đổi trong bộ mã di truyền do hiện tượng chỉnh sửa RNA, xảy ra phổ biến trong ty thể. Ở thực vật bậc cao, người ta nghĩ rằng CGG mã hóa cho tryptophan, không phải arginine; tuy nhiên, codon phát hiện trên RNA sau tinh sửa lại là UGG, phù hợp với hệ thống mã di truyền tiêu chuẩn trong mã hóa tryptophan. Đáng chú ý là hệ mã di truyền ty thể động vật chân đốt đã trải qua sự kiện tiến hóa song hành nội ngành, dẫn đến vẫn tồn tại một vài sinh vật duy nhất dịch mã AGG ra lysine.

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 cyanide, 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.

Nghiên cứu di truyền quần thể

Việc DNA ty thể gần như không xảy ra sự tái tổ hợp di truyền khiến nó trở thành một nguồn thông tin hữu ích cho các nhà khoa học nghiên cứu về di truyền học quần thể và sinh học tiến hóa. Vì tất cả DNA ty thể đều di truyền ở dạng phân tử đơn, hay haplotype, nên chúng ta có thể trực quan hóa mối quan hệ DNA ty thể giữa những cá thể khác nhau thành một cây gen (cây phát sinh chủng loại). Những hình mẫu của cây gen có thể được sử dụng để suy luận lịch sử tiến hóa quần thể. Ví dụ điển hình là khi ta áp dụng điều này trong di truyền học tiến hóa loài người, bằng cách sử dụng phương pháp đồng hồ phân tử để xác định thời gian tồn tại tổ tiên Eve ty thể gần nhất. Người ta thường cho rằng suy luận này ủng hộ mạnh mẽ đối với quá trình mở rộng lãnh thổ khỏi châu Phi gần đây của loài người hiện đại. Một ví dụ khác cũng về con người là việc giải trình tự DNA ty thể từ xương người Neanderthal. Qua đó thấy được, khoảng cách tiến hóa tương đối lớn giữa các trình tự DNA ty thể của người Neanderthal và người hiện đại là minh chứng cho sự thiếu đi hoạt động giao phối giữa hai loài người trên.

Tuy vậy, DNA ty thể chỉ phản ánh lịch sử tiến hóa của giống cái trong quần thể và do đó không thể đại diện cho lịch sử tiến hóa quần thể chung của toàn bộ cá thể. Việc này có thể khắc phục bằng cách sử dụng những trình tự di truyền từ bố, ví dụ như vùng không tái tổ hợp trên nhiễm sắc thể Y. Còn ở một ngữ nghĩa tổng quát hơn, chỉ những nghiên cứu mà bao hàm cả DNA nhân mới có thể cung cấp cho chúng ta một lịch sử tiến hóa quần thể toàn diện.

Những đo đạc gần đây từ kỹ thuật đồng hồ phân tử trên DNA ty thể đã báo cáo cứ mỗi 7884 năm lại xuất hiện 1 đột biến, kể từ niên đại tồn tại tổ tiên chung gần nhất của loài người và vượn, điều này tương thích với tần số đột biến DNA nhiễm sắc thể thường (10⁻⁸ trên một base trên một thế hệ).

Rối loạn và bệnh lý

Bệnh lý ty thể

Sự rối loạn tổn thương và tiến triển trong bào quan ty thể là nhân tố quan trọng gây ra hàng loạt căn bệnh ở người, nguyên nhân là do những tác động của chúng đến quá trình trao đổi chất tế bào. Rối loạn ty thể thường thể hiện triệu chứng như một dạng rối loạn thần kinh, bao gồm tự kỷ. Rối loạn cũng có thể biểu hiện thành bệnh cơ, tiểu đường, nhiều bệnh nội tiết và một loạt các bệnh lý hệ thống khác. Đột biến mtDNA thì gây ra hội chứng Kearns–Sayre, hội chứng MELAS và bệnh teo thị thần kinh Leber. Trong hầu hết trường hợp, những bệnh này được di truyền từ mẹ sang con, khi mà hợp tử thu nhận ty thể và dẫn nhập mtDNA từ tế bào trứng. Những bệnh lý như hội chứng Kearns–Sayre, hội chứng Pearson và liệt mắt ngoại lai tuần tiến mạn tính được cho là khởi phát từ quá trình tái sắp xếp mtDNA quy mô lớn, trong khi những bệnh khác như hội chứng MELAS, teo thị thần kinh Leber, hội chứng động kinh giật cơ với sợi cơ không đều (myoclonic epilepsy with ragged red fibers, MERRF), v.v. lại xuất phát từ những đột biến điểm trên mtDNA.

