میتوکندری و زنجیره انتقال الکترون چیست؟

میتوکندری یک اندامک 2 غشایی است که در اکثر موجودات یوکاریوتی یافت می شود. میتوکندری بیشترین میزان تامین انرژی سلول از طریق ATP را بر عهده دارد. بنابراین به عنوان نیروگاه سلول ملقب شده است.

برخی سلول ها در برخی ارگانیسم های چند سلولی فاقد میتوکندری هستند (به عنوان مثال ، سلولهای قرمز خونی در پستانداران بالغ). تعدادی از ارگانیسم های تک سلولی مانند میکروسپوریدیا ، پاراباسالیدها و دیپلمونادها ، میتوکندری های خود را به ساختارهای دیگر کاهش داده یا تبدیل کرده اند. یک یوکاریوت ، Monocercomonoides ، شناخته شده است که میتوکندری خود را کاملا از دست داده است.

مساحت میتوکندری ها معمولاً بین 0.75 تا 3 میکرومتر مربع است اما از نظر اندازه و ساختار تفاوت قابل توجهی دارند و فقط با رنگ آمیزی های خاص قابل مشاهده اند. میتوکندری علاوه بر تأمین انرژی سلولی ، در کارهای دیگری مانند سیگنالینگ ، تمایز سلولی و مرگ سلول و همچنین حفظ کنترل چرخه سلولی و رشد آن نیز نقش دارد. بیوژنز میتوکندری به نوبه خود به طور موقت با این فرایندهای سلولی هماهنگ می شود. میتوکندری در چندین بیماری و اختلالات انسانی نقش دارد ، مانند اختلالات میتوکندری ، اختلال عملکرد قلب ، نارسایی قلبی و اوتیسم.

تعداد میتوکندری در یک سلول، بسته به نوع ارگانیسم ، بافت و نوع سلول می تواند بسیار متفاوت باشد. یک گلبول قرمز بالغ فاقد میتوکندری است ، در حالی که سلول کبدی می تواند بیش از 2000 میتوکندری باشد. میتوکندری از بخش هایی تشکیل شده است که عملکردهای خاصی را انجام می دهند. این محفظه ها یا مناطق شامل غشای خارجی ، فضای بین غشایی ، غشای داخلی ، کریستا و ماتریس است.

اگرچه بیشتر DNA سلول در هسته سلول وجود دارد اما میتوکندری دارای ژنوم خاص خود (“میتوژنوم”) است که کاملاً شبیه ژنوم باکتری است. پروتئین های میتوکندریایی (پروتئین های رونویسی شده از DNA میتوکندریایی) بسته به بافت و گونه متفاوت است. در انسان ، 615 نوع پروتئین مشخص از میتوکندری قلب شناسایی شده است ، در حالی که در موش صحرایی ، 940 پروتئین گزارش شده است. تصور می شود که پروتئوم میتوکندری به صورت پویا تنظیم می شود.

ساختار

میتوکندری ممکن است تعدادی از اشکال مختلفی داشته باشد. میتوکندری شامل غشاهای خارجی و داخلی متشکل از لایه های دوتایی فسفولیپیدی و پروتئین ها است. این دو غشا دارای خصوصیات مختلفی هستند. به دلیل ساختار دو غشایی ، پنج قسمت مجزا برای میتوکندری وجود دارد:

1. غشای میتوکندری خارجی ،
2. فضای بین غشایی (فضای بین غشاهای خارجی و داخلی) ،
3. غشای میتوکندری داخلی ،
4. فضای کریستا (که بوسیله گل انداختن غشای داخلی شکل گرفته است) ، و

5- ماتریس (فضای درون غشای داخلی).

میتوکندری که از غشای خارجی آنها برداشته شده است ، میتوپلاست نامیده می شود.

عملکرد

برجسته ترین نقش های میتوکندری تولید انرژی سلول ، ز طریق تنفس و تنظیم متابولیسم سلولی است. مجموعه اصلی واکنش های درگیر در تولید ATP در مجموع به عنوان چرخه اسید سیتریک یا چرخه کربس شناخته می شوند. با این حال ، میتوکندری علاوه بر تولید ATP نقش های دیگر بسیاری دارد.

زنجیره انتقال الکترون

زنجیره انتقال الکترون مجموعه‌ای از ترکیبات است که در آن از حاملین الکترون برای ایجاد یک گرادیان شیمیایی (chemical gradient) استفاده می‌شود. می‌توان از آن برای تقویت فسفوریلاسیون اکسیداتیو (oxidative phosphorylation) نیز استفاده کرد. مولکول‌های موجود در زنجیره شامل آنزیم‌هایی از جمله کمپلکس پروتئین (protein complex) یا پروتئین (proteins)، پپتید (peptides ) و موارد دیگر هستند.

