Mitochondriën: functie, energieproductie en effecten van leeftijd

Volgens een review uit 2015 maakt een gezonde volwassene elke dag ongeveer 50 kg ATP aan, de molecule die cellen van energie voorziet. Het grootste deel komt uit de mitochondriën. Hier lees je hoe een mitochondrion werkt, wat er verandert met de leeftijd en wat volgens onderzoeken helpt om het te onderhouden.

Wat is een mitochondrion?

Een mitochondrion is een organel: een gespecialiseerd compartiment van de cel, begrensd door twee membranen, dat zuurstof gebruikt om energie uit voeding om te zetten in ATP. Het is zichtbaar met een lichtmicroscoop en vormt vaak samen met naburige mitochondriën een netwerk van buisjes die zich voortdurend delen en samensmelten.

Het beeld van de ‘energiecentrale van de cel’ dateert uit 1957. Een review uit 2023 vindt dit te eenvoudig en beschrijft tientallen functies.

Twee membranen, plooien en een matrix

Het buitenmembraan is poreus: kanalen laten ionen en kleine moleculen door. Het ondoorlatende binnenmembraan laat alleen door wat zijn transporters selecteren; er blijft een elektrisch verschil van ongeveer 180 millivolt bestaan. Het vormt plooien waarin de ademhalingsketen en ATP-synthase geconcentreerd zijn. In het midden ligt de eiwitrijke matrix, met het mitochondriale DNA en de citroenzuurcyclus.

Eigen DNA, doorgegeven via de moeder

Het mitochondrion heeft eigen DNA: een cirkelvormige molecule van ongeveer 16 600 basenparen, aanwezig in meerdere kopieën. De 37 genen coderen voor 13 eiwitten van de ademhalingsketen en ATP-synthase, en 24 RNA’s die nodig zijn om ze te maken. Dit DNA wordt via de moeder doorgegeven.

Mutaties in dit DNA of in genen van de celkern veroorzaken mitochondriale ziekten: zeldzame genetische aandoeningen met uiteenlopende symptomen, die gespecialiseerde medische begeleiding vereisen.

Een vroegere bacterie die een organel werd

Het mitochondrion stamt af van een bacterie verwant aan alfaproteobacteriën, die ongeveer 1,6 miljard jaar geleden door een andere cel werd opgenomen: de endosymbiosetheorie. Het bewaart daarvan sporen, zoals eigen ribosomen en ademhalingscomplexen die sterk op die van bacteriën lijken.

Hoeveel mitochondriën zitten er in een cel?

Dat hangt af van het weefsel. Omdat mitochondriën vaak een netwerk vormen, meet men eerder het aantal kopieën van mitochondriaal DNA (meerdere per mitochondrion): meestal 100 tot 5 000 per cel, volgens een review uit 2023. Een hartspiercel bevat gemiddeld meer dan 6 000 kopieën, een witte bloedcel ongeveer 350.

Hoe produceert het mitochondrion ATP?

Het geeft elektronen die uit voedingsstoffen zijn gehaald (glucose, vetzuren, bepaalde aminozuren) door aan zuurstof en gebruikt de vrijgekomen energie om ATP te maken. Dit zijn de stappen voor glucose.

Complex I krijgt elektronen van NADH en complex II van succinaat, een tussenproduct van de citroenzuurcyclus. Co-enzym Q10 brengt ze naar complex III, daarna brengt cytochroom c ze naar complex IV, dat ze aan zuurstof afgeeft om water te vormen. Zie ook het verschil tussen NAD+ en NADH.

Complex I, III en IV pompen protonen uit de matrix. Wanneer ze terugstromen door ATP-synthase, laten ze een ring van 8 subeenheden draaien, de rotor van een motor die ATP samenstelt. In totaal levert de volledige oxidatie van één glucose maximaal 33,45 ATP op, volgens een berekening uit 2017.

Vrije radicalen, calcium, warmte: andere functies van mitochondriën

Tijdens het transport ontsnappen enkele elektronen en reageren ze met zuurstof: er ontstaan reactieve zuurstofsoorten, vooral bij complex I en III. Ze werden lang gezien als louter afval, maar dienen ook als signalen. In een studie bij mensen deden hoge doseringen antioxidanten zelfs sommige voordelen van training teniet (zie oxidatieve stress en antioxidanten).

Mitochondriën nemen ook calcium op en geven het af, zetten geprogrammeerde celdood in gang door cytochroom c vrij te maken en produceren warmte wanneer een eiwit zoals UCP1 de ademhaling loskoppelt van ATP-productie. In de bijnieren en geslachtsklieren verzorgen ze de eerste stap van de synthese van steroïdhormonen uit cholesterol.

Hoe onderhoudt de cel haar mitochondriën?

