Zdravý dospělý člověk každý den vytvoří přibližně 50kg ATP, molekuly dodávající buňkám energii, uvádí přehled z roku 2015. Většina vzniká v mitochondriích. Podívejme se, jak mitochondrie funguje, co se mění s věkem a co ji podle studií udržuje v kondici.
To podstatné
- Úplná oxidace jedné molekuly glukózy s pomocí mitochondrií poskytne až 33 ATP oproti 2 při samotné glykolýze (teoretický výpočet z roku 2017).
- Mitochondriální DNA o přibližně 16 600 párech bází nese 37 genů a téměř vždy se dědí od matky.
- Podle studie z roku 2008 tvorba ATP ve svalových mitochondriích s věkem klesá u lidí se sedavým způsobem života, ale nikoli u vytrvalostních sportovců.
- Ve studii z roku 2017 zvýšilo 12 týdnů intervalového tréninku mitochondriální dýchání ve svalech o 69 % u 9 dospělých ve věku 65 až 80 let.
Co je mitochondrie?
Mitochondrie je organela: specializovaný buněčný oddíl ohraničený dvěma membránami, který využívá kyslík k přeměně energie z potravy na ATP. Je viditelná světelným mikroskopem a se sousedními mitochondriemi často tvoří síť trubic, které se neustále dělí a splývají.
Přirovnání k „buněčné elektrárně“ pochází z roku 1957. Přehled z roku 2023 ho považuje za příliš jednoduché a popisuje desítky funkcí.
Dvě membrány, kristy a matrix
Vnější membrána je pórovitá: kanály propouštějí ionty a malé molekuly. Vnitřní membrána je nepropustná a dovoluje průchod jen tomu, co vyberou její přenašeče; udržuje se na ní elektrický rozdíl přibližně 180 milivoltů. Vytváří záhyby zvané kristy, ve kterých se soustřeďuje dýchací řetězec a ATP syntáza. Uprostřed se nachází matrix, bohatá na bílkoviny, která obsahuje mitochondriální DNA a v níž probíhá Krebsův cyklus.
Vlastní DNA děděná od matky
Mitochondrie má vlastní DNA: kruhovou molekulu o přibližně 16 600 párech bází přítomnou ve více kopiích. Jejích 37 genů kóduje 13 bílkovin dýchacího řetězce a ATP syntázy a 24 RNA sloužících k jejich tvorbě. Tato DNA se dědí od matky.
Mutace této DNA nebo genů v jádře způsobují mitochondriální onemocnění: vzácné genetické choroby s rozmanitými příznaky, které vyžadují specializovanou lékařskou péči.
Dávná bakterie, ze které se stala organela
Mitochondrie pochází z bakterie příbuzné alfaproteobakteriím, kterou před přibližně 1,6 miliardy let pohltila jiná buňka: to je teorie endosymbiózy. Uchovává si po této minulosti stopy, například vlastní ribozomy a dýchací komplexy velmi podobné bakteriálním.
Kolik mitochondrií je v buňce?
Záleží na tkáni. Protože mitochondrie často tvoří síť, měří se spíše počet kopií mitochondriální DNA (v každé mitochondrii je jich více): podle přehledu z roku 2023 obvykle 100 až 5 000 na buňku. Buňka srdečního svalu jich obsahuje v průměru přes 6 000, bílá krvinka přibližně 350.
Jak mitochondrie vytváří ATP?
Předává elektrony odebrané živinám (glukóze, mastným kyselinám, některým aminokyselinám) až ke kyslíku a uvolněnou energii využívá k tvorbě ATP. Zde jsou kroky pro glukózu.
| Krok | Kde | Co se děje | Klíčové molekuly |
|---|---|---|---|
| Glykolýza | Cytoplazma | Glukóza se štěpí na dva pyruváty; zisk 2 ATP | Glukóza, pyruvát, NADH |
| Krebsův cyklus | Matrix | Pyruvát přeměněný na acetyl-CoA se oxiduje na CO2 | Acetyl-CoA, NADH, FADH2 |
| Dýchací řetězec | Kristy vnitřní membrány | Elektrony putují až ke kyslíku; protony jsou čerpány | Komplexy I až IV, koenzym Q10, cytochrom c |
| ATP syntáza | Kristy vnitřní membrány | Zpětný tok protonů roztáčí motor vytvářející ATP | ADP, fosfát, ATP |
Komplex I přijímá elektrony z NADH, komplex II ze sukcinátu, meziproduktu Krebsova cyklu. Koenzym Q10 je vede ke komplexu III, poté cytochrom c ke komplexu IV, který je předává kyslíku za vzniku vody. Viz také rozdíl mezi NAD+ a NADH.
Komplexy I, III a IV čerpají protony ven z matrix. Při návratu přes ATP syntázu roztáčejí prstenec z 8 podjednotek, rotor motoru sestavujícího ATP. Celkem poskytne úplná oxidace jedné molekuly glukózy nejvýše 33,45 ATP podle výpočtu z roku 2017.
