Μιτοχόνδριο: ρόλος, παραγωγή ενέργειας και επίδραση της ηλικίας

Κάθε ημέρα, ένας υγιής ενήλικας παράγει περίπου 50kg ATP, του μορίου που παρέχει ενέργεια στα κύτταρα, σύμφωνα με ανασκόπηση του 2015. Το μεγαλύτερο μέρος προέρχεται από τα μιτοχόνδριά του. Ας δούμε πώς λειτουργεί ένα μιτοχόνδριο, τι αλλάζει με την ηλικία και τι το συντηρεί σύμφωνα με τις μελέτες.

Τι είναι το μιτοχόνδριο;

Το μιτοχόνδριο είναι οργανίδιο: ένα εξειδικευμένο διαμέρισμα του κυττάρου, οριοθετημένο από δύο μεμβράνες, που χρησιμοποιεί οξυγόνο για να μετατρέψει την ενέργεια των τροφών σε ATP. Ορατό στο οπτικό μικροσκόπιο, συχνά σχηματίζει με τα γειτονικά του ένα δίκτυο σωλήνων που διαιρούνται και συντήκονται συνεχώς.

Η εικόνα του «ενεργειακού σταθμού του κυττάρου» χρονολογείται από το 1957. Μια ανασκόπηση του 2023 τη θεωρεί υπερβολικά απλή και καταγράφει δεκάδες λειτουργίες.

Δύο μεμβράνες, ακρολοφίες και μήτρα

Η εξωτερική μεμβράνη είναι πορώδης: δίαυλοι επιτρέπουν τη διέλευση ιόντων και μικρών μορίων. Η εσωτερική μεμβράνη, αδιαπέραστη, επιτρέπει τη διέλευση μόνο όσων επιλέγουν οι μεταφορείς της· διατηρείται σε αυτή ηλεκτρική διαφορά περίπου 180 μιλιβόλτ. Διπλώνεται σε ακρολοφίες, όπου συγκεντρώνονται η αναπνευστική αλυσίδα και η συνθάση ATP. Στο κέντρο, η μήτρα, πλούσια σε πρωτεΐνες, φιλοξενεί το μιτοχονδριακό DNA και τον κύκλο του Krebs.

Ξεχωριστό DNA, που μεταβιβάζεται από τη μητέρα

Το μιτοχόνδριο έχει δικό του DNA: ένα κυκλικό μόριο περίπου 16 600 ζευγών βάσεων, που υπάρχει σε πολλά αντίγραφα. Τα 37 γονίδιά του κωδικοποιούν 13 πρωτεΐνες της αναπνευστικής αλυσίδας και της συνθάσης ATP και 24 RNA που χρησιμεύουν για την παραγωγή τους. Αυτό το DNA μεταβιβάζεται από τη μητέρα.

Μεταλλάξεις αυτού του DNA ή γονιδίων του πυρήνα προκαλούν μιτοχονδριακά νοσήματα: σπάνιες γενετικές νόσους με ποικίλα συμπτώματα, που απαιτούν εξειδικευμένη ιατρική παρακολούθηση.

Ένα αρχαίο βακτήριο που έγινε οργανίδιο

Το μιτοχόνδριο προέρχεται από βακτήριο συγγενικό με τα αλφαπρωτεοβακτήρια, που απορροφήθηκε από άλλο κύτταρο πριν από περίπου 1,6 δισεκατομμύρια χρόνια: αυτή είναι η θεωρία της ενδοσυμβίωσης. Διατηρεί ίχνη αυτής της προέλευσης, όπως δικά του ριβοσώματα και αναπνευστικά σύμπλοκα πολύ παρόμοια με τα βακτηριακά.

Πόσα μιτοχόνδρια έχει ένα κύτταρο;

Εξαρτάται από τον ιστό. Επειδή τα μιτοχόνδρια συχνά σχηματίζουν δίκτυο, μετριέται κυρίως ο αριθμός αντιγράφων μιτοχονδριακού DNA (πολλά ανά μιτοχόνδριο): γενικά από 100 έως 5 000 ανά κύτταρο, σύμφωνα με ανασκόπηση του 2023. Ένα κύτταρο του καρδιακού μυός περιέχει κατά μέσο όρο περισσότερα από 6 000, ένα λευκό αιμοσφαίριο περίπου 350.

