โครงสร้างและหน้าที่ของ Organelles I

ส่วนที่ 1 — Mitochondrion: โครงสร้างและ Cellular Respiration

โครงสร้างของ Mitochondrion

Mitochondrion ถูกล้อมรอบด้วย 2 membranes และมี 2 internal compartments ได้แก่

Pyruvate และ fatty acids ถูก catabolize อยู่ใน matrix ของ mitochondria

Mitochondria พบได้ในปริมาณมากในเซลล์ที่ใช้พลังงานสูง เช่น cardiac muscle และอยู่ในตำแหน่งเดียวกับ microtubules ในเซลล์ (ดูได้จาก fluorescence microscopy)

Cellular Respiration — 3 ขั้นตอนหลัก

Cellular respiration คือ metabolic process ที่ใช้ได้ทั้งใน aerobic และ anaerobic conditions ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือ CO2, H2O, ATP, และ Heat

1. Glycolysis ("Sweet rupture")

• เกิดที่ cytosol
• เป็น central ATP-producing pathway
• ไม่ต้องใช้ O2 (สามารถทำงานได้ทั้ง aerobic และ anaerobic)
• Glucose (6C) → 2 pyruvate (3C) + ATP + NADH
• ขั้นแรกลงทุน ATP ก่อน (energy investment) แล้วค่อยได้คืน (energy generation)

2. Citric Acid Cycle (Krebs Cycle)

• เกิดใน matrix ของ mitochondria
• Pyruvate → Acetyl CoA (เสีย CO2 1 ตัว) → เข้า cycle
• Acetyl CoA (2C) + Oxaloacetate (4C) → Citrate (6C) → วนรอบ
• ในแต่ละรอบผลิต NADH, FADH2, GTP, CO2
• Fatty acids ก็ผ่าน beta-oxidation เข้าสู่ Acetyl CoA ได้เช่นกัน

3. Oxidative Phosphorylation

• เกิดที่ inner mitochondrial membrane
• High-energy electrons จาก NADH และ FADH2 ถูกส่งต่อใน electron-transport chain
• ลำดับ: NADH dehydrogenase complex → Ubiquinone → Cytochrome b-c1 complex → Cytochrome C → Cytochrome oxidase complex
• การส่งผ่าน electron สร้าง proton gradient (H+ สะสมใน intermembrane space)
• H+ ไหลกลับเข้า matrix ผ่าน ATP synthase → ขับเคลื่อนการสร้าง ATP จาก ADP + Pi
• เมื่อ cytochrome oxidase complex สะสม 4 electrons แล้ว O2 รับ electrons → เกิด H2O

สรุปสมการของ oxidative phosphorylation: NADH + 1/2 O2 + H+ → NAD+ + H2O (พลังงานที่ได้ขับ ADP + Pi → ATP)

ส่วนที่ 2 — Endosomes และ Endoplasmic Reticulum

Endosomes — 3 ประเภท

Endosomes ทำหน้าที่ปรับ protein บน membrane ของเซลล์ มี 3 ประเภท:

1. Early Endosomes

• รับสาร (เช่น LDL) ที่ถูก endocytosis เข้ามาผ่าน clathrin-coated vesicle
• LDL จับกับ LDL receptor → เข้า coated pit → ENDOCYTOSIS → coated vesicle → UNCOATING → fuse กับ early endosome
• ใน early endosome: receptor แยกออกจาก ligand → receptor ถูกส่งกลับ (recycling) ไปยัง plasma membrane

2. Late Endosomes

• Early endosome → ubiquitin tag receptor → pinching off (sequestration) → multivesicular body
• Late endosome รับ lysosomal protease และ lysosomal lipase → กลายเป็น lysosome (late endosome + early = lysosome)

3. Recycling Endosomes

• ทำหน้าที่ transcytosis — นำสาร (เช่น antibody ที่จับกับ Fc receptor) จาก apical domain ข้ามเซลล์ไปยัง basolateral domain
• สำคัญสำหรับการขนส่ง IgG ในลำไส้

Clinical note: Defects in early endosome maturation → enlarged early endosomes → พบใน Alzheimer's disease และ Niemann Pick Disease type C

Endoplasmic Reticulum (ER)

