ไมโทคอนเดรีย (Mitochondria) ร่องรอยของ “วิวัฒนาการ” เพื่อเพิ่ม Endurance ตอนที่ 1 (จุดเริ่มต้น)

เมื่อมองไปบนท้องฟ้าเราเห็นแสงดวงดาว, กลุ่มดาวที่มาจากอดีต, ปีระมิดบอกถึงอดีตเมื่อหลายพันปีก่อน เมื่อเราใช้กล้องจุลทรรศน์ส่องเข้าไปในเซลล์เราก็เห็นร่องรอยของ “วิวัฒนาการ”

ไมโทคอนเดรียน หรือมักเรียกว่า ไมโทคอนเดรีย (mitochondrion, พหูพจน์: mitochondria) ทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานของเซลล์ ถูกค้นพบครั้งแรกโดย คอลลิกเกอร์ ส่วนใหญ่มีรูปร่างกลมท่อนสั้น คล้ายไส้กรอก ยาว 5–7 ไมครอน มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.2–1 ไมครอน ประกอบไปด้วยโปรตีน 60–65% ลิพิด 35–40% มีเยื่อหุ้มสองชั้น (double unit membrane) ชั้นนอกเรียบหนา 60–80 อังสตรอม เยื่อชั้นในพับเข้าไปเป็นรอยหยักเรียก คริสตี้ (cristae) หนา 60–80 อังสตรอม ภายในบรรจุของเหลวประกอบไปด้วยสารหลายชนิดเรียก แมทริกซ์ (matrix)

ภายในไมโทคอนเดรียสามารถพบ DNA ได้เช่นเดียวกับในนิวเคลียสและคลอโรพลาสต์ โดยเรียกว่า mtDNA

มีการสันนิษฐานว่าไมโทคอนเดรียนั้นมีวิวัฒนาการร่วมกันกับเซลล์ยูคาริโอตมานานแล้ว โดยเริ่มแรกนั้นเซลล์สิ่งมีชีวิตชั้นสูงอาจไปกินเซลล์ที่มีขนาดเล็กกว่าเข้าไป

ในเซลล์มนุษย์ DNA ภายในไมโทคอนเดรียมีลักษณะเป็นวงกลม โดยมียีนที่สร้างโปรตีนได้เพียงไม่กี่สิบยีนเท่านั้น

การจัดสรรและการกระจาย

ไมโทคอนเดรียพบได้ในสิ่งมีชีวิตประเภทยูแคริโอตแทบทุกชนิด ซึ่งมีจำนวนและแหล่งอาศัยแตกต่างกันไปตามชนิดของเซลล์ ไมโทคอนเดรียอันเดียวมักจะพบในสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว ในทางตรงข้าม ไมโทคอนเดรียจำนวนมากพบได้ในเซลล์ตับของมนุษย์ ซึ่งมีจำนวนประมาณ 1000–2000 อันต่อเซลล์ กินเนื้อที่หนึ่งในห้าของเซลล์ ไมโทคอนเดรียก็สามารถพบได้ที่ระหว่างเส้นใยฝอยกล้ามเนื้อโดยเบียดแน่นกันอยู่ หรือห่อหุ้มแฟลเจลลัม (ส่วนหาง) ของสเปิร์ม

ยูแคริโอต

ยูแคริโอต (eukaryote) คือ สิ่งมีชีวิตที่เซลล์มีนิวเคลียสและโครงสร้างอื่น (ออร์แกเนลล์) อยู่ภายในเยื่อหุ้มเซลล์ ยูแคริโอตเป็นหน่วยอนุกรมวิธาน ยูคาร์ยาหรือยูแคริโอตา อย่างเป็นทางการ เยื่อหุ้มนิวเคลียสเป็นโครงสร้างที่นิยามเซลล์ยูแคริโอตแยกจากเซลล์โปรแคริโอต โดยภายในเยื่อหุ้มนิวเคลียสมีสารพันธุกรรม การมีนิวเคลียสเป็นที่มาของชื่อยูแคริโอต ซึ่งมาจากภาษากรีก ευ (eu, “ดี”) และ κάρυον (karyon, “ผลมีเมล็ดเดียว” หรือ “เมล็ด”) เซลล์ยูแคริโอตส่วนใหญ่ยังมีออร์แกเนลล์ที่มีเยื่อหุ้มอื่นด้วย เช่น ไมโทคอนเดรียหรือกอลจิแอพพาราตัส นอกเหนือจากนี้ พืชและสาหร่ายยังมีคลอโรพลาสต์ สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวหลายชนิดเป็นยูแคริโอต เช่น โปรโตซัว แต่สิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ทุกชนิดเป็นยูแคริโอต ซึ่งได้แก่ สัตว์ พืชและเห็ดรา

