Chức năng ti thể (tiếng Anh: mitochondrial function) bao gồm một chuỗi các quá trình sinh hóa và sinh lý học phức tạp diễn ra tại bào quan ti thể, đóng vai trò nền tảng đối với sự tồn tại, chuyển hóa năng lượng và kiểm soát số phận tế bào nhân thực. Thường được mệnh danh là nhà máy năng lượng của tế bào, ti thể không chỉ sản xuất đại đa số phân tử ATP thông qua quá trình phosphoryl hóa oxy hóa mà còn tham gia điều hòa cân bằng nội môi canxi, kiểm soát con đường chết tế bào theo chương trình (apoptosis) và tạo tín hiệu qua các gốc oxy hóa hoạt tính (ROS).
Sản xuất năng lượng và Phosphoryl hóa oxy hóa (OXPHOS)
Nhiệm vụ sinh học quan trọng nhất của ti thể là tạo năng lượng dưới dạng adenosine triphosphate (ATP) để cung cấp cho mọi phản ứng cần năng lượng trong tế bào. Hơn 90% lượng ATP trong cơ thể người được tạo ra từ chuỗi hô hấp tế bào tại ti thể.
Phương trình tổng quát biểu diễn quá trình oxy hóa phân tử cơ chất glucose trong điều kiện hiếu khí:
Cơ chế phân tử của quá trình tạo ATP diễn ra qua hai pha chính:
- Chu trình axit citric (Chu trình Krebs): Diễn ra trong chất nền ti thể, chuyển hóa phân tử pyruvate và axit béo thành các coenzyme khử giàu năng lượng là NADH và FADH2, giải phóng CO2.
- Chuỗi truyền điện tử (Electron Transport Chain): Tọa lạc tại màng trong ti thể, gồm 4 phức hợp protein xuyên màng. Điện tử được vận chuyển tuần tự dọc theo các phức hợp này đến chất nhận cuối cùng là oxy để tạo thành H2O. Năng lượng giải phóng trong quá trình này được dùng để bơm proton từ chất nền sang khoang gian màng, thiết lập thế điện hóa gradient proton.
- Tổng hợp ATP qua ATP Synthase: Dòng proton chảy ngược từ khoang gian màng vào chất nền qua kênh dẫn ATP Synthase truyền động cơ học để chuyển hóa ADP và phosphate vô cơ thành ATP.
Điều hòa cân bằng nồng độ ion Canxi
Ti thể hoạt động như một hệ đệm canxi quan trọng phối hợp chặt chẽ với mạng lưới nội chất. Thông qua kênh vận chuyển canxi ti thể, ti thể nhanh chóng hấp thu ion canxi từ tế bào chất khi có xung tín hiệu nồng độ cao, ngăn ngừa hiện tượng nhiễm độc canxi gây hoại tử tế bào. Sự gia tăng nồng độ canxi trong chất nền ti thể kích hoạt các enzyme then chốt trong chu trình Krebs, điều hòa tốc độ sản sinh ATP tương ứng với nhu cầu tiêu thụ của tế bào.
Kiểm soát quá trình chết tế bào theo chương trình (Apoptosis)
Ti thể là trung tâm chỉ huy con đường nội sinh của apoptosis:
- Khi tế bào chịu các tổn thương DNA nghiêm trọng, stress oxy hóa hoặc mất cân bằng năng lượng, các protein tiền chết thuộc họ Bcl-2 được kích hoạt và tạo lỗ thủng trên màng ngoài ti thể.
- Hiện tượng này dẫn đến sự giải phóng các protein gây chết tế bào từ khoang gian màng vào tế bào chất, điển hình là cytochrome c và Smac/DIABLO.
- Trong tế bào chất, cytochrome c liên kết với Apaf-1 tạo thành phức hợp apoptosome, hoạt hóa caspase-9 và kích hoạt dòng thác caspase thực thi dẫn đến tiêu hủy tế bào có kiểm soát.
Sinh tổng hợp sinh chất và kiểm soát gốc oxy hóa hoạt tính
Bên cạnh chuyển hóa năng lượng, ti thể là nơi diễn ra các phản ứng sinh tổng hợp quan trọng:
- Tổng hợp nhân Heme và cụm Sắt - Lưu huỳnh: Các thành phần bắt buộc cho các enzyme chuỗi hô hấp, hemoglobin và enzyme sửa chữa DNA.
- Sản xuất và kiểm soát ROS: Quá trình truyền điện tử tại Phức hợp I và Phức hợp III làm rò rỉ một phần nhỏ điện tử trực tiếp sang oxy tạo superoxide. Ở nồng độ sinh lý, ROS hoạt động như các phân tử truyền tín hiệu thích nghi tế bào. Tuy nhiên, khi sản sinh vượt mức, ROS gây tổn thương oxy hóa lipid màng, protein và DNA ti thể.
Rối loạn chức năng ti thể và bệnh lý lâm sàng
Rối loạn chức năng ti thể là nguyên nhân bệnh sinh hàng đầu trong nhiều nhóm bệnh lý phức tạp:
- Bệnh cơ và bệnh lý não ti thể: Gây ra bởi đột biến trên DNA ti thể hoặc DNA nhân, ảnh hưởng nặng nề đến các mô tiêu thụ nhiều năng lượng như não bộ, cơ tim và cơ xương (như hội chứng MELAS, hội chứng Leigh).
- Bệnh thoái hóa thần kinh: Sự suy giảm hoạt tính chuỗi truyền điện tử và tích tụ tổn thương do gốc tự do ở ti thể là cơ chế cốt lõi trong bệnh Alzheimer, Parkinson và xơ cứng cột bên teo cơ.
- Hội chứng chuyển hóa và đái tháo đường typ 2: Rối loạn oxy hóa axit béo tại ti thể tế bào cơ và gan làm tích tụ lipid độc hại, dẫn đến kháng insulin toàn thân.
- Lão hóa sinh học: Thuyết ti thể về lão hóa chỉ ra rằng sự suy giảm tuần tự chức năng ti thể theo thời gian là động lực chính thúc đẩy quá trình già hóa của tế bào và sinh vật.