Egy egészséges felnőtt naponta körülbelül 50 kg ATP-t, a sejtek energiáját biztosító molekulát állít elő egy 2015-ös áttekintés szerint. A legtöbb a mitokondriumokból származik. Bemutatjuk a mitokondrium működését, az életkorral járó változásokat és azt, mi segíti fenntartását a vizsgálatok szerint.
A legfontosabb tudnivalók
- A mitokondriumok segítségével teljesen oxidált glükózmolekula akár 33 ATP-t eredményez, szemben a puszta glikolízis 2 ATP-jével (2017-es elméleti számítás).
- A körülbelül 16 600 bázispárból álló mitokondriális DNS 37 gént hordoz, és szinte mindig az anyától öröklődik.
- Egy 2008-as vizsgálat szerint az izom mitokondriumainak ATP-termelése a mozgásszegény életmódúaknál csökken az életkorral, az állóképességi sportolóknál viszont nem.
- Egy 2017-es vizsgálatban 12 hét intervallumedzés 69 %-kal növelte az izom mitokondriális légzését 9, 65–80 éves felnőttnél.
Mi a mitokondrium?
A mitokondrium sejtszervecske: a sejt két membránnal határolt, szakosodott része, amely oxigén segítségével alakítja át a táplálék energiáját ATP-vé. Fénymikroszkóppal látható, és szomszédaival gyakran folyamatosan osztódó és összeolvadó csövek hálózatát alkotja.
A „sejt erőműve” kép 1957-ből származik. Egy 2023-as áttekintés túl egyszerűnek ítéli, és több tucat funkciót sorol fel.
Két membrán, kriszták és mátrix
A külső membrán pórusos: csatornáin ionok és kis molekulák juthatnak át. A belső membrán zárt, csak a transzporterei által kiválasztott anyagokat engedi át; körülbelül 180 millivoltos elektromos különbséget tart fenn. Krisztáknak nevezett redőket képez, itt összpontosul a légzési lánc és az ATP-szintáz. Középen a mátrix található, amely fehérjékben gazdag, és a mitokondriális DNS-nek, valamint a Krebs-ciklusnak ad helyet.
Külön DNS, amely az anyától öröklődik
A mitokondriumnak saját DNS-e van: körülbelül 16 600 bázispárból álló, több példányban jelen lévő, kör alakú molekula. 37 génje a légzési lánc és az ATP-szintáz 13 fehérjéjét, illetve az előállításukhoz szükséges 24 RNS-t kódolja. Ez a DNS az anyától öröklődik.
E DNS vagy a sejtmag génjeinek mutációi mitokondriális betegségeket okozhatnak: ritka, változatos tünetekkel járó genetikai betegségeket, amelyek szakorvosi ellátást igényelnek.
Ősi baktériumból sejtszervecske
A mitokondrium egy alfaproteobaktériumokkal rokon baktériumtól származik, amelyet körülbelül 1,6 milliárd éve egy másik sejt bekebelezett: ez az endoszimbiózis elmélete. Ennek nyomait őrzi saját riboszómáival és a baktériumokéhoz igen hasonló légzési komplexeivel.
Hány mitokondrium van egy sejtben?
Ez a szövettől függ. Mivel a mitokondriumok gyakran hálózatot alkotnak, inkább a mitokondriális DNS példányszámát mérik (mitokondriumonként több példány): egy 2023-as áttekintés szerint általában sejtenként 100–5 000 példányt. Egy szívizomsejtben átlagosan több mint 6 000, egy fehérvérsejtben körülbelül 350 található.
Hogyan állít elő ATP-t a mitokondrium?
