Митохондрия: роля, производство на енергия и влияние на възрастта

Всеки ден здрав възрастен произвежда около 50 kg АТФ — молекулата, която осигурява енергия на клетките, според обзор от 2015 г. По-голямата част идва от митохондриите. Ето как работи една митохондрия, какво се променя с възрастта и какво я поддържа според изследванията.

Какво е митохондрия?

Митохондрията е органел: специализирано отделение на клетката, оградено от две мембрани, което използва кислород, за да преобразува енергията от храната в АТФ. Видима с оптичен микроскоп, тя често образува със съседните митохондрии мрежа от тръбички, които непрекъснато се делят и сливат.

Образът на „електроцентралата на клетката“ датира от 1957 г. Обзор от 2023 г. го смята за твърде опростен и изброява десетки функции.

Две мембрани, кристи и матрикс

Външната мембрана е пореста: канали пропускат йони и малки молекули. Вътрешната мембрана е непропусклива и допуска само избраното от нейните транспортери; през нея се поддържа електрическа разлика от около 180 миливолта. Нагъва се в кристи, където се концентрират дихателната верига и АТФ синтазата. В центъра е матриксът, богат на белтъци, който съдържа митохондриалната ДНК и цикъла на Кребс.

Самостоятелна ДНК, предавана от майката

Митохондрията има собствена ДНК: кръгова молекула с около 16 600 базови двойки, налична в няколко копия. Нейните 37 гена кодират 13 белтъка на дихателната верига и АТФ синтазата, както и 24 РНК, необходими за производството им. Тази ДНК се предава от майката.

Мутации в тази ДНК или в гени на ядрото причиняват митохондриални заболявания: редки генетични заболявания с разнообразни симптоми, изискващи специализирано медицинско наблюдение.

Древна бактерия, превърнала се в органел

Митохондрията произлиза от бактерия, сродна с алфапротеобактериите, погълната от друга клетка преди около 1,6 милиарда години: това е теорията за ендосимбиозата. Запазени следи са собствените ѝ рибозоми и дихателни комплекси, много близки до бактериалните.

Колко митохондрии има в една клетка?

Зависи от тъканта. Тъй като митохондриите често образуват мрежа, по-скоро се измерва броят копия на митохондриалната ДНК (няколко във всяка митохондрия): обикновено от 100 до 5 000 на клетка според обзор от 2023 г. Една клетка на сърдечния мускул съдържа средно над 6 000, а един бял кръвен телец — около 350.

Как митохондрията произвежда АТФ?

Тя пренася отнетите от хранителните вещества електрони (от глюкоза, мастни киселини, някои аминокиселини) до кислорода и използва освободената енергия за производство на АТФ. Ето стъпките при глюкозата.

Комплекс I получава електроните от NADH, а комплекс II — от сукцината, междинен продукт в цикъла на Кребс. Коензим Q10 ги пренася до комплекс III, а след това цитохром c — до комплекс IV, който ги предава на кислорода за образуване на вода. Виж също разликата между NAD+ и NADH.

Комплексите I, III и IV изпомпват протони извън матрикса. При обратното си преминаване през АТФ синтазата те завъртат пръстен от 8 субединици — ротора на мотор, който сглобява АТФ. Общо пълното окисление на една глюкоза дава най-много 33,45 АТФ според изчисление от 2017 г.

Свободни радикали, калций, топлина: другите роли на митохондриите

При движението си някои електрони се изплъзват и реагират с кислорода: образуват се реактивни кислородни видове, главно при комплексите I и III. Дълго смятани за обикновен отпадък, те служат и като сигнали. В изпитване при хора високи дози антиоксиданти дори премахват някои ползи от тренировките (виж оксидативния стрес и антиоксидантите).

Митохондриите също улавят и освобождават калций, задействат програмираната клетъчна смърт чрез освобождаване на цитохром c и произвеждат топлина, когато белтък като UCP1 разединява дишането от производството на АТФ. В надбъбречните и половите жлези те изпълняват първата стъпка от синтеза на стероидни хормони от холестерол.

Как клетката поддържа митохондриите си?

Чрез непрекъснат контрол на качеството. Митохондриите постоянно се сливат и делят, което би позволило отделянето на повреден участък. Когато някоя загуби електрическия си потенциал, белтъкът PINK1 се натрупва по повърхността ѝ и привлича Parkin, който я обозначава за унищожаване: това е митофагията. Обратно, биогенезата, координирана от белтъка PGC-1α, умножава съществуващите митохондрии.

Какво променят годините в митохондриите?

Способността им да произвеждат АТФ намалява, но обездвижването значително допринася за това. Изследване от 2008 г. сравнява 42 млади (18–30 години) или по-възрастни (59–76 години) възрастни със заседнал начин на живот или трениращи за издръжливост. При заседналите по-възрастни хора мускулните митохондрии произвеждат по-малко АТФ. При спортуващите разликата според възрастта не е статистически значима, въпреки че по-възрастните запазват по-малко митохондриална ДНК.