การแบ่งเซลล์ในยูแคริโอตแตกต่างจากสิ่งมีชีวิตที่ไม่มีนิวเคลียส (โปรแคริโอต) มีกระบวนการแบ่งตัวสองประเภท คือ ไมโทซิสและไมโอซิส ไมโทซิสเป็นการที่เซลล์หนึ่งแบ่งตัวได้เซลล์ที่มีพันธุกรรมเหมือนกันสองเซลล์ ในไมโอซิสซึ่งจำเป็นในการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศ เซลล์ดิพลอยด์หนึ่ง (ซึ่งมีโครโมโซมสองชุด ชุดหนึ่งมาจากพ่อ อีกชุดหนึ่งมาจากแม่) มีการจับคู่โครโมโซมจากพ่อแม่แต่ละคู่ใหม่ แล้วผ่านการแบ่งเซลล์อีกสองขั้นตอน จนได้เซลล์แฮพลอยด์สี่เซลล์ (เซลล์สืบพันธุ์) เซลล์สืบพันธุ์แต่ละเซลล์มีโครโมโซมชุดเดียว ซึ่งเป็นการผสมโครโมโซมจากพ่อแม่คู่เดียวกัน

โดเมนยูแคริโอตาดูเหมือนมาจากชาติพันธุ์เดียว (monophyletic) จึงเป็นหนึ่งในสามโดเมนของสิ่งมีชีวิต อีกสองโดเมน ได้แก่ แบคทีเรียและอาร์เคีย เป็นโปรแคริโอตและไม่มีคุณสมบัติที่กล่าวมาข้างต้น ยูแคริโอตเป็นสิ่งมีชีวิตส่วนน้อยมาก อย่างไรก็ดี เนื่องจากยูแคริโอตมีขนาดใหญ่กว่ามาก มวลชีวภาพรวมทั่วโลกจึงประมาณว่าเท่ากับมวลชีวภาพของโปรแคริโอต ยูแคริโอตอุบัติขึ้นครั้งแรกเมื่อประมาณ 1.6–2.1 พันล้านปีก่อน

หน้าที่ของ mitochondria

1. ทำหน้าที่เสมือนโรงงานแปรรูปอาหารหรือเรียกว่ากระบวนการเผาผลาญ อาหารเพื่อให้ได้รหัสพันธุกรรม (DNA)

ซึ่งเป็นวัตถุดิบในการซ่อมแซมเซลล์ที่สึกหรอและสร้างเซลล์ใหม่แทนเซลล์ที่ตายไป

2. เป็นแหล่งกำเนิดพลังงาน ATP ทำให้คนเราสามารถทำกิจกรรมต่าง ๆ ในชีวิตประจำวันได้

สร้างสารให้พลังงานสูง คือ ATP (Adenosine triphosphate) คือ โมเลกุลสารพลังงานสูงที่ให้พลังงานแก่ร่างกายเรา
โดยแยกเป็น 2 ส่วน คือ
— เยื่อหุ้มด้านนอก ทำหน้าที่เกี่ยวข้อง กับการสร้างสารประกอบ ฟอสโฟลิปิด
— เยื่อหุ้มด้านใน มีเอนไซม์เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ ATP

3. เป็นแหล่งผลิตเอนไซม์นับพันๆ ชนิด เพื่อใช้ในกระบวนการเผาผลาญอาหารของเซลล์ทุกเซลล์ทั่วร่างกาย

ภายในเมทริกซ์มีของเหลว ที่ทำหน้าที่เป็นเอนไซม์ ซึ่งเกี่ยวข้อง กับปฏิกิริยาเคมีต่างๆ ในวัฏจักรเครปส์ (Krebs cycle)
มี DNA (Deoxyribonucleic acid) RNA (Ribonucleic acid) เอนไซม์ และไรโบโซม
อยู่ภายในออร์แกเนลล์ ทำหน้าที่สังเคราะห์โปรตีนขึ้น ภายในออร์แกเนลล์

