ภายในเซลล์ของร่างกายคนและสิ่งมีชีวิตชั้นสูงต่างๆ มีแหล่งผลิตพลังงานอยู่ในโครงสร้างเล็กๆที่รู้จักว่า "ออร์กาเนลล์" ที่เรียกว่า "ไมโตคอนเดรีย"

เมื่อเร็วๆนี้มีการค้นพบสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ (พวก metazoans) ในตะกอนใต้ทะเลลึกกว่า 3 พันเมตร (เท่ากับ 3 กิโลเมตร) ที่ดำรงชีวิตโดยไม่ใช้ออกซิเจนตลอดทั้งวงจรชีวิต สัตว์ชนิดนี้มีขนาดความยาวเพียง 1 มิลลิเมตร เรียกว่า Loricifera มีออร์กาเนลล์สำหรับสร้างพลังงานที่คล้ายกับไฮดรอเจโนโซมที่ไม่ต้องใช้ออกซิเจน

ไฮดรอเจโนโซม (Hydrogenosome)

  • เป็นออร์การเนลล์ขนาดประมาณ 1 ไมโครเมตร
  • มีเยื่อหุ้มล้อมรอบ  (เหมือนเยื่อหุ้มสองชั้นในไมโตคอนเดรีย)
  • การตั้งชื่อออร์กาเนลล์ มาจากความสามารถในการผลิตไฮโดรเจน
  • พบในสิ่งมีชีวิตพวก 
    • แอนแอโรบิค ซิเลียเอทส์ (anaerobic ciliates) เช่นโปรโตซัวที่อาศัยในทางเดินอาหารในแมลงสาบ 
    • ทริคอโมแนดส์ (Trichomonads) เช่น Trichomonas vaginalis (ก่อโรคติดเชื้อทางเพศสัมพันธ์ในช่องคลอดในคน---ช่องคลอดอักเสบ) 
    • และรา 
  • ไฮดรอเจโนโซมอาจมีวิวัฒนาการมาจากไมโตคอนเดรีย พร้อมๆกับเกิดการหายไปของจีโนม ใน Neocallimastix, Trichomonas vaginalis และ Tritrichomonas foetus อย่างไรก็ตามจีโนมยังคงพบในไฮดรอเจโนโซมของ Nyctotherus ovalis (โปรโตซัวในแมลงสาบ) และ Stramenopile, Blastocystis.


แบบจำลองการสังเคราะห์สารพลังงานสูง ATP ในไฮดรอเจโนโซม เป็นดังภาพต่อไปนี้

Schematic map of hydrogenosomal metabolism.
1, เอนไซม์ Pyruvate:ferredoxin oxidoreductase (PFOR) ในปฏิกริยา Oxidative Carboxylation ของไพรูเวต เอนไซม์ PFOR นี้จะรีดิวซ์เฟอร์รีด็อกซิน (Fd) ได้ Reduced ferredoxin (Fd-) ที่สามารถรีดิวซ์ยาเมโทรนิดาโซลได้
2, acetate:succinate CoA transferase;
3, succinate thiokinase (succinyl-CoA synthetase);
4, hydrogenase;
5, NAD(P) malic enzyme (L-malate: NAD(P)-oxidoreductase [decarboxylating]);
6, NAD:ferredoxin oxidoreductase สามารถรีดิวซ์เฟอร์รีด็อกซินได้ด้วย ดังภาพ
Fd, ferredoxin.

 

ในวงจรดังภาพข้างบนนี้เกี่ยวข้องกับ กลไกการออกฤทธิ์ของยาฆ่าเชื้อ เมโทรนิดาโซล (Metronidazole) ที่ใช้ในการต้านการติดเชื้อพวกแอนแอโรป (พวกที่ดำรงชีวิตได้โดยไม่ใช้ออกซิเจน) ที่เป็นเซลล์พวกโปรคาริโอตส์ เช่น Clostridium, Bacteroides, และ Helicobacter และเซลล์พวกยูคาริโอตส์ เช่น Trichomonas, Giardia, และเชื้อบิดมีตัว Entamoeba โดยยาเมโทรนิดาโซลจะแพร่เข้าสู่เซลล์ของแบคทีเรียหรือโปรโตซัวเหล่านี้(แล้วเข้าสู่ไฮดรอเจโนโซม) จากนั้นยาจะถูกรีดิวซ์โดยสารเฟอร์รีด็อกซินที่เกิดขึ้นจากการสลายไพรูเวตโดยเอนไซม์เฟอร์รีด็อกซิน อ็อกซิโด-รีดัคเตส (pyruvate:ferredoxin oxido-reductase) ดังแสดงในแผนภาพข้างต้น เมื่อถูกรีดิวซ์ยาจะเปลี่ยนแปลงเป็นสารพิษ (metronidazole radical anion) ที่ทำลายเชื้อเหล่านี้ (ทำลายดีเอนเอ) ดังแผนภาพต่อไปนี้

Scheme of metronidazole activation in the hydrogenosome. In the presence of metronidazole, electrons generated by pyruvate:ferredoxin oxidoreductase (PFO) are transported by ferredoxin [2Fe-2S] to the drug (bold arrow) and not to their natural acceptor hydrogenase (HY). Consequently, metronidazole reduction occurs while production of H2 is ceased. The cytotoxic radicals (R-NO-2) are formed as intermediate products of the drug reduction.

อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันมีงานวิจัยที่รายงานว่าเอนไซม์ฟลาวิน (Flavin enzymes) เช่น ฟลาวิน รีดักเตส (Flavin reductase) และไธโอรีด็อกซิน รีดักเตส (Thioredoxin reductase) ซึ่งพบได้ทั่วไปในเซลล์ต่างๆก็สามารถรีดิวซ์ยาเมโทรนิดาโซลได้ [2.] ดังภาพต่อไปนี้

โมเลกุลออกซิเจนสามารถลดผลพิษได้โดยการ รีออกซิไดซ์ reduced
flavins หรือ metronidazole radical anions (Mtzํ-)

 

 

ออร์กาเนลล์อีกชนิดหนึ่ง ที่ลดรูปที่มาจากไมโตคอนเดรียเรียกว่า ไมโตโซม (mitosome) พบครั้งแรกในปรสิตพวกโปรโตซัวก่อโรคในทางเดินอาหารของคน คือเชื้อบิดมีตัว Entamoeba histolytica และต่อมาพบในโปรโตซัวก่อโรคทางเดินอาหารชื่อ Giardia intestinalis

References and more info

[1.] Kulda J. Trichomonads, hydrogenosomes and drug resistance. Int J Parasitol 1999;29:199–212.

[2.] Leitsch D, Kolarich D, Duchêne M. The flavin inhibitor diphenyleneiodonium renders Trichomonas vaginalis resistant to metronidazole, inhibits thioredoxin reductase and flavin reductase, and shuts off hydrogenosomal enzymatic pathways.Mol Biochem Parasitol. 2010 May;171(1):17-24. Epub

[3.] http://www.nature.com/news/2010/100406/full/464825b.html
[4.] http://en.wikipedia.org/wiki/Mitosomes