Не всички тъкани стареят еднакво. В изследване от 2016 г. на 152 аутопсирани души на възраст от 3 дни до 96 години копията на митохондриалната ДНК намаляват с възрастта в мускулите, особено при мъжете, но се увеличават в черния дроб.

Мутациите в митохондриалната ДНК също се натрупват с възрастта. При животни митофагията се забавя в една мозъчна област, а NAD+ — преносител на електрони към дихателната верига — намалява в няколко тъкани. При хората този спад зависи от тъканта (виж NAD+ и промените му с възрастта).

Митохондриалната теория на стареенето изисква уточнения

Според теорията за свободните радикали, предложена през 1956 г., уврежданията от оксиданти биха причинявали стареенето; митохондриите, които ги произвеждат, се оказват в центъра на тази идея. При животни неутрализирането на тези оксиданти удължава живота в някои модели, но не и в други, а понякога повече оксиданти също го удължават.

„Мутаторните“ мишки, чиято митохондриална ДНК натрупва грешки, стареят преждевременно. Но мутациите им се различават по вид и брой от тези при нормалното стареене: ролята на мутациите в стареенето остава спорна.

Как да поддържаме митохондриите: какво показват изследванията?

Физическата активност е най-добре доказаното средство при хората във всяка възраст: тя стимулира митохондриалната биогенеза.

Издръжливост и интервални тренировки

В изпитване от 2003 г. 65 възрастни на 21–87 години следват 16 седмици тренировки за издръжливост в сравнение с 37 контроли. Активността на два митохондриални ензима в мускулите нараства с 45–76 % независимо от възрастта.

През 2017 г. изпитване разпределя на случаен принцип възрастни на 18–30 и 65–80 години в три програми от по 12 седмици. Интервалната програма съчетава три сесии колоездене седмично (4 пъти по 4 минути при над 90 % от максималната кислородна консумация) и две сесии ходене. Тя увеличава максималното дишане на мускулните митохондрии с 69 % при 9-те по-възрастни участници и с 49 % при 14-те млади. Програмата с умерено колоездене и силови тренировки има статистически значим ефект само при младите (+38 %), а само силовите тренировки — в нито една група.

Тренировките увеличават и мускулния NAMPT — ключовия ензим за рециклиране на NAD+: виж изследваните начини за повишаване на NAD+.

Сън и хранене

Недоспиването може да се отразява на митохондриите. В малко изпитване от 2021 г. (24 млади мъже, три групи по 8) пет нощи с по 4 часа в леглото намаляват глюкозния толеранс спрямо групата, спяща по 8 часа. Мускулното митохондриално дишане също спада с около 18 %, но без статистически значима разлика спрямо тази група. Тези спадове не се наблюдават в групата, която добавя три интервални тренировки.

За храненето изпитване от 2007 г. тества 6 месеца калорийно ограничение при 36 възрастни с наднормено тегло. Приемът на 25 % по-малко калории увеличава количеството митохондриална ДНК в мускулите с 35 % (+21 % при ограничение и упражнения, +2 % при контролите), без да променя активността на митохондриалните ензими. Такова ограничение не бива да се предприема самоволно: потърси съвет от медицински специалист.

Витамини, минерали, добавки: какво може да се твърди?

Петнадесет витамина и минерала имат разрешена претенция за енергийния метаболизъм: пантотенова киселина, биотин, калций, мед, желязо, йод, магнезий, манган, ниацин, фосфор, рибофлавин, тиамин и витамини B6, B12 и C. Продуктът трябва да бъде поне „източник“ на съответното хранително вещество по смисъла на регламента.

Няколко действат в митохондрията. Рибофлавинът (B2) служи на флавиновите ензими на дихателната верига, ниацинът (B3) — за образуване на NADH, а пантотеновата киселина (B5) — на коензим А. Тиаминът (B1) е незаменим за ензимни комплекси в цикъла на Кребс, а желязото влиза в осемте желязо-серни центъра на комплекс I.

Точни формулировки: „Рибофлавинът допринася за нормалното протичане на метаболизма и производството на енергия“, „Ниацинът допринася за нормалното протичане на метаболизма и производството на енергия“ и „Магнезият допринася за нормалното протичане на метаболизма и производството на енергия“. Виж статиите ни за витамин B3 и за формите на магнезия. За коензим Q10, L-карнитин и алфа-липоева киселина обаче няма разрешена здравна претенция.

Прекурсорите на NAD+ остават тема на изследвания. В изпитване от 2020 г. при 40 мъже със затлъстяване и инсулинова резистентност 2 g никотинамид рибозид дневно в продължение на 12 седмици, в сравнение с плацебо, не променят нито мускулния NAD+, нито митохондриите (дишане, количество, форма). Другите изпитвания са представени в нашето сравнение NMN или NR.

Често задавани въпроси

Митохондрията има ли ядро?

Не. Нейната ДНК е уплътнена в малки пакети — нуклеоиди, които най-често съдържат едно копие на митохондриалния геном.

Защо митохондрията се нарича полуавтономна?