A tápanyagokból (glükózból, zsírsavakból, egyes aminosavakból) elvont elektronokat az oxigénig továbbítja, a felszabaduló energiát pedig ATP-termelésre használja. Glükóz esetében ezek a lépések.
| Lépés | Helye | Mi történik? | Fő molekulák |
|---|---|---|---|
| Glikolízis | Citoplazma | A glükóz két piruvátra bomlik; a nyereség 2 ATP | Glükóz, piruvát, NADH |
| Krebs-ciklus | Mátrix | Az acetil-CoA-vá alakított piruvát CO2-vé oxidálódik | Acetil-CoA, NADH, FADH2 |
| Légzési lánc | A belső membrán krisztái | Az elektronok eljutnak az oxigénig; protonok pumpálódnak át | I–IV. komplex, Q10 koenzim, citokróm c |
| ATP-szintáz | A belső membrán krisztái | A protonok visszaáramlása megforgatja az ATP-t előállító motort | ADP, foszfát, ATP |
Az I. komplex a NADH-tól, a II. komplex a Krebs-ciklus egyik köztes termékétől, a szukcináttól kapja elektronjait. A Q10 koenzim a III. komplexhez, majd a citokróm c a IV. komplexhez szállítja őket, amely vízképződés közben adja át őket az oxigénnek. Lásd még cikkünket a NAD+ és NADH közötti különbségről.
Az I., III. és IV. komplex protonokat pumpál ki a mátrixból. Amikor azok az ATP-szintázon keresztül visszaáramlanak, megforgatnak egy 8 alegységből álló gyűrűt, az ATP-t összeállító motor forgórészét. Egy glükózmolekula teljes oxidációja összesen legfeljebb 33,45 ATP-t eredményez egy 2017-es számítás szerint.
Szabad gyökök, kalcium, hő: a mitokondriumok más szerepei
Áramlás közben néhány elektron kiszabadul, és az oxigénnel reagál: reaktív oxigénformák keletkeznek, főként az I. és III. komplexnél. Sokáig puszta hulladéknak tartották őket, de jelzőmolekulákként is szolgálnak. Egy humán vizsgálatban a nagy dózisú antioxidánsok még az edzés egyes előnyeit is megszüntették (lásd: oxidatív stressz és antioxidánsok).
A mitokondriumok kalciumot is felvesznek és leadnak, a citokróm c felszabadításával programozott sejthalált indítanak el, és hőt termelnek, amikor egy fehérje, például az UCP1, szétkapcsolja a légzést és az ATP-termelést. A mellékvesékben és az ivarmirigyekben a koleszterinből kiinduló szteroidhormon-szintézis első lépését végzik.
Hogyan tartja karban a sejt a mitokondriumait?
Folyamatos minőségellenőrzéssel. A mitokondriumok állandóan összeolvadnak és osztódnak, ami lehetővé teheti a sérült rész elkülönítését. Ha valamelyik elveszíti elektromos potenciálját, felszínén felhalmozódik a PINK1 fehérje, és odavonzza a Parkint, amely lebontásra jelöli: ez a mitofágia. Ezzel szemben a PGC-1α fehérje által összehangolt biogenezis a meglévő mitokondriumokat szaporítja.
Mit változtatnak az évek a mitokondriumokon?
ATP-termelő képességük csökken, de ehhez a mozgáshiány is jelentősen hozzájárul. Egy 2008-as vizsgálat 42 fiatal (18–30 éves) vagy idősebb (59–76 éves), mozgásszegény életmódú vagy állóképességi edzést végző felnőttet hasonlított össze. A mozgásszegény csoportban az idősebbek izommitokondriumai kevesebb ATP-t termeltek. A sportolóknál az életkor szerinti eltérés nem volt szignifikáns, bár az idősebbeknek továbbra is kevesebb mitokondriális DNS-ük volt.
Nem minden szövet öregszik azonosan. Egy 2016-os vizsgálatban 152, 3 napostól 96 éves korig terjedő életkorú elhunyt boncolásakor az izomban az életkorral csökkent a mitokondriális DNS példányszáma, főként férfiaknál, a májban viszont nőtt.