Volné radikály, vápník, teplo: další úlohy mitochondrií
Při přenosu některé elektrony uniknou a reagují s kyslíkem: vznikají reaktivní formy kyslíku, zejména u komplexů I a III. Dlouho byly považovány za pouhý odpad, slouží však i jako signály. V jedné studii u lidí vysoké dávky antioxidantů dokonce odstranily některé přínosy tréninku (viz oxidační stres a antioxidanty).
Mitochondrie také zachycují a uvolňují vápník, uvolněním cytochromu c spouštějí programovanou buněčnou smrt a vytvářejí teplo, když bílkovina, například UCP1, oddělí dýchání od tvorby ATP. V nadledvinách a pohlavních žlázách zajišťují první krok syntézy steroidních hormonů z cholesterolu.
Jak buňka udržuje své mitochondrie?
Neustálou kontrolou kvality. Mitochondrie nepřetržitě splývají a dělí se, což by mělo umožňovat oddělení poškozené části. Když některá ztratí elektrický potenciál, na jejím povrchu se hromadí bílkovina PINK1 a přivolá Parkin, který ji označí k odstranění: jde o mitofagii. Naopak biogeneze, koordinovaná bílkovinou PGC-1α, rozmnožuje existující mitochondrie.
Co se v mitochondriích s věkem mění?
Jejich schopnost tvořit ATP klesá, výrazně k tomu však přispívá neaktivita. Studie z roku 2008 porovnala 42 mladých (18 až 30 let) nebo starších (59 až 76 let) dospělých, se sedavým způsobem života nebo vytrvalostně trénovaných. U neaktivních lidí tvořily svalové mitochondrie starších osob méně ATP. U sportovců nebyl rozdíl související s věkem statisticky významný, i když starší měli stále méně mitochondriální DNA.
Ne všechny tkáně stárnou stejně. Ve studii z roku 2016 u 152 pitvaných osob ve věku od 3 dnů do 96 let ubývaly kopie mitochondriální DNA s věkem ve svalu, zejména u mužů, ale v játrech přibývaly.
S věkem se hromadí i mutace mitochondriální DNA. U zvířat se mitofagie zpomaluje v jedné oblasti mozku a NAD+, přenašeč elektronů do dýchacího řetězce, klesá v několika tkáních. U lidí tento pokles závisí na tkáni (viz NAD+ a jeho změny s věkem).
Mitochondriální teorie stárnutí vyžaduje upřesnění
Podle teorie volných radikálů navržené v roce 1956 má poškození způsobené oxidanty vyvolávat stárnutí organismu; mitochondrie, které je tvoří, se tak ocitly ve středu této představy. U zvířat neutralizace oxidantů prodloužila život v některých modelech, v jiných nikoli, a někdy ho prodloužilo i větší množství oxidantů.
„Mutátorové“ myši, jejichž mitochondriální DNA hromadí chyby, stárnou předčasně. Jejich mutace se však typem i počtem liší od mutací při běžném stárnutí: úloha mutací při stárnutí zůstává předmětem diskuse.
Jak pečovat o mitochondrie: co ukazují studie?
Pohyb je u lidí nejlépe doloženým prostředkem v každém věku: stimuluje mitochondriální biogenezi.
Vytrvalostní a intervalový trénink
Ve studii z roku 2003 absolvovalo 65 dospělých ve věku 21 až 87 let 16 týdnů vytrvalostního tréninku ve srovnání s 37 kontrolami. Aktivita dvou mitochondriálních enzymů ve svalu stoupla o 45 až 76 % bez ohledu na věk.
V roce 2017 studie náhodně rozdělila dospělé ve věku 18 až 30 let a 65 až 80 let mezi tři programy trvající 12 týdnů. Intervalový program spojoval tři cyklistické tréninky týdně (4 úseky po 4 minutách na více než 90 % maximální spotřeby kyslíku) a dva pěší tréninky. Maximální dýchání svalových mitochondrií zvýšil o 69 % u 9 starších a o 49 % u 14 mladých účastníků. Program mírné cyklistiky a posilování měl významný účinek pouze u mladých (+38 %), samotné posilování v žádné skupině.
Trénink zvyšuje také svalový NAMPT, klíčový enzym recyklace NAD+: viz zkoumané možnosti zvýšení NAD+.
Spánek a strava
Nedostatek spánku by mohl mitochondrie zatěžovat. V malé studii z roku 2021 (24 mladých mužů, tři skupiny po 8) snížilo pět nocí se 4 hodinami v posteli glukózovou toleranci oproti skupině spící 8 hodin. Dýchání svalových mitochondrií kleslo také, přibližně o 18 %, ale bez významného rozdílu oproti této skupině. Tyto poklesy nebyly pozorovány ve skupině, která přidala tři intervalové tréninky.
