Mitokondrio: tehtävä, energiantuotanto ja iän vaikutukset

Terve aikuinen valmistaa vuoden 2015 katsauksen mukaan päivittäin noin 50kg ATP:tä, molekyyliä, joka antaa soluille energiaa. Suurin osa syntyy mitokondrioissa. Näin mitokondrio toimii, näin ikä vaikuttaa siihen ja nämä keinot ylläpitävät sen toimintaa tutkimusten mukaan.

Mikä mitokondrio on?

Mitokondrio on soluelin: solun erikoistunut, kahden kalvon rajaama osasto, joka käyttää happea muuttaakseen ruoan energian ATP:ksi. Se näkyy valomikroskoopilla ja muodostaa usein muiden mitokondrioiden kanssa putkimaisen verkoston, joka jakautuu ja yhdistyy jatkuvasti.

Nimitys solun voimalaitos on vuodelta 1957. Vuoden 2023 katsaus pitää kuvausta liian yksinkertaisena ja luettelee kymmeniä tehtäviä.

Kaksi kalvoa, poimuja ja matriksi

Ulkokalvo on huokoinen: kanavat päästävät läpi ioneja ja pieniä molekyylejä. Sisäkalvo on tiivis ja päästää läpi vain kuljetusproteiinien valitsemia aineita. Sen yli säilyy noin 180 millivoltin sähköinen jännite-ero. Kalvo muodostaa poimuja eli kristoja, joissa hengitysketju ja ATP-syntaasi sijaitsevat. Keskellä on proteiinipitoinen matriksi, jossa sijaitsevat mitokondrio-DNA ja Krebsin kierto.

Oma DNA, joka periytyy äidiltä

Mitokondriolla on oma DNA: rengasmainen, noin 16 600 emäsparin molekyyli, josta on useita kopioita. Sen 37 geeniä koodaavat hengitysketjun ja ATP-syntaasin 13 proteiinia sekä 24 RNA:ta, joita tarvitaan proteiinien valmistamiseen. Tämä DNA periytyy äidiltä.

Tämän DNA:n tai tuman geenien mutaatiot aiheuttavat mitokondriotauteja: harvinaisia perinnöllisiä sairauksia, joiden oireet vaihtelevat ja jotka vaativat erikoissairaanhoidon seurantaa.

Entinen bakteeri, nykyinen soluelin

Mitokondrio polveutuu alfaproteobakteerien sukulaisesta, jonka toinen solu otti sisäänsä noin 1,6 miljardia vuotta sitten. Tätä kutsutaan endosymbioositeoriaksi. Menneisyydestä kertovat muun muassa omat ribosomit ja bakteerien vastaavia läheisesti muistuttavat hengitysketjun kompleksit.

Kuinka monta mitokondriota solussa on?

Määrä riippuu kudoksesta. Koska mitokondriot muodostavat usein verkoston, mitataan tavallisesti mitokondrio-DNA:n kopioiden määrää. Yhdessä mitokondriossa on useita kopioita. Vuoden 2023 katsauksen mukaan kopioita on yleensä 100–5 000 solua kohti. Sydänlihassolussa niitä on keskimäärin yli 6 000 ja valkosolussa noin 350.

Miten mitokondrio tuottaa ATP:tä?

Se siirtää ravintoaineista, kuten glukoosista, rasvahapoista ja tietyistä aminohapoista, irrotetut elektronit hapelle ja käyttää vapautuvan energian ATP:n valmistamiseen. Glukoosin kohdalla vaiheet ovat seuraavat.

Kompleksi I vastaanottaa elektronit NADH:lta ja kompleksi II Krebsin kierron välituotteelta sukkinaatilta. Koentsyymi Q10 kuljettaa ne kompleksiin III ja sytokromi c edelleen kompleksiin IV. Se luovuttaa ne hapelle, jolloin muodostuu vettä. Katso myös NAD+:n ja NADH:n ero.