Πώς παράγει ATP το μιτοχόνδριο;

Μεταφέρει τα ηλεκτρόνια που αφαιρούνται από θρεπτικά συστατικά (γλυκόζη, λιπαρά οξέα, ορισμένα αμινοξέα) έως το οξυγόνο και χρησιμοποιεί την ενέργεια που απελευθερώνεται για να παράγει ATP. Ακολουθούν τα βήματα για τη γλυκόζη.

Το σύμπλοκο I δέχεται ηλεκτρόνια από το NADH, ενώ το σύμπλοκο II από το ηλεκτρικό οξύ, ενδιάμεσο του κύκλου του Krebs. Το συνένζυμο Q10 τα οδηγεί στο σύμπλοκο III, έπειτα το κυτόχρωμα c στο σύμπλοκο IV, που τα παραδίδει στο οξυγόνο για να σχηματιστεί νερό. Δείτε επίσης τη διαφορά ανάμεσα στο NAD+ και το NADH.

Τα σύμπλοκα I, III και IV αντλούν πρωτόνια έξω από τη μήτρα. Επιστρέφοντας μέσα από τη συνθάση ATP, περιστρέφουν έναν δακτύλιο 8 υπομονάδων, τον ρότορα ενός κινητήρα που συναρμολογεί ATP. Συνολικά, η πλήρης οξείδωση ενός μορίου γλυκόζης αποδίδει το πολύ 33,45 ATP, σύμφωνα με υπολογισμό του 2017.

Ελεύθερες ρίζες, ασβέστιο, θερμότητα: οι άλλοι ρόλοι των μιτοχονδρίων

Κατά τη μεταφορά, ορισμένα ηλεκτρόνια διαφεύγουν και αντιδρούν με το οξυγόνο: σχηματίζονται δραστικές μορφές οξυγόνου, κυρίως στα σύμπλοκα I και III. Για πολύ καιρό θεωρούνταν απλά απόβλητα, αλλά χρησιμεύουν και ως σήματα. Σε ανθρώπινη δοκιμή, υψηλές δόσεις αντιοξειδωτικών εξάλειψαν μάλιστα ορισμένα οφέλη της προπόνησης (δείτε το οξειδωτικό στρες και τα αντιοξειδωτικά).

Τα μιτοχόνδρια επίσης προσλαμβάνουν και απελευθερώνουν ασβέστιο, πυροδοτούν τον προγραμματισμένο κυτταρικό θάνατο απελευθερώνοντας κυτόχρωμα c και παράγουν θερμότητα όταν μια πρωτεΐνη όπως η UCP1 αποσυνδέει την αναπνοή από την παραγωγή ATP. Στα επινεφρίδια και στις γονάδες εξασφαλίζουν το πρώτο βήμα σύνθεσης στεροειδών ορμονών από τη χοληστερόλη.

Πώς συντηρεί το κύτταρο τα μιτοχόνδριά του;

Με συνεχή έλεγχο ποιότητας. Τα μιτοχόνδρια συντήκονται και διαιρούνται αδιάκοπα, κάτι που ενδέχεται να επιτρέπει την απομόνωση ενός φθαρμένου τμήματος. Όταν ένα χάσει το ηλεκτρικό δυναμικό του, η πρωτεΐνη PINK1 συσσωρεύεται στην επιφάνειά του και προσελκύει την Parkin, η οποία το σηματοδοτεί για καταστροφή: αυτή είναι η μιτοφαγία. Αντίστροφα, η βιογένεση, που συντονίζεται από την πρωτεΐνη PGC-1α, πολλαπλασιάζει τα υπάρχοντα μιτοχόνδρια.

Τι αλλάζει με τα χρόνια στα μιτοχόνδρια;

Η ικανότητά τους να παράγουν ATP μειώνεται, αλλά η αδράνεια συμβάλλει σημαντικά. Μελέτη του 2008 συνέκρινε 42 νέους (18 έως 30 ετών) ή μεγαλύτερους ενηλίκους (59 έως 76 ετών), με καθιστική ζωή ή προπονημένους στην αντοχή. Στα άτομα με καθιστική ζωή, τα μυϊκά μιτοχόνδρια των μεγαλύτερων παρήγαν λιγότερο ATP. Στους αθλητές, η διαφορά λόγω ηλικίας δεν ήταν στατιστικά σημαντική, παρότι οι μεγαλύτεροι διατηρούσαν λιγότερο μιτοχονδριακό DNA.