Pokud jde o stravu, studie z roku 2007 testovala 6 měsíců kalorické restrikce u 36 dospělých s nadváhou. O 25 % nižší příjem kalorií zvýšil množství mitochondriální DNA ve svalu o 35 % (+21 % při restrikci s pohybem, +2 % u kontrol), aniž změnil aktivitu mitochondriálních enzymů. Takovou restrikci nelze zavádět bez přípravy: poraď se se zdravotnickým pracovníkem.
Vitaminy, minerální látky, doplňky: jaké účinky lze uvádět?
Patnáct vitaminů a minerálních látek má schválené tvrzení o energetickém metabolismu: kyselina pantotenová, biotin, vápník, měď, železo, jód, hořčík, mangan, niacin, fosfor, riboflavin, thiamin a vitaminy B6, B12 a C. Výrobek musí být alespoň „zdrojem“ ve smyslu předpisů.
Některé pracují v mitochondrii. Riboflavin (B2) slouží flavinovým enzymům dýchacího řetězce, niacin (B3) k tvorbě NADH a kyselina pantotenová (B5) k tvorbě koenzymu A. Thiamin (B1) je nezbytný pro enzymové komplexy Krebsova cyklu a železo je součástí osmi železo-sirných center komplexu I.
Přesná znění: „Riboflavin přispívá k normálnímu energetickému metabolismu“, „Niacin přispívá k normálnímu energetickému metabolismu“ a „Hořčík přispívá k normálnímu energetickému metabolismu“. Viz naše články o vitaminu B3 a o formách hořčíku. Koenzym Q10, L-karnitin ani kyselina alfa-lipoová žádné schválené zdravotní tvrzení nemají.
Prekurzory NAD+ zůstávají předmětem výzkumu. Ve studii z roku 2020 u 40 mužů s obezitou a inzulinovou rezistencí nezměnily 2g nikotinamidribosidu denně po dobu 12 týdnů oproti placebu svalový NAD+ ani mitochondrie (dýchání, množství, tvar). Další studie najdeš v našem srovnání NMN a NR.
Časté otázky
Má mitochondrie jádro?
Ne. Její DNA je uspořádána do malých balíčků, nukleoidů, které nejčastěji obsahují jedinou kopii mitochondriálního genomu.
Proč se mitochondrie označuje za semiautonomní?
Protože má vlastní DNA, ale vytváří jen nepatrnou část svých bílkovin. Během evoluce přenesla až 99 % svých genů do jádra: většina jejích bílkovin vzniká v cytoplazmě a poté se do ní dováží.
Mají všechny naše buňky mitochondrie?
Téměř všechny. Výjimkou jsou červené krvinky: při dozrávání ztrácejí jádro a odstraňují mitochondrie mitofagií díky bílkovině zvané NIX.
Pochází mitochondriální DNA vždy od matky?
Téměř vždy. V roce 2002 byl popsán případ otcovského původu ve svalu pacienta s myopatií, ale nikoli u dalších později zkoumaných pacientů: tento přenos zůstává výjimečný a diskutovaný.
Lze změřit stav vlastních mitochondrií?
Ne jednoduše. Zde uvedené studie analyzují mitochondrie získané svalovou biopsií. Počet kopií mitochondriální DNA, někdy měřený v krvi, se mezi tkáněmi liší a u stejného člověka často nekoreluje: nemusí tedy vypovídat o ostatních tkáních.
Může přetrvávající únava pocházet z mitochondriálního onemocnění?
Je to možné, ale málo pravděpodobné: tyto genetické nemoci jsou vzácné. Dlouhodobá únava má mnoho dalších příčin: pokud přetrvává déle než několik týdnů, obrať se na lékaře.
Závěr
Mitochondrie je mnohem více než elektrárna: vytváří většinu ATP, ale řídí také vápník, buněčnou smrt, tvorbu tepla a některých hormonů. S věkem její kapacita klesá, zčásti kvůli neaktivitě. Vytrvalostní a intervalový trénink zůstávají nejlépe doloženými prostředky i po 65 letech.
Zdroje
- Kühlbrandt W (2015). Structure and function of mitochondrial membrane protein complexes. BMC Biology, 13, 89. doi:10.1186/s12915-015-0201-x
- Taylor RW, Turnbull DM (2005). Mitochondrial DNA mutations in human disease. Nature Reviews Genetics, 6(5), 389-402. doi:10.1038/nrg1606
- 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
- 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
- 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
- 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
- Lanza IR et al. (2008). Endurance exercise as a countermeasure for aging. Diabetes, 57(11), 2933-2942. doi:10.2337/db08-0349
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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 (konsolidované znění ze dne 19. srpna 2024). eur-lex.europa.eu
Doplňky stravy nenahrazují pestrou a vyváženou stravu ani zdravý životní styl. Pokud užíváš léky, jsi těhotná nebo kojíš, poraď se se zdravotnickým pracovníkem.