A mitokondriális DNS mutációi is felhalmozódnak az életkorral. Állatoknál az agy egyik területén lassul a mitofágia, és több szövetben csökken a NAD+, a légzési lánc felé elektronokat szállító molekula szintje. Embernél ez a csökkenés szövetfüggő (lásd: NAD+ és életkorral járó változása).
A mitokondriális öregedéselmélet árnyalást igényel
Az 1956-ban felvetett szabadgyök-elmélet szerint az oxidánsok okozta károsodások öregítenék a szervezetet; az őket termelő mitokondriumok e gondolat középpontjába kerültek. Állatoknál az oxidánsok semlegesítése egyes modellekben meghosszabbította az életet, másokban nem, sőt néha több oxidáns is hosszabb élethez vezetett.
A „mutátor” egerek, amelyek mitokondriális DNS-ében hibák halmozódnak fel, idő előtt öregszenek. Mutációik típusa és száma azonban eltér a normál öregedéskor jelentkezőktől: a mutációk öregedésben játszott szerepe továbbra is vitatott.
Hogyan támogathatók a mitokondriumok? Mit mutatnak a vizsgálatok?
Embernél, minden életkorban a testmozgás hatása a legjobban igazolt: serkenti a mitokondriális biogenezist.
Állóképességi és intervallumedzés
Egy 2003-as vizsgálatban 65, 21–87 éves felnőtt végzett 16 hét állóképességi edzést, 37 kontrollszeméllyel összehasonlítva. Az izom két mitokondriális enzimének aktivitása életkortól függetlenül 45–76 %-kal nőtt.
2017-ben egy vizsgálat 18–30 és 65–80 éves felnőtteket véletlenszerűen három, 12 hetes programba sorolt. Az intervallumedzés heti három kerékpáros alkalmat (4-szer 4 percet a maximális oxigénfogyasztás 90 %-a felett) és két gyalogló alkalmat kombinált. Az izommitokondriumok maximális légzését a 9 idősebb résztvevőnél 69 %-kal, a 14 fiatalnál 49 %-kal növelte. A mérsékelt kerékpározás és erősítés programja csak a fiataloknál hozott szignifikáns hatást (+38 %), az önálló erősítés egyik csoportban sem.
Az edzés az izom NAMPT-szintjét is növeli; ez a NAD+ újrahasznosításának kulcsenzime. Lásd: a NAD+ növelésére vizsgált lehetőségek.
Alvás és táplálkozás
Az alváshiány hatással lehet a mitokondriumokra. Egy kis, 2021-es vizsgálatban (24 fiatal férfi, három 8 fős csoport) öt, ágyban töltött 4 órás éjszaka csökkentette a glükóztoleranciát a 8 órát alvó csoporthoz képest. Az izom mitokondriális légzése is körülbelül 18 %-kal csökkent, de a csoporthoz képesti különbség nem volt szignifikáns. E csökkenéseket nem figyelték meg a három intervallumedzést is végző csoportban.
A táplálkozást illetően egy 2007-es vizsgálat 6 hónap kalóriamegszorítást tesztelt 36 túlsúlyos felnőttnél. A 25 %-kal kisebb kalóriabevitel 35 %-kal növelte az izom mitokondriális DNS-ének mennyiségét (+21 % megszorítás és edzés mellett, +2 % a kontrolloknál), a mitokondriális enzimek aktivitását azonban nem változtatta meg. Ilyen megszorításba ne kezdj önállóan: kérj tanácsot egészségügyi szakembertől.
Vitaminok, ásványi anyagok, kiegészítők: mit lehet állítani?
Tizenöt vitaminra és ásványi anyagra engedélyezett az energiatermelő anyagcserére vonatkozó állítás: pantoténsav, biotin, kalcium, réz, vas, jód, magnézium, mangán, niacin, foszfor, riboflavin, tiamin, valamint B6-, B12- és C-vitamin. A terméknek a jogszabály értelmében legalább az adott tápanyag „forrásának” kell lennie.
