Mitohondrijs: loma, enerģijas ražošana un vecuma ietekme

Saskaņā ar 2015. gada pārskatu vesels pieaugušais dienā saražo apmēram 50kg ATP — molekulas, kas nodrošina šūnām enerģiju. Lielākā daļa nāk no mitohondrijiem. Aplūkojam, kā darbojas mitohondrijs, kas mainās ar vecumu un kas to uztur saskaņā ar pētījumiem.

Kas ir mitohondrijs?

Mitohondrijs ir organoīds — specializēts šūnas nodalījums ar divām membrānām, kas izmanto skābekli, lai pārvērstu pārtikas enerģiju ATP. Tas ir redzams gaismas mikroskopā un ar blakus esošajiem mitohondrijiem bieži veido caurulīšu tīklu, kas nemitīgi dalās un saplūst.

Šūnas „enerģijas ražotnes“ tēls radās 1957. gadā. 2023. gada pārskats to uzskata par pārāk vienkāršu un uzskaita desmitiem funkciju.

Divas membrānas, kristas un matrikss

Ārējā membrāna ir poraina: kanāli laiž cauri jonus un mazas molekulas. Iekšējā membrāna ir necaurlaidīga un laiž cauri tikai to, ko atlasa tās transportieri; tajā saglabājas apmēram 180 milivoltu elektriskā starpība. Tā ielokās kristās, kur koncentrējas elpošanas ķēde un ATP sintāze. Centrā esošais matrikss, bagāts ar olbaltumvielām, satur mitohondriju DNS, un tajā noris Krebsa cikls.

Atsevišķa DNS, kas mantota no mātes

Mitohondrijam ir sava DNS: apļveida molekula ar apmēram 16 600 bāzu pāriem, kas ir vairākās kopijās. Tās 37 gēni kodē 13 elpošanas ķēdes un ATP sintāzes olbaltumvielas un 24 RNS, kas kalpo to izgatavošanai. Šī DNS tiek mantota no mātes.

Šīs DNS vai kodola gēnu mutācijas izraisa mitohondriālās slimības — retas ģenētiskas slimības ar dažādiem simptomiem, kam vajadzīga specializēta medicīniska uzraudzība.

Sena baktērija, kas kļuvusi par organoīdu

Mitohondrijs cēlies no baktērijas, kas radniecīga alfaproteobaktērijām un ko cita šūna uzņēma pirms apmēram 1,6 miljardiem gadu: tā ir endosimbiozes teorija. Par to liecina paša ribosomas un elpošanas kompleksi, kas ir ļoti līdzīgi baktēriju kompleksiem.

Cik mitohondriju ir šūnā?

Tas atkarīgs no audiem. Tā kā mitohondriji bieži veido tīklu, parasti mēra mitohondriju DNS kopiju skaitu (vairākas vienā mitohondrijā): saskaņā ar 2023. gada pārskatu parasti 100–5 000 šūnā. Sirds muskuļa šūnā vidēji ir vairāk nekā 6 000 kopiju, baltajā asins šūnā — apmēram 350.

Kā mitohondrijs ražo ATP?

Tas pārvada no uzturvielām (glikozes, taukskābēm, dažām aminoskābēm) iegūtos elektronus līdz skābeklim un izmanto atbrīvoto enerģiju ATP ražošanai. Glikozes gadījumā posmi ir šādi.

I komplekss elektronus saņem no NADH, II — no sukcināta, Krebsa cikla starpprodukta. Koenzīms Q10 pārnes tos uz III kompleksu, pēc tam citohroms c — uz IV kompleksu, kas tos nodod skābeklim, veidojot ūdeni. Skatiet arī NAD+ un NADH atšķirību.

I, III un IV kompleksi sūknē protonus ārā no matriksa. Plūstot atpakaļ caur ATP sintāzi, tie griež 8 apakšvienību gredzenu — ATP veidojoša motora rotoru. Kopumā vienas glikozes pilnīga oksidācija dod ne vairāk kā 33,45 ATP saskaņā ar 2017. gada aprēķinu.

Brīvie radikāļi, kalcijs, siltums: pārējās mitohondriju lomas

Pārvietojoties daži elektroni izkļūst un reaģē ar skābekli: rodas reaktīvās skābekļa formas, galvenokārt I un III kompleksā. Ilgi uzskatītas tikai par atkritumiem, tās kalpo arī kā signāli. Vienā cilvēku pētījumā antioksidantu lielas devas pat likvidēja dažus treniņu ieguvumus (skatiet oksidatīvo stresu un antioksidantus).

Mitohondriji arī uzņem un atbrīvo kalciju, izraisa programmētu šūnu nāvi, atbrīvojot citohromu c, un ražo siltumu, ja tāds proteīns kā UCP1 atsaista elpošanu no ATP ražošanas. Virsnierēs un dzimumdziedzeros tie nodrošina steroīdo hormonu sintēzes no holesterīna pirmo posmu.