Δεν γερνούν όλοι οι ιστοί με τον ίδιο τρόπο. Σε μελέτη του 2016 με 152 νεκροτομημένα άτομα, ηλικίας από 3 ημερών έως 96 ετών, τα αντίγραφα μιτοχονδριακού DNA μειώνονταν με την ηλικία στους μύες, κυρίως στους άνδρες, αλλά αυξάνονταν στο ήπαρ.

Οι μεταλλάξεις του μιτοχονδριακού DNA επίσης συσσωρεύονται με την ηλικία. Στα ζώα, η μιτοφαγία επιβραδύνεται σε μια περιοχή του εγκεφάλου και το NAD+, φορέας ηλεκτρονίων προς την αναπνευστική αλυσίδα, μειώνεται σε αρκετούς ιστούς. Στον άνθρωπο, η μείωση αυτή εξαρτάται από τον ιστό (δείτε το NAD+ και την εξέλιξή του με την ηλικία).

Η μιτοχονδριακή θεωρία της γήρανσης χρειάζεται διευκρινίσεις

Σύμφωνα με τη θεωρία των ελεύθερων ριζών, που προτάθηκε το 1956, οι βλάβες από τα οξειδωτικά θα προκαλούσαν τη γήρανση του οργανισμού· τα μιτοχόνδρια, που τα παράγουν, βρέθηκαν στο επίκεντρο αυτής της ιδέας. Στα ζώα, η εξουδετέρωση αυτών των οξειδωτικών παρέτεινε τη ζωή σε ορισμένα μοντέλα, όχι σε άλλα, ενώ περισσότερα οξειδωτικά μερικές φορές την παρέτειναν.

Τα ποντίκια «μεταλλάκτες», των οποίων το μιτοχονδριακό DNA συσσωρεύει σφάλματα, γερνούν πρόωρα. Οι μεταλλάξεις τους όμως διαφέρουν, ως προς το είδος και τον αριθμό, από εκείνες της φυσιολογικής γήρανσης: ο ρόλος των μεταλλάξεων στη γήρανση παραμένει υπό συζήτηση.

Πώς συντηρούμε τα μιτοχόνδρια: τι δείχνουν οι μελέτες;

Η σωματική δραστηριότητα είναι το καλύτερα τεκμηριωμένο μέσο στον άνθρωπο, σε κάθε ηλικία: διεγείρει τη μιτοχονδριακή βιογένεση.

Αντοχή και διαλειμματική προπόνηση

Σε δοκιμή του 2003, 65 ενήλικες 21 έως 87 ετών ακολούθησαν 16 εβδομάδες προπόνησης αντοχής, σε σύγκριση με 37 άτομα ελέγχου. Η δραστηριότητα δύο μυϊκών μιτοχονδριακών ενζύμων αυξήθηκε κατά 45 έως 76 %, ανεξάρτητα από την ηλικία.

Το 2017, μια δοκιμή κατένειμε τυχαία ενηλίκους 18 έως 30 ετών και 65 έως 80 ετών σε τρία προγράμματα 12 εβδομάδων. Το διαλειμματικό πρόγραμμα συνδύαζε τρεις ποδηλατικές συνεδρίες την εβδομάδα (4 επαναλήψεις των 4 λεπτών σε πάνω από 90 % της μέγιστης κατανάλωσης οξυγόνου) και δύο βάδισης. Αύξησε τη μέγιστη αναπνοή των μυϊκών μιτοχονδρίων κατά 69 % στους 9 μεγαλύτερους συμμετέχοντες και κατά 49 % στους 14 νέους. Το πρόγραμμα μέτριας ποδηλασίας και ενδυνάμωσης είχε στατιστικά σημαντική επίδραση μόνο στους νέους (+38 %), ενώ η ενδυνάμωση μόνη της σε καμία ομάδα.