เซลล์หัวใจเป็นอวัยวะที่มีไมโตคอนเดรียมากที่สุด ดังนั้นในร่างกายของคนเราจึงมีไมโตคอนเดรียนับ ล้าน ล้าน ล้าน ล้าน ไมโตคอนเดรีย ไมโตคอนเดรียมีขนาดเล็กมาก ประมาณ 1 ไมคอน ดังนั้นอาหารที่สามารถเข้าสู่ไมโตคอนเดรียได้ต้องเล็กกว่า 1 ไมคอน เพราะต้องผ่านเยื่อบุผนังชั้นต่าง ๆ ซึ่งไมโตคอนเดรียเปรียบเสมือนโรงงานแปรรูปอาหารที่อยู่ในเซลล์ในร่างกายของคนเรา มีหน้าที่ผลิตเอนไซม์นับพัน ๆ ชนิด เอนไซม์เหล่านี้จะไปย่อยอาหารที่เรารับประทานเข้าไป เพื่อให้ได้พลังงาน
นอกจากนี้ก็จะสังเคราะห์อาหารให้ได้รหัสพันธุกรรมใหม่ เพื่อซ่อมแซมเซลล์ที่สึกหรอและสร้างเซลล์ใหม่แทนเซลล์ที่ตายไป ซึ่งเซลล์ของคนเราจะตายและเกิดใหม่ทุกๆ 7 วัน เมื่อเซลล์ใดตายไปและเซลล์ใหม่เกิดขึ้นไม่เท่าเทียมกันอวัยวะนั้น ๆ ก็จะค่อย ๆ เสื่อม หรือฝ่อไป แต่ถ้าหากเซลล์ใดมีการสร้างเซลล์ใหม่แต่มีรหัสพันธุกรรมเพี้ยนไปจากเซลล์เดิมก็จะเป็นสาเหตุของการเกิดโรคมะเร็ง หรือภูมิต้านทานบกพร่อง เช่นกลุ่มเอสแอลอี ปัจจุบันนี้จะเห็นได้ว่าทุกคนก็ทานอาหารครบ 5 หมู่ แต่ก็ยังป่วยอยู่ สาเหตุมาจากไมโตคอนเดรียเสื่อม จึงไม่สามารถสร้างเอนไซม์ ต่าง ๆ มากมายเป็นพัน ๆ ชนิดภายในเซลล์ของเรา มาย่อยอาหารหลัก 5 หมู่ที่เรา รับประทานเข้าไป เพื่อไปสังเคราะห์อาหารให้ได้รหัสพันธุกรรมใหม่ ซ่อมแซมเซลล์ที่สึกหรอ และสร้างเซลล์ใหม่ทดแทนเซลล์เก่าที่ตายไป
ดังนั้นการที่ไมโตคอนเดรียในเซลล์ของคนเราเมื่อขาดอาหารบ่อย ๆ ก็จะทำให้เชลล์ต่าง ๆ ขาดสารอาหาร และเซลล์จะเสื่อม ถึงแม้ว่าคนเราจะรับประทานอาหารหลักครบ 5 หมู่ ทุกมื้อทุกวัน แต่คนเราก็ยังป่วยอยู่

โรคที่เกิดจากไมโทคอนเดรีย

ยีนไมโทคอนเดรียเป็นยีนที่มีลักษณะพิเศษของมนุษย์และเป็นยีนเดียวที่พบอยู่นอก nucleus โดยพบอยู่ในไมโทคอนเดรีย โดยที่ไมโทคอนเดรียเป็นอวัยวะของเซลล์ (cell organelle) ที่สำคัญมากอวัยวะหนึ่ง มีหน้าที่ที่สำคัญที่สุดคือการผลิตพลังงาน ( ในรูปของ ATP) ให้แก่เซลล์ การที่ไมโทคอนเดรียจะสามารถสังเคราะห์พลังงานได้นั้น จะต้องใช้เอนไซม์ต่างๆหลายตัวด้วยกัน เอนไซม์เหล่านี้เป็นกลุ่มโปรตีนที่มาจากโปรตีนหน่วยย่อยมารวมกัน โปรตีนเหล่านี้ได้มาจากการ สังเคราะห์โดยการถอดรหัสจากยีนหลายยีน ยีนที่ถอดรหัสให้โปรตีนที่ใช้ในการสร้างพลังงาน ของไมโทคอนเดรียนั้น อยู่ในนิวเคลียสและในไมโทคอนเดรียเอง