مقادیر زیادی ATP را می‌توان از طریق یک روش بسیار کارآمد به نام فسفوریلاسیون اکسیداتیو (oxidative phosphorylation) تولید کرد. ATP یک واحد اساسی برای فرآیند متابولیک است. الکترون‌ها از دهنده الکترون به گیرنده الکترون منتقل می‌شوند که منجر به تولید ATP می‌شود. این یکی از فازهای حیاتی در زنجیره انتقال الکترون است. در مقایسه با هر بخش دیگر از تنفس سلولی، مقدار زیادی ATP در این مرحله تولید می‌شود.

انتقال الکترون به یک سری واکنش ردوکس (redox ) که شبیه به مسابقه است تشبیه می‌شود. این تنها مرحله در متابولیسم گلوکز (glucose ) است که از اکسیژن اتمسفر استفاده می‌کند. هنگامی که الکترون‌ها از یک جزء به جزء دیگر تا انتهای زنجیره منتقل می‌شوند، الکترون‌ها اکسیژن مولکولی را کاهش می‌دهند و در نتیجه آب تولید می‌کنند. نیاز به اکسیژن در مرحله نهایی را می‌توان در واکنش شیمیایی مشاهده کرد که شامل نیاز به اکسیژن و گلوکز(glucose ) است.

زنجیره انتقال الکترون در میتوکندری (Mitochondria)

این مجموعه را می‌توان به عنوان ساختاری تعریف کرد که شامل یک پروتئین، مولکول یا اتم است که به شکل ضعیفی به پروتئین متصل است. غشای پلاسمایی پروکاریوت‌ها (prokaryotes ) شامل چندین نسخه از زنجیره انتقال الکترون است.

1. کمپلکس 1- اکسیدوردوکتاز NADH-Q (Complex 1- NADH-Q oxidoreductase):

شامل آنزیم‌هایی متشکل از آهن، گوگرد و FMN است. در اینجا دو الکترون به اولین کمپلکس روی NADH منتقل می‌شوند. FMN از ویتامین B2 جدا شده است.

1. Q و کمپلکس 2- سوکسینات-کیو ردوکتاز (Q and Complex 2- Succinate-Q reductase):

FADH2 که از کمپلکس 1 عبور نمی‌کند مستقیماً از کمپلکس 2 دریافت می‌شود. کمپلکس اول و دوم از طریق ترکیب یوبی کینون (ubiquinone (Q)) به کمپلکس سوم متصل می‌شوند. مولکول Q در آب محلول است و آزادانه در هسته آبگریز غشاء حرکت می‌کند. در این فاز، یک الکترون مستقیماً به زنجیره پروتئین الکترون تحویل داده می‌شود. تعداد ATP به دست آمده در این مرحله با تعداد پروتون‌هایی که در غشای داخلی میتوکندری پمپ می‌شوند، نسبت مستقیم دارد.

1. کمپلکس 3- سیتوکروم c ردوکتاز (Complex 3- Cytochrome c reductase):

کمپلکس سوم از پروتئین Fe-S، سیتوکروم b (Cytochrome ) و پروتئین سیتوکروم c (Cytochrome proteins) تشکیل شده است. کمپلکس 3 مسئول پمپاژ پروتون در سراسر غشا است. همچنین الکترون‌ها را به سیتوکروم c (Cytochrome )  می‌فرستد و در آنجا به کمپلکس چهارم آنزیم‌ها و پروتئین‌ها منتقل می‌شود. در اینجا Q اهداکننده الکترون و سیتوکروم C گیرنده الکترون است.

1. کمپلکس 4- سیتوکروم c اکسیداز (Complex 4- Cytochrome c oxidase)

کمپلکس چهارم از سیتوکروم c، a و a3 تشکیل شده است. دو گروه هم وجود دارد که هر یک از آنها در سیتوکروم‌های c و a3 وجود دارد. سیتوکروم‌ها مسئول نگه داشتن مولکول اکسیژن بین مس و آهن هستند تا زمانی که محتوای اکسیژن به طور کامل کاهش یابد. در این فاز، اکسیژن کاهش یافته و دو یون هیدروژن را از محیط اطراف می‌گیرد تا آب بسازد.

این یک مقدمه ساده برای زنجیره حمل و نقل الکترون بود.

مترجم: بهار کنعانی

منبع

مطالعه صدها مطلب علمی در حوزه بیولوژی