Η προπόνηση αυξάνει επίσης τη μυϊκή NAMPT, το βασικό ένζυμο ανακύκλωσης του NAD+: δείτε τις μελετημένες δυνατότητες αύξησης του NAD+.

Ύπνος και διατροφή

Η έλλειψη ύπνου ενδέχεται να επιβαρύνει τα μιτοχόνδρια. Σε μικρή δοκιμή του 2021 (24 νέοι άνδρες, τρεις ομάδες των 8), πέντε νύχτες με 4 ώρες στο κρεβάτι μείωσαν την ανοχή στη γλυκόζη σε σχέση με την ομάδα που κοιμόταν 8 ώρες. Η μυϊκή μιτοχονδριακή αναπνοή επίσης μειώθηκε περίπου 18 %, αλλά χωρίς στατιστικά σημαντική διαφορά από αυτή την ομάδα. Αυτές οι μειώσεις δεν παρατηρήθηκαν στην ομάδα που πρόσθεσε τρεις συνεδρίες διαλειμματικής προπόνησης.

Στη διατροφή, μια δοκιμή του 2007 εξέτασε 6 μήνες θερμιδικού περιορισμού σε 36 ενηλίκους με υπερβάλλον βάρος. Η κατανάλωση 25 % λιγότερων θερμίδων αύξησε κατά 35 % την ποσότητα μυϊκού μιτοχονδριακού DNA (+21 % με περιορισμό και άσκηση, +2 % στα άτομα ελέγχου), χωρίς να αλλάξει τη δραστηριότητα των μιτοχονδριακών ενζύμων. Ένας τέτοιος περιορισμός δεν αυτοσχεδιάζεται: ζητήστε τη συμβουλή επαγγελματία υγείας.

Βιταμίνες, μέταλλα, συμπληρώματα: τι μπορεί να δηλώνεται;

Δεκαπέντε βιταμίνες και μέταλλα διαθέτουν εγκεκριμένο ισχυρισμό για τον ενεργειακό μεταβολισμό: παντοθενικό οξύ, βιοτίνη, ασβέστιο, χαλκός, σίδηρος, ιώδιο, μαγνήσιο, μαγγάνιο, νιασίνη, φώσφορος, ριβοφλαβίνη, θειαμίνη και βιταμίνες B6, B12 και C. Το προϊόν πρέπει να είναι τουλάχιστον «πηγή» κατά την έννοια της νομοθεσίας.

Αρκετά λειτουργούν στο μιτοχόνδριο. Η ριβοφλαβίνη (B2) χρησιμεύει στα φλαβινικά ένζυμα της αναπνευστικής αλυσίδας, η νιασίνη (B3) στην παραγωγή NADH, το παντοθενικό οξύ (B5) στον σχηματισμό συνενζύμου A. Η θειαμίνη (B1) είναι απαραίτητη σε ενζυμικά σύμπλοκα του κύκλου του Krebs και ο σίδηρος αποτελεί μέρος των οκτώ κέντρων σιδήρου-θείου του συμπλόκου I.

Ακριβείς διατυπώσεις: «Η ριβοφλαβίνη συμβάλλει στη φυσιολογική λειτουργία των μεταβολικών διεργασιών που αποσκοπούν στην παραγωγή ενέργειας», «Η νιασίνη συμβάλλει στη φυσιολογική λειτουργία των μεταβολικών διεργασιών που αποσκοπούν στην παραγωγή ενέργειας» και «Το μαγνήσιο συμβάλλει στη φυσιολογική λειτουργία των μεταβολικών διεργασιών που αποσκοπούν στην παραγωγή ενέργειας». Δείτε τα άρθρα μας για τη βιταμίνη B3 και για τις μορφές μαγνησίου. Το συνένζυμο Q10, η L-καρνιτίνη και το άλφα-λιποϊκό οξύ δεν διαθέτουν κανέναν εγκεκριμένο ισχυρισμό υγείας.