Защото има собствена ДНК, но произвежда само нищожна част от белтъците си. В хода на еволюцията тя е прехвърлила до 99 % от гените си в ядрото: повечето ѝ белтъци се произвеждат в цитоплазмата и след това се внасят в нея.

Всички наши клетки имат ли митохондрии?

Почти всички. Изключение са червените кръвни телца: при съзряването губят ядрото си и отстраняват митохондриите чрез митофагия благодарение на белтък, наречен NIX.

Митохондриалната ДНК винаги ли идва от майката?

Почти винаги. През 2002 г. е описан случай на бащин произход в мускула на пациент с миопатия, но не и при другите пациенти, изследвани след това: това предаване остава изключително рядко и спорно.

Може ли да се измери състоянието на митохондриите?

Не е лесно. Цитираните изпитвания анализират митохондрии, взети чрез мускулна биопсия. Броят копия на митохондриалната ДНК, понякога измерван в кръвта, варира между тъканите, често без връзка при един и същ човек: затова невинаги дава информация за другите тъкани.

Може ли постоянната умора да идва от митохондриално заболяване?

Възможно е, но е малко вероятно: тези генетични заболявания са редки. Продължителната умора има много други причини: ако продължава повече от няколко седмици, потърси лекар.

Заключение

Митохондрията е много повече от електроцентрала: произвежда по-голямата част от АТФ, но управлява и калция, клетъчната смърт, топлината и някои хормони. С възрастта капацитетът ѝ намалява, отчасти поради обездвижване. Тренировките за издръжливост и интервалните тренировки остават най-добре доказаните средства, включително след 65 години.

Източници

1. Kühlbrandt W (2015). Structure and function of mitochondrial membrane protein complexes. BMC Biology, 13, 89. doi:10.1186/s12915-015-0201-x
2. Taylor RW, Turnbull DM (2005). Mitochondrial DNA mutations in human disease. Nature Reviews Genetics, 6(5), 389-402. doi:10.1038/nrg1606
3. Monzel AS, Enríquez JA, Picard M (2023). Multifaceted mitochondria: moving mitochondrial science beyond function and dysfunction. Nature Metabolism, 5(4), 546-562. doi:10.1038/s42255-023-00783-1
4. Wachsmuth M et al. (2016). Age-related and heteroplasmy-related variation in human mtDNA copy number. PLoS Genetics, 12(3), e1005939. doi:10.1371/journal.pgen.1005939
5. Mookerjee SA et al. (2017). Quantifying intracellular rates of glycolytic and oxidative ATP production and consumption using extracellular flux measurements. Journal of Biological Chemistry, 292(17), 7189-7207. doi:10.1074/jbc.M116.774471
6. Sun N, Youle RJ, Finkel T (2016). The mitochondrial basis of aging. Molecular Cell, 61(5), 654-666. doi:10.1016/j.molcel.2016.01.028
7. Lanza IR et al. (2008). Endurance exercise as a countermeasure for aging. Diabetes, 57(11), 2933-2942. doi:10.2337/db08-0349
8. Short KR et al. (2003). Impact of aerobic exercise training on age-related changes in insulin sensitivity and muscle oxidative capacity. Diabetes, 52(8), 1888-1896. doi:10.2337/diabetes.52.8.1888
9. Robinson MM et al. (2017). Enhanced protein translation underlies improved metabolic and physical adaptations to different exercise training modes in young and old humans. Cell Metabolism, 25(3), 581-592. doi:10.1016/j.cmet.2017.02.009
10. Saner NJ et al. (2021). Exercise mitigates sleep-loss-induced changes in glucose tolerance, mitochondrial function, sarcoplasmic protein synthesis, and diurnal rhythms. Molecular Metabolism, 43, 101110. doi:10.1016/j.molmet.2020.101110
11. Civitarese AE et al. (2007). Calorie restriction increases muscle mitochondrial biogenesis in healthy humans. PLoS Medicine, 4(3), e76. doi:10.1371/journal.pmed.0040076
12. Depeint F et al. (2006). Mitochondrial function and toxicity: role of the B vitamin family on mitochondrial energy metabolism. Chemico-Biological Interactions, 163(1-2), 94-112. doi:10.1016/j.cbi.2006.04.014
13. Dollerup OL et al. (2020). Nicotinamide riboside does not alter mitochondrial respiration, content or morphology in skeletal muscle from obese and insulin-resistant men. The Journal of Physiology, 598(4), 731-754. doi:10.1113/JP278752
14. Règlement (UE) n° 432/2012 de la Commission du 16 mai 2012 établissant une liste des allégations de santé autorisées portant sur les denrées alimentaires, autres que celles faisant référence à la réduction du risque de maladie ainsi qu'au développement et à la santé infantiles. Journal officiel de l'Union européenne, L 136, 1-40 (консолидирана редакция от 19 август 2024 г.). eur-lex.europa.eu

Хранителните добавки не заменят разнообразното и балансирано хранене и здравословния начин на живот. Потърси съвет от медицински специалист при лечение, бременност или кърмене.