מיטוכונדריון

מיטוכונדריון
שיוך	אברון תוך-תאי מוקף ממברנה, semiautonomous organelle, membranous cytoplasmic organelle
התפתחות מתוך	proto-mitochondrion
תיאור ב	האנציקלופדיה הסובייטית הגדולה (1926–1947)
מזהים
FMA	63835
קוד MeSH	A11.284.430.214.190.875.564
מזהה MeSH	D008928
מערכת השפה הרפואית המאוחדת	C0026237

מיטוֹכוֹנדריוֹן (בעברית: נוֹשְׁמוֹן^[1]; באנגלית: Mitochondrion; ברבים: מיטוכונדריה; מיוונית:Μιτοχόνδριο,‏ μίτος (מיטוס): חוט + χονδρίον (כונדריון): גרגיר, "גרגיר דמוי סיב") הוא אברון המצוי בציטופלזמה של כמעט כל התאים האיקריוטיים.

תפקודיםעריכה

למיטוכונדריה שני תפקודים:

הפקת אנרגיה כימית - במיטוכונדריה, המכונה בכתבי מדע פופולרי "תחנת הכוח של התא", מתרחשים שני תהליכים ביוכימיים חשובים: מעגל קרבס וזרחון חמצוני. שני תהליכים אלו, יחד עם תהליך הגליקוליזה שמתרחש בציטופלסמה, מהווים את תהליך הנשימה התאית, שבאמצעותו מפיקים אנרגיה כל היצורים האירוביים. האנרגיה המשתחררת עם פירוק התרכובות משמשת ליצור הנוקלאוטיד ATP.
אחסון ושמירה על חומר תורשתי - רובו של החומר התורשתי בתא, המורכב מחומצת הגרעין DNA, נמצא בכרומוזומים שבגרעין התא. מיעוט החומר התורשתי מצוי במיטוכונדריה. החומר התורשתי שבמיטוכונדריה שונה מזה הנמצא בגרעין, והוא מקודד לחלבונים הדרושים לפעילותו הבלעדית של המיטוכונדריון.

במיטוכונדריה מתבצע תהליך אספקת אנרגיה בתא.

מבנהעריכה

תרשים מיטוכונדריון מפורט

תא בו המיטוכנדריה מסומנות בסמן פלואורסצנטי. צולם במיקרוסקופ אור פלואורסצנטי.

המיטוכונדריון, שגודלו הוא כמיקרומטר, מורכב משתי ממברנות, פנימית וחיצונית.

הממברנה החיצונית, בין האברון לציטופלזמה, בררנית למולקולות גדולות אך מאפשרת מעבר חופשי של מומסים קטנים דרכה.

הממברנה הפנימית לא מאפשרת דיפוזיה של חומרים רבים, ובפרט יוני מימן (⁺H, פרוטון חופשי). היא מפותלת מאוד על מנת להגדיל את השטח דרכו יכולים לעבור יוני מימן דרך תעלות ממברניות בשם ATP סינתאזים. נוסף ל-ATP סינתאזים, כוללת הממברנה מערכת חלבונית בשם שרשרת העברת אלקטרונים ונשאים חלבוניים המאפשרים העברה ייחודית של חומרים שלא יכולים לחדור את הממברנה. הממברנה הפנימית מפרידה את המיטוכונדריון לשני אזורים: חלל מרכזי הקרוי מטריקס, והחיצוני - "החלל הבין-ממברני". זאת כדי לגרום למפל ריכוזים של יוני מימן, בין שני האזורים, על-מנת לסנתז ATP (ראו הרחבה בהמשך).

הפקת אנרגיהעריכה

תרשים המתאר את השרשרת במיטוכונדריון, תוצרים מחוזרים המגיעים ממעגל קרבס מעבירים אלקטרונים לחלבונים בממברנה היוצרים את הפרש הריכוזים של יוני המימן, עד אשר מסתיים התהליך בזרימתם חזרה דרך האנזים ATP סינתאז המייצר ATP באמצעות כמיואוסמוזה.

כפי שהוזכר למעלה, התפקוד העיקרי של המיטוכונדריון הוא הפקת אנרגיה בתהליך נשימה תאית אירובית. בתהליך זה, חומרי מזון של התא מתחמצנים בנוכחות חמצן והופכים לפחמן דו-חמצני ולמים תוך הפקת אנרגיה זמינה לתא, המועברת למולקולות ATP.