Kompleksit I, III ja IV pumppaavat protoneja ulos matriksista. Palatessaan ATP-syntaasin läpi ne pyörittävät 8 alayksikön rengasta, ATP:tä muodostavan moottorin roottoria. Vuoden 2017 laskelman mukaan yhden glukoosimolekyylin täydellinen hapettuminen tuottaa enintään 33,45 ATP:tä.

Vapaat radikaalit, kalsium ja lämpö: mitokondrioiden muut tehtävät

Osa kulkevista elektroneista karkaa ja reagoi hapen kanssa. Näin syntyy reaktiivisia happiyhdisteitä, etenkin kompleksien I ja III kohdalla. Niitä pidettiin pitkään vain jätteenä, mutta ne toimivat myös viestimolekyyleinä. Ihmistutkimuksessa suuret antioksidanttiannokset jopa kumosivat joitakin harjoittelun hyötyjä (katso oksidatiivinen stressi ja antioksidantit).

Mitokondriot myös ottavat vastaan ja vapauttavat kalsiumia, käynnistävät ohjelmoidun solukuoleman vapauttamalla sytokromi c:tä ja tuottavat lämpöä, kun esimerkiksi UCP1-proteiini irrottaa hengityksen ATP:n muodostuksesta. Lisämunuaisissa ja sukurauhasissa ne toteuttavat steroidihormonien synteesin ensimmäisen vaiheen kolesterolista.

Miten solu huoltaa mitokondrioitaan?

Jatkuvalla laadunvalvonnalla. Mitokondriot yhdistyvät ja jakautuvat koko ajan, mikä saattaa auttaa eristämään vaurioituneen osan. Kun mitokondrio menettää sähköisen potentiaalinsa, sen pinnalle kertyy PINK1-proteiinia. Se rekrytoi Parkinin, joka merkitsee mitokondrion tuhottavaksi. Tätä kutsutaan mitofagiaksi. Vastakkaiseen suuntaan vaikuttava biogeneesi, jota PGC-1α-proteiini koordinoi, lisää olemassa olevien mitokondrioiden määrää.

Miten ikä muuttaa mitokondrioita?

Niiden kyky tuottaa ATP:tä heikkenee, mutta vähäinen liikunta vaikuttaa siihen selvästi. Vuoden 2008 tutkimuksessa verrattiin 42 nuorta (18–30 vuotta) tai iäkkäämpää (59–76 vuotta) aikuista, jotka joko liikkuivat vähän tai harjoittelivat kestävyyttä. Vähän liikkuvilla vanhempien lihasmitokondriot tuottivat vähemmän ATP:tä. Urheilijoilla ikään liittyvä ero ei ollut tilastollisesti merkitsevä, vaikka vanhemmilla oli vähemmän mitokondrio-DNA:ta.

Kaikki kudokset eivät vanhene samalla tavalla. Vuoden 2016 tutkimuksessa 152 vainajalla, joiden ikä vaihteli 3 päivästä 96 vuoteen, mitokondrio-DNA:n kopiot vähenivät iän myötä lihaksessa, etenkin miehillä, mutta lisääntyivät maksassa.

Myös mitokondrio-DNA:n mutaatioita kertyy iän myötä. Eläimillä mitofagia hidastuu yhdellä aivoalueella ja hengitysketjuun elektroneja kuljettava NAD+ vähenee useissa kudoksissa. Ihmisillä tämä väheneminen riippuu kudoksesta (katso NAD+ ja sen muutokset iän myötä).

Ikääntymisen mitokondrioteoria vaatii tarkennusta

Vuonna 1956 esitetyn vapaiden radikaalien teorian mukaan hapettajien aiheuttamat vauriot vanhentaisivat elimistöä. Niitä tuottavat mitokondriot päätyivät tämän ajatuksen keskiöön. Eläimillä hapettajien neutralointi on pidentänyt elinikää joissakin malleissa mutta ei toisissa. Joskus myös hapettajien lisääntyminen on pidentänyt elinikää.

Mutaatioita tavallista enemmän keräävät hiiret, joiden mitokondrio-DNA:han kertyy virheitä, vanhenevat ennenaikaisesti. Niiden mutaatioiden tyyppi ja määrä eroavat kuitenkin normaalista ikääntymisestä. Mutaatioiden merkityksestä ikääntymisessä keskustellaan yhä.