Door voortdurende kwaliteitscontrole. Mitochondriën smelten voortdurend samen en delen zich, waardoor een beschadigd deel mogelijk kan worden afgezonderd. Wanneer een mitochondrion zijn elektrische potentiaal verliest, hoopt het eiwit PINK1 zich op aan het oppervlak en trekt het Parkin aan, dat het voor afbraak markeert: dit is mitofagie. Omgekeerd vermeerdert biogenese, gecoördineerd door het eiwit PGC-1α, de bestaande mitochondriën.

Wat verandert er in mitochondriën door de jaren heen?

Hun vermogen om ATP te produceren neemt af, maar inactiviteit draagt daar duidelijk aan bij. Een onderzoek uit 2008 vergeleek 42 jonge (18 tot 30 jaar) of oudere (59 tot 76 jaar) volwassenen, met een zittende leefstijl of getraind in duursport. Bij de inactieve groep produceerden mitochondriën in de spieren van ouderen minder ATP. Bij sporters was het leeftijdsgebonden verschil niet significant, hoewel de ouderen minder mitochondriaal DNA behielden.

Niet alle weefsels verouderen op dezelfde manier. In een onderzoek uit 2016 bij 152 personen op wie autopsie was uitgevoerd, van 3 dagen tot 96 jaar oud, namen de kopieën van mitochondriaal DNA met de leeftijd af in de spieren, vooral bij mannen, maar toe in de lever.

Mutaties in mitochondriaal DNA stapelen zich ook op met de leeftijd. Bij dieren vertraagt mitofagie in een hersengebied en neemt NAD+, een drager van elektronen naar de ademhalingsketen, in meerdere weefsels af. Bij mensen hangt deze daling af van het weefsel (zie NAD+ en de veranderingen met de leeftijd).

De mitochondriale verouderingstheorie vraagt nuance

Volgens de vrijeradicalentheorie, voorgesteld in 1956, zouden beschadigingen door oxidanten het lichaam doen verouderen; mitochondriën, die deze stoffen produceren, kwamen centraal te staan in dit idee. Bij dieren verlengde neutralisering van deze oxidanten het leven in sommige modellen, maar niet in andere, en soms verlengde juist een grotere hoeveelheid oxidanten het leven.

‘Mutatormuizen’, bij wie het mitochondriale DNA fouten opstapelt, verouderen vroegtijdig. Maar hun mutaties verschillen in type en aantal van die bij normale veroudering: de rol van mutaties bij veroudering staat nog ter discussie.

Hoe onderhoud je je mitochondriën: wat laten studies zien?

Lichaamsbeweging is bij mensen op elke leeftijd de best aangetoonde mogelijkheid: ze stimuleert mitochondriale biogenese.

Duurtraining en intervaltraining

In een studie uit 2003 volgden 65 volwassenen van 21 tot 87 jaar 16 weken duurtraining, vergeleken met 37 controlepersonen. De activiteit van twee mitochondriale enzymen in de spieren nam met 45 tot 76% toe, ongeacht de leeftijd.

In 2017 verdeelde een studie volwassenen van 18 tot 30 en van 65 tot 80 jaar willekeurig over drie trainingsprogramma’s van 12 weken. De intervaltraining combineerde drie fietssessies per week (4 keer 4 minuten op meer dan 90% van de maximale zuurstofopname) met twee wandelsessies. Ze verhoogde de maximale ademhaling van mitochondriën in de spieren met 69% bij de 9 oudere deelnemers en met 49% bij de 14 jongeren. Het programma met matig intensief fietsen en krachttraining had alleen bij jongeren een significant effect (+38%), en krachttraining alleen in geen van beide groepen.

Training verhoogt ook NAMPT in de spieren, het sleutelenzym voor hergebruik van NAD+: zie de onderzochte mogelijkheden om NAD+ te verhogen.

Slaap en voeding

Slaaptekort zou mitochondriën kunnen beïnvloeden. In een kleine studie uit 2021 (24 jonge mannen, drie groepen van 8) verminderden vijf nachten met 4 uur in bed de glucosetolerantie ten opzichte van de groep die 8 uur sliep. De mitochondriale ademhaling in de spieren daalde ook met ongeveer 18%, maar zonder significant verschil met die groep. Deze dalingen werden niet gezien in de groep die drie intervaltrainingssessies toevoegde.

Voor voeding testte een studie uit 2007 6 maanden caloriebeperking bij 36 volwassenen met overgewicht. 25% minder calorieën eten verhoogde de hoeveelheid mitochondriaal DNA in de spieren met 35% (+21% met beperking en lichaamsbeweging, +2% bij de controlegroep), zonder de activiteit van mitochondriale enzymen te veranderen. Zo’n beperking pas je niet zomaar toe: vraag advies aan een zorgverlener.