"All eukaryotic cells have an ER"

โครงสร้างของ ER:

• เป็น network ของ membranous tubules และ flattened sacs เรียกว่า Cisternae
• Network interconnected และ membrane ต่อเนื่องกับ outer nuclear membrane
• ภายในเรียกว่า ER lumen หรือ ER cisternal space
• แบ่งเป็น Rough ER และ Smooth ER

หน้าที่ของ ER:

• Lipid and protein biosynthesis
• ER membrane เป็น site of production ของ transmembrane proteins และ lipids สำหรับ organelles อื่นๆ ของเซลล์

ส่วนที่ 3 — Protein Synthesis, Modification และ Golgi Apparatus

Protein Synthesis (Translation)

Translation เกิดขึ้นที่ cytoplasm บน ribosome

ลำดับขั้นตอน:

1. Amino acids ถูก attach กับ tRNA แต่ละตัว
2. tRNA anticodon จับกับ mRNA codon โดย complementary base-pair interactions
3. Small ribosomal subunit จับกับ mRNA ที่ start codon AUG (recognized โดย initiator tRNA)
4. Large ribosomal subunit เข้าร่วม → เริ่ม protein synthesis
5. Ribosome มี 3 sites: A-site (Aminoacyl), P-site (Peptidyl), E-site (Exit)
6. แต่ละ amino acid เพิ่มที่ C-terminal end ของ growing polypeptide ใน 4 steps: aminoacyl-tRNA binding → peptide bond formation → 2 translocation steps
7. Elongation factors ใช้ GTP hydrolysis ขับเคลื่อนกระบวนการ
8. mRNA เคลื่อนในทิศทาง 5'-to-3' จนถึง stop codon (UAA, UAG, หรือ UGA)
9. Release factor → หยุด translation → ปล่อย polypeptide สู่ cytoplasm
10. ใช้เวลา 20 วินาที – หลายนาที (proteins สร้างบน polyribosome)

Post-translational Modification

หลัง translation โปรตีนต้อง fold ให้ถูกต้อง:

• Hsp70 ช่วย folding หลังออกจาก ribosome (ใช้ ATP hydrolysis)
• Hsp60-like complex จับโปรตีนที่ folded ผิดรูปผ่าน hydrophobic protein-binding sites → ช่วย refold (ใช้ ATP)
• Heat shock proteins รู้จัก exposed hydrophobic patches → ป้องกัน protein aggregation
• Ubiquitin covalently จับกับโปรตีนที่ fold ผิดปกติ → ทำลายโปรตีนนั้น (quality control)
• การ modify เพิ่มเติม: glycosylation, phosphorylation, acetylation → mature functional protein

Golgi Apparatus

Golgi apparatus คือ sorting and dispatching station สำหรับ products ของ ER

โครงสร้าง:

• Flattened, membrane-enclosed compartments เรียกว่า cisternae
• มี 3 compartments: cis cisterna → medial cisterna → trans cisterna
• cis-Golgi network (CGN) รับสารจาก ER
• trans-Golgi network (TGN) ส่งสารออกไปยัง destination ต่างๆ

หน้าที่:

• Major site of carbohydrate synthesis
• Lipid และ protein ผ่าน glycosylation โดย glycosyl transferase enzymes
• O-linked glycosylation เกิดที่ Golgi; glycosaminoglycan chains ถูกเพิ่มเข้ากับ core proteins → proteoglycans
• Sulfation ของ sugars ใน proteoglycans และ tyrosine บน proteins เกิดใน late Golgi compartment
• สร้าง polysaccharides เช่น glycosaminoglycans สำหรับ extracellular matrix

ลำดับการทำงาน (cis-to-trans):

เส้นทางขนส่งจาก ER → Golgi:

1. Correctly folded proteins ใน ER ถูก package เข้า COPII-coated transport vesicles
2. Vesicles หลุดจาก ER membrane → uncoating → fuse กันเป็น vesicular tubular clusters
3. Clusters เคลื่อนบน microtubule tracks → fuse กับ cis-Golgi network
4. Retrograde transport: COPI-coated vesicles ส่ง resident ER proteins ที่หลุดออกมากลับคืนสู่ ER