ในทางการแพทย์ ความผิดปกติของยีนไมโทคอนเดรียทำให้เกิดโรคต่างๆได้หลายโรค โดยเฉพาะโรคที่เกี่ยวข้องกับระบบประสาท และระบบกล้ามเนื้อ (neuromuscular system) ซึ่งเป็น ระบบที่ต้องใช้พลังงานสูง โรคไมโทคอนเดรียที่เกิดจากความผิดปกติของยีนไมโทคอนเดรีย ที่พบในปัจจุบันนั้นมีหลายโรค ได้แก่ Chronic Progressive External Ophthalmoplegia (CPEO), Myoclonic Epilepsy with Ragged Red Fiber (MERRF), Mitochondrial Encephalopathy Lactic Acidosis and Stroke-like Episodes Syndrome (MELAS), Leigh Syndrome และ Leber hereditary optic neuropathy (LHON) เป็นต้น นอกจากนั้นแล้ว ยังพบว่าโรคที่พบได้บ่อยใน ประชากรทั่วไป ส่วนหนึ่งเกิดจากความผิดปกติของยีนไมโทคอนเดรียได้ เช่น โรคเบาหวาน โรคพาร์คินสัน โรคอัลไซเมอร์ เป็นต้นซึ่งโรคเหล่านี้เกิดจากการกลายพันธุ์ที่อาจจะเป็น การขาดหายไปของ ยีนไมโทคอนเดรีย หรือมีการแทนที่ตำแหน่งเบสบางตำแหน่งของยีนไมโทคอนเดรีย

งานวิจัยในห้องปฏิบัติการที่เกี่ยวข้องกับโรคที่เกิดจากความผิดปกติของยีนไมโทคอนเดรีย ในโรคต่างๆได้ดำเนินการมากว่า 10 ปีแล้ว โครงการวิจัยแบ่งเป็นศึกษาโรคไมโทคอนเดรีย ที่เกิดจากความผิดปกติของยีนไมโทคอนเดรียหลายโรค โดยเฉพาะโรค Leber hereditary optic neuropathy (LHON) ซึ่งเป็นโรคไมโทคอนเดรียที่พบมากที่สุดในประเทศไทย โดยทำการศึกษากลไกต่างๆที่ทำให้เกิดโรค ความสัมพันธ์ระหว่างยีนที่กลายพันธ์กับความผิดปกติที่เกิดขึ้น การปฏิสัมพันธ์ระหว่างยีนนิวเคลียสและยีนไมโทคอนเดรียที่ทำให้เกิดโรค เป็นต้น นอกจากนั้น ห้องปฏิบัติการยังได้ดำเนินการค้นคว้าวิจัยในโรคเบาหวานชนิดที่เกิดจากยีนไมโทคอนเดรียที่ผิดปกติอยู่ด้วย โดยศึกษาในลักษณะเดียวกับข้างต้น

นอกจากนั้นได้มีการใช้ยีนไมโทคอนเดรียในการศึกษาทางมนุษยวิทยาซึ่งเริ่มมาตั้งแต่ปี 1987 โดย Allan Wilson และ Douglas Wallace ซึ่งทำงานคนละห้องปฏิบัติการกัน จากนั้นมาการศึกษาเกี่ยวกับ molecular และ population genetic ของ human mitochondrial genome ในภูมิภาคต่างๆของโลกได้เพิ่มขึ้นอย่าง รวดเร็วเป็นอย่างมาก

mtDNA polymorphism pattern จาก genome ของ mitochondria นั้นมีข้อดีหลายประการ ในการประยุกต์ในการสืบค้นความสัมพันธ์ในแง่ของวิวัฒนาการการสืบสายพันธุ์ และในแง่โครงสร้าง ทางภูมิศาสตร์ภายใน กลุ่มประชากรได้เนื่องจาก 1) ในสัตว์หลายๆ ชนิด รวมทั้งสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ชิ้นส่วนบางตอนของ mitochondria DNA นั้น มีวิวัฒนาการค่อนข้างเร็วเมื่อเปรียบเทียบกับ nuclear gene 2) การที่ในแต่ละเซลล์มีจำนวน copy ของ mitochondria มากภายในเซลล์ ทำให้ยังมีโอกาสที่จะสกัดเอา mtDNA ออกจาก samples ที่มีอายุเก่าแก่ซึ่งอาจไม่อยู่ในสภาพที่ดีนัก มาวิเคราะห์ได้ และ 3) mtDNA ไม่เกิด genetic recombination และการถ่ายทอดทางพันธุกรรมเป็นแบบ maternally–inherited ทำให้แปลผลได้โดยไม่ซับซ้อนเหมือน nuclear genome และ sequence ของ mtDNA จะยังคงเดิมทุกประการเมื่อมีการถ่ายทอดจากแม่ไปสู่ลูก ยกเว้นเมื่อเกิด mutation (ในบางบริเวณที่มีวิวัฒนาการค่อนข้างเร็ว) เพราะเหตุนี้ ความแตกต่างในระดับนิวคลิโอไทด์ ระหว่าง mtDNA sequence จะสะท้อนให้เห็นถึงความแตกต่างมากน้อยของวิวัฒนาการของชนแต่ละกลุ่ม โดยเฉพาะบริเวณลำดับ นิวคลีโอไทด์ใน control region ของ mitochondria ที่มีอัตราการเกิด mutation ที่สูงกว่าบริเวณอื่นๆ ที่เรียกว่า hypervariable region หรือ D-loop (HV1 และ HV2)