Miten mitokondrioiden toimintaa ylläpidetään tutkimusten mukaan?

Liikunta on parhaiten osoitettu keino ihmisillä kaikenikäisinä: se stimuloi mitokondrioiden biogeneesiä.

Kestävyys- ja intervalliharjoittelu

Vuoden 2003 tutkimuksessa 65 aikuista, joiden ikä oli 21–87 vuotta, osallistui 16 viikon kestävyysharjoitteluun. Verrokkeja oli 37. Lihasten kahden mitokondrioentsyymin aktiivisuus lisääntyi 45–76 % iästä riippumatta.

Vuonna 2017 tutkimuksessa 18–30-vuotiaat ja 65–80-vuotiaat aikuiset satunnaistettiin kolmeen 12 viikon ohjelmaan. Intervalliohjelmassa oli viikossa kolme pyöräilyharjoitusta (4 kertaa 4 minuuttia yli 90 %:lla maksimaalisesta hapenottokyvystä) ja kaksi kävelyharjoitusta. Lihasmitokondrioiden maksimaalinen hengitys lisääntyi 69 % yhteensä 9 iäkkäämmällä osallistujalla ja 49 % yhteensä 14 nuorella. Kohtalaisen pyöräilyn ja voimaharjoittelun ohjelmalla oli merkitsevä vaikutus vain nuorilla (+38 %), eikä pelkällä voimaharjoittelulla kummassakaan ryhmässä.

Harjoittelu lisää myös lihasten NAMPT:tä, NAD+:n kierrätyksen keskeistä entsyymiä. Katso tutkitut keinot NAD+-tason nostamiseen.

Uni ja ruokavalio

Univaje saattaa vaikuttaa mitokondrioihin. Pienessä vuoden 2021 tutkimuksessa (24 nuorta miestä kolmessa 8 hengen ryhmässä) viisi yötä, joina vuoteessa oltiin 4 tuntia, heikensi glukoosinsietoa verrattuna 8 tuntia nukkuvaan ryhmään. Myös lihasten mitokondriohengitys väheni noin 18 %, mutta ero tähän ryhmään ei ollut tilastollisesti merkitsevä. Vähenemistä ei havaittu ryhmässä, joka lisäsi ohjelmaan kolme intervalliharjoitusta.

Ruokavaliosta vuoden 2007 tutkimus arvioi 6 kuukauden energiarajoitusta 36 ylipainoisella aikuisella. Energiamäärän pienentäminen 25 % lisäsi lihasten mitokondrio-DNA:ta 35 % (+21 % energiarajoituksen ja liikunnan yhdistelmässä, +2 % verrokeilla), mutta ei muuttanut mitokondrioentsyymien aktiivisuutta. Tällaista rajoitusta ei pidä aloittaa omin päin: kysy neuvoa terveydenhuollon ammattilaiselta.

Vitamiinit, kivennäisaineet ja ravintolisät: mitä saa väittää?

Viidellätoista vitamiinilla ja kivennäisaineella on hyväksytty energia-aineenvaihduntaa koskeva väite: pantoteenihappo, biotiini, kalsium, kupari, rauta, jodi, magnesium, mangaani, niasiini, fosfori, riboflaviini, tiamiini sekä B6-, B12- ja C-vitamiinit. Tuotteen on oltava vähintään kyseisen ravintoaineen lähde sääntelyn tarkoittamassa merkityksessä.

Useat niistä toimivat mitokondrioissa. Riboflaviini (B2) palvelee hengitysketjun flaviinientsyymejä, niasiini (B3) NADH:n muodostusta ja pantoteenihappo (B5) koentsyymi A:n muodostusta. Tiamiini (B1) on välttämätön Krebsin kierron entsyymikomplekseille, ja rauta kuuluu kompleksin I kahdeksaan rauta-rikkikeskukseen.