Kā šūna uztur savus mitohondrijus?

Ar pastāvīgu kvalitātes kontroli. Mitohondriji nemitīgi saplūst un dalās, kas varētu ļaut izolēt bojātu daļu. Kad kāds zaudē elektrisko potenciālu, uz virsmas uzkrājas proteīns PINK1 un piesaista Parkin, kas to iezīmē iznīcināšanai: tā ir mitofāgija. Savukārt bioģenēze, ko koordinē proteīns PGC-1α, pavairo esošos mitohondrijus.

Ko mitohondrijos maina gadi?

Spēja ražot ATP samazinās, taču mazkustīgumam ir ievērojama loma. 2008. gada pētījumā salīdzināja 42 jaunus (18–30 gadi) vai vecākus (59–76 gadi) pieaugušos, kas bija mazkustīgi vai trenēja izturību. Mazkustīgo vecāko dalībnieku muskuļu mitohondriji ražoja mazāk ATP. Sportistiem vecuma atšķirība nebija nozīmīga, lai gan vecākajiem joprojām bija mazāk mitohondriju DNS.

Ne visi audi noveco vienādi. 2016. gada pētījumā ar 152 autopsijā izmeklētiem cilvēkiem vecumā no 3 dienām līdz 96 gadiem mitohondriju DNS kopijas muskuļos ar vecumu samazinājās, īpaši vīriešiem, bet aknās palielinājās.

Ar vecumu uzkrājas arī mitohondriju DNS mutācijas. Dzīvniekiem mitofāgija palēninās vienā smadzeņu zonā un NAD+, elektronu pārnesējs uz elpošanas ķēdi, samazinās vairākos audos. Cilvēkiem šis kritums ir atkarīgs no audiem (skatiet NAD+ un tā izmaiņas ar vecumu).

Mitohondriālā novecošanas teorija: jāvērtē niansēti

Saskaņā ar 1956. gadā piedāvāto brīvo radikāļu teoriju oksidantu radītie bojājumi liktu organismam novecot; mitohondriji, kas tos ražo, nonāca šīs idejas centrā. Dzīvniekiem oksidantu neitralizēšana dažos modeļos pagarināja dzīvi, citos ne, un reizēm to pagarināja lielāks oksidantu daudzums.

„Mutatoru“ peles, kuru mitohondriju DNS uzkrāj kļūdas, noveco priekšlaicīgi. Taču šo mutāciju veids un skaits atšķiras no parastas novecošanas: mutāciju loma novecošanā joprojām ir apspriesta.

Kā uzturēt mitohondrijus: ko rāda pētījumi?

Fiziskā aktivitāte ir cilvēkiem vislabāk pierādītais paņēmiens jebkurā vecumā: tā veicina mitohondriju bioģenēzi.

Izturība un intervālu treniņi

2003. gada pētījumā 65 pieaugušie 21–87 gadu vecumā 16 nedēļas veica izturības treniņus, salīdzinot ar 37 kontroles dalībniekiem. Divu muskuļu mitohondriālo enzīmu aktivitāte palielinājās par 45–76 % neatkarīgi no vecuma.

2017. gada pētījumā 18–30 un 65–80 gadu pieaugušos nejauši sadalīja trīs 12 nedēļu programmās. Intervālu programma apvienoja trīs riteņbraukšanas nodarbības nedēļā (4 reizes pa 4 minūtēm virs 90 % no maksimālā skābekļa patēriņa) un divas iešanas nodarbības. Tā palielināja maksimālo muskuļu mitohondriālo elpošanu par 69 % 9 vecākiem dalībniekiem un par 49 % 14 jaunajiem. Vidējas intensitātes riteņbraukšanas un spēka programma nozīmīgi iedarbojās tikai jaunajiem (+38 %), bet tikai spēka treniņi — nevienā grupā.

Treniņi palielina arī NAMPT, NAD+ pārstrādes galvenā enzīma, daudzumu muskuļos: skatiet pētītos veidus NAD+ palielināšanai.

Miegs un uzturs

Miega trūkums varētu ietekmēt mitohondrijus. Nelielā 2021. gada pētījumā (24 jauni vīrieši, trīs grupas pa 8) piecas naktis ar 4 stundām gultā samazināja glikozes toleranci salīdzinājumā ar grupu, kas gulēja 8 stundas. Muskuļu mitohondriālā elpošana arī samazinājās par apmēram 18 %, taču bez nozīmīgas atšķirības no šīs grupas. Grupā, kas pievienoja trīs intervālu treniņus, šādu samazinājumu nenovēroja.

Uztura jomā 2007. gada pētījumā pārbaudīja 6 mēnešus kaloriju ierobežošanas 36 pieaugušajiem ar lieko svaru. Ēdot par 25 % mazāk kaloriju, muskuļu mitohondriju DNS daudzums pieauga par 35 % (+21 % ar ierobežošanu un treniņiem, +2 % kontrolē), nemainot mitohondriālo enzīmu aktivitāti. Šādu ierobežošanu nevajag uzsākt pašrocīgi: konsultējieties ar veselības aprūpes speciālistu.