Vitaminen, mineralen, supplementen: wat mag worden geclaimd?

Vijftien vitaminen en mineralen hebben een toegestane claim over de energiestofwisseling: pantotheenzuur, biotine, calcium, koper, ijzer, jodium, magnesium, mangaan, niacine, fosfor, riboflavine, thiamine en vitamine B6, B12 en C. Het product moet volgens de regelgeving minstens een ‘bron’ ervan zijn.

Verschillende ervan werken in het mitochondrion. Riboflavine (B2) dient voor de flavine-enzymen van de ademhalingsketen, niacine (B3) voor het aanmaken van NADH en pantotheenzuur (B5) voor het vormen van co-enzym A. Thiamine (B1) is onmisbaar voor enzymcomplexen van de citroenzuurcyclus, en ijzer is onderdeel van de acht ijzer-zwavelcentra van complex I.

Exacte formuleringen: ‘Riboflavine draagt bij tot een normaal energieleverend metabolisme’, ‘Niacine draagt bij tot een normaal energieleverend metabolisme’ en ‘Magnesium draagt bij tot een normaal energieleverend metabolisme’. Zie onze artikelen over vitamine B3 en de vormen van magnesium. Co-enzym Q10, L-carnitine en alfa-liponzuur hebben daarentegen geen toegestane gezondheidsclaim.

NAD+-voorlopers blijven een onderzoeksonderwerp. In een studie uit 2020 bij 40 mannen met obesitas en insulineresistentie veranderde 2 g nicotinamideriboside per dag gedurende 12 weken, vergeleken met placebo, noch NAD+ in de spieren, noch hun mitochondriën (ademhaling, hoeveelheid, vorm). Andere studies staan in onze vergelijking van NMN en NR.

Veelgestelde vragen

Heeft een mitochondrion een kern?

Nee. Het DNA is verpakt in kleine pakketjes, nucleoïden, die meestal slechts één kopie van het mitochondriale genoom bevatten.

Waarom wordt het mitochondrion semi-autonoom genoemd?

Omdat het eigen DNA heeft, maar slechts een heel klein deel van zijn eiwitten maakt. In de loop van de evolutie heeft het tot 99% van zijn genen naar de celkern overgedragen: de meeste eiwitten worden in het cytoplasma gemaakt en vervolgens geïmporteerd.

Hebben al onze cellen mitochondriën?

Bijna allemaal. Rode bloedcellen vormen de uitzondering: tijdens de rijping verliezen ze hun kern en verwijderen ze hun mitochondriën via mitofagie, dankzij een eiwit dat NIX heet.

Komt mitochondriaal DNA altijd van de moeder?

Bijna altijd. In 2002 werd in de spieren van een patiënt met myopathie een geval van vaderlijke oorsprong beschreven, maar niet bij andere patiënten die daarna zijn onderzocht: deze overdracht blijft uitzonderlijk en omstreden.

Kun je de toestand van je mitochondriën meten?

Niet eenvoudig. De hier genoemde studies analyseren mitochondriën die via een spierbiopsie zijn verzameld. Het aantal kopieën van mitochondriaal DNA, dat soms in het bloed wordt gemeten, varieert per weefsel, vaak zonder verband bij dezelfde persoon: het geeft dus niet noodzakelijk informatie over andere weefsels.

Kan aanhoudende vermoeidheid door een mitochondriale ziekte komen?

Dat is mogelijk, maar onwaarschijnlijk: deze genetische ziekten zijn zeldzaam. Aanhoudende vermoeidheid kent veel andere oorzaken: raadpleeg een arts als ze langer dan enkele weken duurt.

Conclusie

Het mitochondrion is veel meer dan een energiecentrale: het maakt het grootste deel van ATP aan, maar regelt ook calcium, celdood, warmte en bepaalde hormonen. Met de leeftijd neemt het vermogen af, deels door inactiviteit. Duurtraining en intervaltraining blijven de best aangetoonde mogelijkheden, ook na 65 jaar.

Bronnen

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. Verordening (EU) nr. 432/2012 van de Commissie van 16 mei 2012 tot vaststelling van een lijst van toegestane gezondheidsclaims voor levensmiddelen, met uitzondering van claims over vermindering van ziekterisico en de ontwikkeling en gezondheid van kinderen. Publicatieblad van de Europese Unie, L 136, 1-40 (geconsolideerde versie van 19 augustus 2024). eur-lex.europa.eu

Voedingssupplementen vervangen geen gevarieerde, evenwichtige voeding en een gezonde levensstijl. Vraag een zorgprofessional om advies als u medicijnen gebruikt, zwanger bent of borstvoeding geeft.