โดยหลักการดังกล่าวแล้ว การศึกษา genetic polymorphisms ของ mitochondrial DNA นี้ ยังสามารถนำมาช่วยในการสืบสวน ถึงความสัมพันธ์ของซากโครงกระดูกโบราณในแหล่งโบราณคดี และความสัมพันธ์ระหว่างประชากรในพื้นที่ และ/ หรือ ระหว่างโครงกระดูกกับชนกลุ่มต่างๆใน พื้นที่ต่างๆได้ ซึ่งหลักการและข้อมูลของ genetic polymorphism ในยีนไมโทคอนเดรียนี้ ก็สามารถนำมาใช้ได้ กับงานในทางนิติเวชวิทยาเช่นกัน

ห้องปฏิบัติการได้มีการทำวิจัยในเชิงนี้เช่นกัน โดยได้ทำการศึกษายีนไมโทคอนเดรียในส่วน hypervariable region ของประชากรปัจจุบันกลุ่มต่างๆของประเทศไทยและประเทศใกล้เคียง ที่ใช้ภาษาตระกูลไต-กะได รวมทั้งจากโครงกระดูกโบราณยุคสัมฤทธิ์และยุคเหล็กที่ขุดค้นในประเทศไทย ด้วยความร่วมมือกับกรมศิลปากร และนำมาเปรียบเทียบกันทั้งในแง่ของ nucleotide diversity, phylogenetic tree และ genetic distances แล้วนำข้อมูลที่ได้มาตีความร่วมกับนักมานุษยวิทยา นักประวัติศาสตร์และนักโบราณคดี

แต่ถ้าการจราจรในเซลล์ติดขัดจะทำอย่างไร ?

ดังที่กล่าวเบื้องต้น ไมโทคอนเดรีย ถูกกลืนกิน (engulfed) จากเซลล์ แต่รหัสพันธุกรรม (blueprint) จะอยู่ในนิวเคลียสของเซลล์ โดยมีสารตั้งต้น (precausor) ที่สร้างในไซโตพลาสม (cytoplasm, ของเหลวในเซลล์) ในตัวไมโตครอนเดรีย ก็มีรหัสพันธุกรรม (Double-strand DNA) ซึ่งมีการกลายพันธุ์ได้ง่ายและเร็วกว่า DNA ในนิวเคลียส เมื่อเกิด mutations ก็ทำให้เกิดโรคต่างๆ ดังนี้

รวมถึงโรค Huntington การดื้อยาหลายขนาน (MDR ; Mutidrug Resistance) รวมถึงยารักษาโรคมะเร็ง

mitoCPR คือกลไกที่ไมโทคอนเดรีย ใช้ติดต่อกับส่วนอื่นของเซลล์ เพื่อป้องกันความเสียหายของตัวไมโตคอนเดรียเองในยามที่การจราจรในเซลล์คับคั่ง ได้ถูกค้นพบโดย 2 นักชีววิทยา จากสถาบัน MIT (Massachusetts Institute of Technology) : Hilla Weidberg, และดร. แองเจลิกา อามอน

ภาพของ mitoCPR จะมีรู (pore) ถ้าโปรตีนที่ไม่ม้วน (unfolded) ไม่สามารถเข้าไมโทคอนเดรียได้ ในทางกลับกัน การทำให้โปรตีนที่อยู่ภายนอกไมโทคอนเดรียแตกตัว สามารถทำให้โปรตีนเข้าไมโทคอนเดรียได้ และยังสามมารถผลักดันโปรตีนที่อาจเป็นอันตรายออกจาก membrane ของไมโทคอนเดรีย ส่งผลให้ลดภาวะความตึงเครียด (Stress) ของเซลล์ได้อีกด้วย

ต้องขอขอบคุณงานวิจัยของ อ. ศ. ดร. พญ. พัชรีย์ เลิศฤทธิ์ ที่นำมากล่าวในที่นี้ด้วยครับ
ตามลิ๊งค์ http://www.si.mahidol.ac.th/department/Biochemistry/home/content/Patcharee_thai.htm

ที่มา : https://pantip.com/topic/37693351

#GPSRG