Vitamīni, minerālvielas, bagātinātāji: ko drīkst apgalvot?

Piecpadsmit vitamīniem un minerālvielām ir atļauta norāde par enerģijas ieguves vielmaiņu: pantotēnskābei, biotīnam, kalcijam, varam, dzelzij, jodam, magnijam, mangānam, niacīnam, fosforam, riboflavīnam, tiamīnam un vitamīniem B6, B12 un C. Produktam jābūt vismaz attiecīgās vielas „avotam“ regulējuma izpratnē.

Vairākas darbojas mitohondrijos. Riboflavīns (B2) vajadzīgs elpošanas ķēdes flavīna enzīmiem, niacīns (B3) — NADH ražošanai, pantotēnskābe (B5) — koenzīma A veidošanai. Tiamīns (B1) ir nepieciešams Krebsa cikla enzīmu kompleksiem, un dzelzs ir astoņos I kompleksa dzelzs-sēra centros.

Precīzie formulējumi: „Riboflavīns palīdz nodrošināt normālu enerģijas ieguves vielmaiņu“, „Niacīns palīdz nodrošināt normālu enerģijas ieguves vielmaiņu“ un „Magnijs palīdz nodrošināt normālu enerģijas ieguves vielmaiņu“. Skatiet mūsu rakstus par B3 vitamīnu un magnija formām. Savukārt koenzīmam Q10, L-karnitīnam vai alfa-liposkābei nav atļautu veselīguma norāžu.

NAD+ prekursori joprojām ir pētniecības tēma. 2020. gada pētījumā ar 40 vīriešiem ar aptaukošanos un insulīna rezistenci 2g nikotīnamīda ribozīda dienā 12 nedēļas salīdzinājumā ar placebo nemainīja ne NAD+ muskuļos, ne to mitohondrijus (elpošanu, daudzumu, formu). Citi pētījumi ir mūsu NMN un NR salīdzinājumā.

Biežāk uzdotie jautājumi

Vai mitohondrijam ir kodols?

Nē. Tā DNS ir sakopota mazos saišķos — nukleoīdos, kuros parasti ir tikai viena mitohondriju genoma kopija.

Kāpēc mitohondriju sauc par daļēji autonomu?

Jo tam ir sava DNS, taču tas ražo tikai niecīgu daļu savu olbaltumvielu. Evolūcijas gaitā tas pārcēlis līdz 99 % savu gēnu uz kodolu: lielākā daļa olbaltumvielu top citoplazmā un pēc tam tiek importēta.

Vai visām mūsu šūnām ir mitohondriji?

Gandrīz visām. Izņēmums ir sarkanās asins šūnas: nobriestot tās zaudē kodolu un ar NIX proteīna palīdzību likvidē mitohondrijus mitofāgijā.

Vai mitohondriju DNS vienmēr nāk no mātes?

Gandrīz vienmēr. 2002. gadā paternālas izcelsmes gadījumu aprakstīja pacienta ar miopātiju muskuļos, bet ne citiem vēlāk pētītiem pacientiem: šāda pārmantošana joprojām ir ārkārtīgi reta un tiek apspriesta.

Vai var izmērīt mitohondriju stāvokli?

Ne vienkārši. Šeit minētie pētījumi analizē muskuļu biopsijā iegūtus mitohondrijus. Mitohondriju DNS kopiju skaits, ko reizēm nosaka asinīs, dažādos audos atšķiras, bieži bez saistības vienam cilvēkam: tāpēc tas ne vienmēr informē par citiem audiem.

Vai ilgstošs nogurums var būt no mitohondriālas slimības?

Tas ir iespējams, bet maz ticams: šīs ģenētiskās slimības ir retas. Ilgstošam nogurumam ir daudz citu cēloņu: ja tas nepāriet ilgāk par dažām nedēļām, konsultējieties ar ārstu.

Secinājumi

Mitohondrijs ir daudz vairāk nekā enerģijas ražotne: tas saražo lielāko daļu ATP, bet arī regulē kalciju, šūnu nāvi, siltumu un dažus hormonus. Ar vecumu tā spēja samazinās, daļēji mazkustīguma dēļ. Izturības un intervālu treniņi joprojām ir vislabāk pierādītie paņēmieni, arī pēc 65 gadiem.

Avoti

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 (2024. gada 19. augusta konsolidētā redakcija). eur-lex.europa.eu

Uztura bagātinātāji neaizstāj daudzveidīgu un sabalansētu uzturu un veselīgu dzīvesveidu. Ja lietojat zāles, esat grūtniece vai barojat bērnu ar krūti, konsultējieties ar veselības aprūpes speciālistu.