מחוץ למיטוכונדריה, עובר הגלוקוז תהליך גליקוליזה ומפורק לשני פירוּבטים; אלה הופכים במיטוכונדריה לאצטיל קואנזים A (בקיצור אצטיל co-A) לשם כניסה למסלול הנקרא מעגל קרבס. במסלול זה אצטיל co-A מפורק, קבוצות ^-COO עוזבות כפחמן דו-חמצני, נפלטות מולקולות מים, ונשאי האלקטרונים NADH ו-FAD נטענים באלקטרונים. אלקטרונים אלו מועברים לממברנה הפנימית של המיטוכונדריון, שם הם עוברים דרך שרשרת העברת אלקטרונים, תוך כדי שהם פולטים אנרגיה המנוצלת להעברת יוני מימן לצד החיצוני של ממברנת המיטוכונדריון ונוצר פוטנציאל חשמלי ומפל ריכוזים בין שני צידי הממברנה. האנזים ATP סינתאז, המצוי בממברנה, משתמש בפוטנציאל הממברנה ליצירת סיבוב מכני, ובעזרת סיבוב זה מצרף קבוצת זרחה ל-ADP, ליצירת ATP. במילים אחרות, יוני המימן נעים במורד מפל הריכוז שלהם (מהאזור החיצוני לאזור הפנימי של המיטוכונדריון) דרך סינתאזי ה-ATP שנמצאים בממברנה הפנימית תוך כדי שהם פולטים אנרגיה, אנרגיה זו מנוצלת לחיבור זרחה חופשית ל-ADP בקשר האוצר בו אנרגיה, שניתן להשתמש בה לכל פעילויות התא (היא נפלטת כאשר הקשר מפורק בתהליך הידרוליזה של ATP).

חומר תורשתיעריכה

ערך מורחב – גנום מיטוכונדריאלי

ה-DNA המיטוכונדריאלי (mtDNA) שונה במספר מובנים מה-DNA שבגרעין:

ה-DNA בגרעין הוא קווי - יש לו שני קצוות. ה-DNA במיטוכונדריה הוא מעגלי, בדומה לזה שבחיידקים.
ב-DNA שבגרעין יש מעט עותקים מכל גן. בכל מיטוכונדריון קיימים בדרך-כלל כמה עותקים של הכרומוזום המעגלי, כך שלכל גן השוכן בכרומוזום זה יש כמה עותקים. יתרה מזאת, בכל תא קיימים מיטוכונדריה רבים - לעיתים אלפים - כך שלכל גן מיטוכונדריאלי יכולים להיות עשרות אלפי עותקים בתא.
ה-DNA שבגרעין מכיל שני סטים של כרומוזומים; האחד מקורו באב והשני - באם. DNA מיטוכונדריאלי מגיע מהאם בלבד. כשתא הזרע מפרה תא ביצה הוא כמעט ולא תורם מיטוכונדריה לתא החדש שנוצר (הזיגוטה). מקורן של המיטוכונדריה ביצור החדש הוא לפיכך תא הביצה של האם. במקרה וכמה מיטוכונדריה מתא הזרע מצליחים בכל זאת לחדור לזיגוטה, הם מושמדים זמן קצר לאחר מכן.
DNA מיטוכונדריאלי אינו מבצע שחלופים, כפי שמתרחש ב-DNA שבגרעין.
במיטוכונדריה כמעט ולא קיימים אנזימים המתקנים שגיאות ב-DNA, כפי שקיימים בגרעין התא. לאנזימי התיקון בגרעין חשיבות רבה, והם הגורם לכך שמוטציה בחומר התורשתי היא אירוע נדיר יחסית (שכן שגיאות ב-DNA מתרחשות בשכיחות גבוהה מאוד). הדבר גורם לכך שמוטציות ב-DNA המיטוכונדריאלי שכיחות יותר.
במיטוכונדריה מתרחש תהליך הזרחון החמצוני, אשר במהלכו נוצרים תוצרי לוואי הנוטים לתקוף מולקולות בתא ולשנותן (ראו הרחבה בערך אנארובי). ה-DNA המיטוכונדריאלי קרוב מאוד למקום בו מיוצרים תוצרי לוואי אלו, כך שהוא חשוף יותר לפגיעתם מאשר ה-DNA שבגרעין. זוהי סיבה נוספת לשיעור המוטציות הגבוה ב-DNA המיטוכונדריאלי.
ה-DNA שבגרעין, בניגוד ל-DNA שבמיטוכונדריה, כרוך סביב חלבונים הקרויים היסטונים, דבר המאפשר אריזה צפופה מאוד של ה-DNA.
בתאי בעלי חיים, ה-DNA שבגרעין מורכב ברובו מרצפים שאינם מקודדים לחלבון, ורצפי הגנים עצמם מכילים אינטרונים - קטעי DNA לא מקודדים. ב-DNA מיטוכונדריאלי ישנה כמות יחסית גדולה של דנ"א מקודד ולא קיימים כמעט אינטרונים (ב-DNA מיטוכונדריאלי של אדם למשל, אין כלל אינטרונים).

ה-DNA המיטוכונדריאלי של אדם מכיל 37 גנים. 13 מהם מקודדים לחלבונים המשתתפים בתהליכי הנשימה התאית המתרחשים במיטוכונדריה. 24 הגנים האחרים מקודדים לייצור RNA כאשר 22 ל-tRNA ושניים ל-rRNA, ובכך תורמים לבניית הריבוזומים ולתהליך התרגום בתא, שבמהלכו מיוצרים חלבונים בריבוזומים בהתאם לתבנית RNA.