Közülük több a mitokondriumban működik. A riboflavin (B2) a légzési lánc flavinenzimeit szolgálja, a niacin (B3) a NADH, a pantoténsav (B5) pedig a koenzim A előállításához szükséges. A tiamin (B1) nélkülözhetetlen a Krebs-ciklus enzimkomplexeihez, a vas pedig az I. komplex nyolc vas-kén centrumának része.
Pontos megfogalmazások: „A riboflavin részt vesz a normál energiatermelő anyagcsere-folyamatokban.”, „A niacin részt vesz a normál energiatermelő anyagcsere-folyamatokban.” és „A magnézium részt vesz a normál energiatermelő anyagcsere-folyamatokban.” Lásd cikkeinket a B3-vitaminról és a magnézium formáiról. A Q10 koenzimre, az L-karnitinre és az alfa-liponsavra viszont nem engedélyezett egészségre vonatkozó állítás.
A NAD+ előanyagai továbbra is kutatási témát jelentenek. Egy 2020-as, 40 elhízott és inzulinrezisztens férfival végzett vizsgálatban a napi 2 g nikotinamid-ribozid 12 héten át, placebóval összehasonlítva, sem az izom NAD+-szintjét, sem mitokondriumait (légzését, mennyiségét, alakját) nem változtatta meg. A többi vizsgálat a következő cikkünkben szerepel: NMN vagy NR összehasonlítása.
Gyakori kérdések
Van sejtmagja a mitokondriumnak?
Nincs. DNS-e kis csomagokba, nukleoidokba rendeződik, amelyek többnyire a mitokondriális genom egyetlen példányát tartalmazzák.
Miért mondják félig önállónak a mitokondriumot?
Mert saját DNS-e van, de fehérjéinek csak elenyésző részét állítja elő. Az evolúció során génjeinek akár 99 %-át átadta a sejtmagnak: fehérjéinek többsége a citoplazmában készül, majd bekerül a mitokondriumba.
Minden sejtünknek van mitokondriuma?
Szinte mindegyiknek. A vörösvérsejtek kivételek: érés közben elveszítik sejtmagjukat, és egy NIX nevű fehérje segítségével mitofágiával eltávolítják mitokondriumaikat.
Mindig az anyától származik a mitokondriális DNS?
Szinte mindig. 2002-ben egy izombetegségben szenvedő beteg izomzatában apai eredetet írtak le, de a később vizsgált többi betegnél nem: ez az öröklődés továbbra is kivételes és vitatott.
Mérhető a mitokondriumaink állapota?
Nem egyszerűen. Az itt idézett vizsgálatok izombiopsziával vett mitokondriumokat elemeznek. A vérben is olykor mért mitokondriális DNS-példányszám szövetenként eltér, ugyanazon személynél gyakran nincs összefüggés a szövetek között: ezért nem feltétlenül tájékoztat más szövetekről.
Okozhatja-e mitokondriális betegség a tartós fáradtságot?
Lehetséges, de nem valószínű: ezek ritka genetikai betegségek. A tartós fáradtságnak sok más oka lehet: ha néhány hétnél tovább fennáll, fordulj orvoshoz.
Következtetés
A mitokondrium jóval több energiaközpontnál: az ATP nagy részét előállítja, de a kalciumot, a sejthalált, a hőtermelést és bizonyos hormonokat is kezeli. Az életkorral csökken a kapacitása, részben a mozgáshiány miatt. Az állóképességi és intervallumedzés hatása a legjobban igazolt, 65 éves kor felett is.
Források
- 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 (2024. augusztus 19-i egységes szerkezetbe foglalt változat). eur-lex.europa.eu
Az étrend-kiegészítők nem helyettesítik a változatos, kiegyensúlyozott étrendet és az egészséges életmódot. Gyógyszerszedés, terhesség vagy szoptatás esetén kérj tanácsot egészségügyi szakembertől.