Ở một số bệnh, các khiếm khuyết trên gen nhân là tác nhân dẫn đến rối loạn chức năng protein ty thể. Bao gồm các bệnh: mất điều hòa Friedreich (hay thất điều Friedreich), liệt hai chi dưới co cứng di truyền (hereditary spastic paraplegia) và bệnh Wilson. Những bệnh trên đều di truyền theo quan hệ tính trạng trội lặn, tương tự như phần lớn bệnh lý di truyền khác. Một loạt những rối loạn có thể gây ra từ các sản phẩm enzyme phosphoryl hóa oxy hóa sản sinh từ những đột biến tại nhân, ví dụ bệnh thiếu hụt coenzyme Q10 và hội chứng Barth. Những ảnh hưởng từ môi trường cũng có khả năng tương tác với các tố bẩm di truyền (hereditary predisposition) và khởi phát bệnh lý ty thể. Ví dụ, có thể có một mắc xích giữa việc phơi nhiễm thuốc trừ sâu và phát bệnh Parkinson sau đó. Những bệnh lý khác có căn nguyên từ sự rối loạn ty thể còn bao gồm: tâm thần phân liệt, rối loạn lưỡng cực, suy giảm trí nhớ, bệnh Alzheimer,bệnh Parkinson, động kinh, đột quỵ, bệnh tim mạch, hội chứng mệt mỏi mãn tính, viêm võng mạc sắc tố và đái tháo đường.

Căng thẳng oxy hóa trung gian qua ty thể là một tác nhân gây ra bệnh cơ tim ở bệnh nhân tiểu đường típ 2. Sự gia tăng dẫn truyền axit béo đến tim khiến cơ quan này phải tăng cường hấp thu các axit thông qua những tế bào cơ tim, dẫn đến hệ quả đẩy mạnh quá trình oxy hóa axit béo trong nhóm tế bào này. Tiến trình oxy hóa sẽ làm tăng hàm lượng đương lượng khử sẵn có để chu cấp cho chuỗi chuyền điện tử ở ty thể, và cuối cùng gây nên sự tăng sinh nồng độ các chủng chất hoạt động có oxy (reactive oxygen species, ROS). Tiếp theo, ROS sẽ khiến tăng lượng protein tách cặp (uncoupling protein, UCP) và đẩy mạnh rò rỉ proton qua những chất mang adenine nucleotide translocator (ANT). Các hoạt động tổ hợp trên khiến thoái biến thế năng màng ty thể và được gọi là hiện tượng tách cặp. Tiếp sau, sự tách cặp còn khiến ty thể tăng năng suất tiêu thụ oxy, làm tồi tệ thêm quá trình oxy hóa axit béo. Tạo ra một vòng tách cặp luẩn quẩn; hơn nữa, dù cho hiệu suất tiêu thụ oxy tăng cao, nhưng hoạt động sản xuất ATP lại không tăng lên tương xứng do ty thể đã bị tách cặp. Vì thế, lượng ATP khả dụng tiêu nhỏ là hậu quả tận cùng trong tiến trình thâm hụt năng lượng, biểu hiện qua sự suy biến chức năng tim và rối loạn khả năng co bóp. Nghiêm trọng hơn, các tiến trình trên còn khiến lưới cơ tương hư hỏng chức năng giải phóng calci và làm ty thể hạn chế khả năng đệm hấp những cao điểm nồng độ calci trong bào tương, một yếu tố quan trọng để truyền tải thông suốt tín hiệu ion khi co cơ. Sự sụt giảm nồng độ calci nội ty thể sẽ làm tăng kích hoạt các enzyme dehydrogenase và sinh tổng hợp ATP. Vì vậy, bên cạnh việc giảm sút do sự oxy hóa axit béo, hoạt động tổng hợp ATP còn bị suy yếu do nghèo hóa tín hiệu calci, gây ra những biến chứng tim mạch đối với bệnh nhân tiểu đường.

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

Hai cuốn tiểu thuyết khoa học viễn tưởng A Wind in the Door và Parasite Eve có những miêu tả hư cấu về bào quan ty thể, là thành tố chính của cốt truyện.

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.

Xem thêm

Tuyên bố chung

• Bài viết này có sử dụng các nguồn liệu từ Science Primer phát hành tại NCBI, vì đây là một tác phẩm của chính quyền liên bang Hoa Kỳ nên nó thuộc phạm vi công cộng [3].

Liên kết ngoài

Wikimedia Commons có thêm hình ảnh và phương tiện truyền tải về Ty thể.

• Ti thể tại Từ điển bách khoa Việt Nam
• Mitochondrion (biology) tại Encyclopædia Britannica (tiếng Anh)
• Mitodb.com – Cơ sở dữ liệu bệnh lý ty thể.
• Mitochondria Atlas tại Viện Đại học Mainz
• Mitochondria Research Portal tại mitochondrial.net
• Mitochondria: Architecture dictates function tại cytochemistry.net
• MIP Hội Sinh lý học Ty thể (Mitochondrial Physiology Society)
• Cấu trúc 3D các protein khảm trên màng ty thể trong tại Viện Đại học Michigan
• Cấu trúc 3D các protein liên hợp với màng ty thể ngoài tại Viện Đại học Michigan
• Mitochondrial Protein Partnership tại Viện Đại học Wisconsin
• MitoMiner – Một cơ sở dữ liệu proteomics về ty thể tại MRC Mitochondrial Biology Unit
• Ty thể – Cơ sở dữ liệu trung tâm về tế bào
• Tái cấu trúc ty thể bằng chụp cắt lớp điện tử tại Đại học Tiểu bang San Diego
• Video sinh động: Powering the Cell: Mitochondria – Hợp tác giữa Đại học Harvard và Công ty XVIVO