Οι πρόδρομες ουσίες του NAD+ παραμένουν ερευνητικό θέμα. Σε δοκιμή του 2020 με 40 άνδρες με παχυσαρκία και αντίσταση στην ινσουλίνη, 2g ριβοζιδίου νικοτιναμιδίου την ημέρα για 12 εβδομάδες, σε σύγκριση με εικονικό φάρμακο, δεν άλλαξαν ούτε το μυϊκό NAD+ ούτε τα μιτοχόνδρια (αναπνοή, ποσότητα, μορφή). Οι άλλες δοκιμές παρουσιάζονται στη σύγκρισή μας NMN ή NR.

Συχνές ερωτήσεις

Έχει πυρήνα το μιτοχόνδριο;

Όχι. Το DNA του συμπυκνώνεται σε μικρά πακέτα, τα νουκλεοειδή, που συνήθως περιέχουν ένα μόνο αντίγραφο του μιτοχονδριακού γονιδιώματος.

Γιατί λέμε ότι το μιτοχόνδριο είναι ημιαυτόνομο;

Επειδή έχει δικό του DNA, αλλά παράγει μόνο ένα ελάχιστο μέρος των πρωτεϊνών του. Στην πορεία της εξέλιξης μετέφερε έως το 99 % των γονιδίων του στον πυρήνα: οι περισσότερες πρωτεΐνες του παράγονται στο κυτταρόπλασμα και στη συνέχεια εισάγονται.

Έχουν όλα τα κύτταρά μας μιτοχόνδρια;

Σχεδόν όλα. Τα ερυθρά αιμοσφαίρια αποτελούν εξαίρεση: καθώς ωριμάζουν, χάνουν τον πυρήνα τους και απομακρύνουν τα μιτοχόνδριά τους μέσω μιτοφαγίας, χάρη σε πρωτεΐνη που ονομάζεται NIX.

Προέρχεται πάντα το μιτοχονδριακό DNA από τη μητέρα;

Σχεδόν πάντα. Περίπτωση πατρικής προέλευσης περιγράφηκε το 2002 στον μυ ασθενούς με μυοπάθεια, αλλά όχι στους άλλους ασθενείς που μελετήθηκαν στη συνέχεια: αυτή η μεταβίβαση παραμένει εξαιρετικά σπάνια και υπό συζήτηση.

Μπορούμε να μετρήσουμε την κατάσταση των μιτοχονδρίων μας;

Όχι εύκολα. Οι δοκιμές που αναφέρονται εδώ αναλύουν μιτοχόνδρια που λαμβάνονται με μυϊκή βιοψία. Ο αριθμός αντιγράφων μιτοχονδριακού DNA, που μερικές φορές μετριέται στο αίμα, διαφέρει από ιστό σε ιστό, συχνά χωρίς συσχέτιση στο ίδιο άτομο: επομένως δεν πληροφορεί απαραίτητα για τους άλλους ιστούς.

Μπορεί η επίμονη κόπωση να προέρχεται από μιτοχονδριακή νόσο;

Είναι δυνατόν, αλλά όχι πιθανό: αυτές οι γενετικές νόσοι είναι σπάνιες. Η κόπωση που διαρκεί έχει πολλές άλλες αιτίες: αν επιμένει πάνω από μερικές εβδομάδες, συμβουλευτείτε γιατρό.

Συμπέρασμα

Το μιτοχόνδριο είναι πολύ περισσότερα από ενεργειακό σταθμό: παράγει το μεγαλύτερο μέρος του ATP, αλλά διαχειρίζεται επίσης το ασβέστιο, τον κυτταρικό θάνατο, τη θερμότητα και ορισμένες ορμόνες. Με την ηλικία η ικανότητά του μειώνεται, εν μέρει λόγω αδράνειας. Η αντοχή και η διαλειμματική προπόνηση παραμένουν τα καλύτερα τεκμηριωμένα μέσα, ακόμη και μετά τα 65 έτη.

Πηγές

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 (ενοποιημένη έκδοση της 19ης Αυγούστου 2024). eur-lex.europa.eu

Τα συμπληρώματα διατροφής δεν υποκαθιστούν μια ποικίλη και ισορροπημένη διατροφή ούτε έναν υγιεινό τρόπο ζωής. Ζητήστε τη συμβουλή επαγγελματία υγείας εάν λαμβάνετε αγωγή, είστε έγκυος ή θηλάζετε.