מחלות מיטוכונדריאליותעריכה

קיימות מספר מחלות תורשתיות הנובעות מפגם ב-DNA המיטוכונדריאלי. התופעה התגלתה לראשונה בשנת 1962, ובינתיים התברר כי מחלות תורשתיות מיטוכונדריאליות הן שכיחות למדי. תא הזרע אינו מכיל mtDNA כך שכל המיטוכונדריה בעובר מקורם באם. המחלות משפיעות בראש ובראשונה על תאים הצורכים אנרגיה רבה ומכילים הרבה מיטוכונדריה כגון תאי שריר ומוח. התוצאה היא תסמינים נוירולוגים, חולשת שרירים, אי ספיקת לב ועוד. הילדים שורדים שנים ספורות בלבד. גם אם האם נשאית של המחלה ואינה סובלת ממנה הילדים יכולים להיות חולים מאוד. זה תלוי במספר המיטוכונדריה הפגומים שהם מקבלים.

בישראל הוקמה עמותה לתמיכה בהורים ובחקר מחלות מיטוכונדריאליות^[2].

ב-2015 אושרה בבריטניה שיטה למניעה מחלה מיטוכונדריאלית בעובר בשיטת הפריה חוץ-גופית^[3]. מפרים בזרע הגבר את ביצית האשה הנשאית וביצית נוספת של תורמת בריאה. לאחר מכן מוציאים את הגרעינים משני העוברים ומחדירים את הגרעין של עובר ההורים הביולוגיים לעובר מהביצית עם המיטוכונדריה הבריאה. מתקבל למעשה עובר משלושה הורים אבל היות שכמעט כל ה-DNA מקורו בגרעין, כל התכונות הגנטיות כמו מראה, תכונות אופי וכו' יהיו קשורים להורים שמהם בא ה-DNA בגרעין התא, ולא לאישה שתרמה את ה-DNA המיטוכונדריאלי^[4].

קבוצת מחקר של אוניברסיטת טקסס בארצות הברית פרסמה ב-2015 כי בעכברים בגיל מבוגר נמצא כי פעילותה של המיטוכונדריה היא זו שמונעת את חלוקת תאי השריר, מה שעלול להביא להידבקות במחלות, להחמרה ואף למוות. זאת לעומת עכברים בני פחות משבוע שאצלם חלוקת השריר מתבצעת ומאפשרת בין היתר התחדשות של רקמות שונות בגוף, וכך להבראה מהירה יותר^[5].

אבולוציהעריכה

התאוריה האנדוסימביוטית (endo (בתוך) + sym (יחד) + biosis (חיים)) באה להסביר את מקורה של המיטוכונדרה בתא האאוקריוטי. לפי תאוריה זו, מקורו של המיטוכונדריון בחיידק קדום. חיידק זה נבלע בתהלך הפאגוציטוזה על ידי תא ארכיאה קדום. החיידק הנבלע המשיך לחיות בתא הקדום ולהתרבות בתוכו, כך שנוצרו בין תא הארכיאה הבולע לתא הבקטריה הנבלע יחסים של סימביוזה הדדית. עובדות שונות תומכות בתיאוריה האנדוסימביוטית: למיטוכונדריה DNA מעגלי בדומה לדנ"א בקטריאלי, המיטוכונדריה מתחלקות באורח בלתי תלוי בהתחלקות התא השלם, והממברנה שלהן דומה לזו של חיידקים אווירניים מסוימים. ישנו דמיון ברצף הנוקלאוטידים של הדנ"א המיטוכונדריאלי לרצף הנוקלאוטידים של חיידק ה-Rickettsiales, ודמיון זה הופך את חיידק ה-Rickettsiales למועמד המתאם למקורה של המיטוכנדריה. גם שתי הממברנות שיש למיטוכנדריה, הפנימית דומה בהרכבה לממברנה בקטריאלית והחיצונית מזכירה ממברנה אאוקריוטית, ניתן להסביר בתוצאת הפאגוציטוזה. יחסי האנדוסימביוזה הביאו יתרון לתאים הסימביוטיים, ותאים אלו הלכו והתרבו. במשך הדורות, חיידק הקדום הפסיק לקיים תפקודים מסוימים שהתא המארח עשה עבורו, ובכך איבד את עצמאותו והפך למיטוכונדריה שאנו מכירים היום. מדענים מניחים כי ה-DNA של המיטוכונדריה הכיל בעבר את כל הגנים הדרושים לפעילותה העצמאית; בימינו אין זה כך וחלק מהחלבונים הדרושים לפעילותה התקינה מיוצרים מהגנים הנמצאים ב-DNA שבגרעין התא. לפרטים ראו גנום מיטוכונדריאלי.