Tarkat sanamuodot: ”Riboflaviini edistää normaalia energia-aineenvaihduntaa”, ”Niasiini edistää normaalia energia-aineenvaihduntaa” ja ”Magnesium edistää normaalia energia-aineenvaihduntaa”. Katso artikkelimme aiheista B3-vitamiini ja magnesiumin eri muodot. Koentsyymi Q10:llä, L-karnitiinilla ja alfalipoiinihapolla ei sen sijaan ole hyväksyttyä terveysväitettä.

NAD+:n esiasteet ovat edelleen tutkimuksen kohteena. Vuoden 2020 tutkimuksessa 40 lihavalla ja insuliiniresistentillä miehellä 2g nikotiiniamidiribosidia päivässä 12 viikon ajan ei muuttanut lihasten NAD+-tasoa eikä mitokondrioiden hengitystä, määrää tai muotoa lumeeseen verrattuna. Muut tutkimukset esitellään NMN:n ja NR:n vertailussamme.

Usein kysytyt kysymykset

Onko mitokondriolla tuma?

Ei. Sen DNA on pakkautunut pieniin nukleoideiksi kutsuttuihin rakenteisiin, joissa on useimmiten yksi kopio mitokondrion genomista.

Miksi mitokondriota kutsutaan puoliksi itsenäiseksi?

Sillä on oma DNA, mutta se valmistaa vain pienen osan proteiineistaan. Evoluution aikana se on siirtänyt jopa 99 % geeneistään tumaan. Suurin osa sen proteiineista valmistetaan solulimassa ja tuodaan sitten mitokondrioon.

Onko kaikissa soluissamme mitokondrioita?

Lähes kaikissa. Punasolut ovat poikkeus: kypsyessään ne menettävät tumansa ja poistavat mitokondrionsa mitofagialla NIX-proteiinin avulla.

Tuleeko mitokondrio-DNA aina äidiltä?

Lähes aina. Vuonna 2002 kuvattiin isältä periytynyt tapaus yhden lihastautipotilaan lihaksessa, mutta ei muilla myöhemmin tutkituilla potilailla. Tällainen periytyminen on edelleen poikkeuksellista ja kiistanalaista.

Voiko mitokondrioiden kuntoa mitata?

Ei yksinkertaisesti. Tässä mainitut tutkimukset analysoivat lihaskoepalasta eristettyjä mitokondrioita. Joskus verestä mitattava mitokondrio-DNA:n kopiomäärä vaihtelee kudosten välillä, usein ilman yhteyttä saman henkilön eri kudoksissa. Se ei siis välttämättä kerro muiden kudosten tilanteesta.

Voiko jatkuva väsymys johtua mitokondriotaudista?

Se on mahdollista mutta epätodennäköistä: nämä perinnölliset sairaudet ovat harvinaisia. Pitkittyneellä väsymyksellä on monia muitakin syitä. Jos se jatkuu yli muutaman viikon, hakeudu lääkäriin.

Yhteenveto

Mitokondrio on paljon muutakin kuin voimalaitos. Se valmistaa suurimman osan ATP:stä mutta osallistuu myös kalsiumin säätelyyn, solukuolemaan, lämmöntuotantoon ja tiettyjen hormonien valmistukseen. Toimintakyky heikkenee iän myötä osittain vähäisen liikunnan vuoksi. Kestävyys- ja intervalliharjoittelu ovat edelleen parhaiten osoitettuja keinoja myös yli 65-vuotiailla.

Lähteet

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. Komission asetus (EU) N:o 432/2012, annettu 16 päivänä toukokuuta 2012, muiden kuin sairauden riskin vähentämiseen ja lasten kehitykseen ja terveyteen viittaavien elintarvikkeita koskevien sallittujen terveysväitteiden luettelosta. Euroopan unionin virallinen lehti, L 136, 1–40 (konsolidoitu toisinto 19. elokuuta 2024). eur-lex.europa.eu

Ravintolisät eivät korvaa monipuolista ja tasapainoista ruokavaliota eivätkä terveellisiä elämäntapoja. Kysy terveydenhuollon ammattilaiselta neuvoa, jos käytät lääkkeitä, olet raskaana tai imetät.