Mitochondrium: funkcje, wytwarzanie energii i wpływ wieku

Według przeglądu z 2015 roku zdrowa osoba dorosła wytwarza każdego dnia około 50kg ATP, cząsteczki dostarczającej komórkom energię. Większość powstaje w mitochondriach. Oto jak działa mitochondrium, co zmienia się z wiekiem i co według badań pomaga utrzymać jego funkcjonowanie.

Czym jest mitochondrium?

Mitochondrium jest organellum: wyspecjalizowanym przedziałem komórki, otoczonym dwiema błonami, który wykorzystuje tlen do przekształcania energii pożywienia w ATP. Jest widoczne pod mikroskopem świetlnym i często wraz z sąsiednimi mitochondriami tworzy sieć kanalików, które stale dzielą się i łączą.

Określenie „elektrownia komórki” pochodzi z 1957 roku. Przegląd z 2023 roku uznaje je za zbyt uproszczone i wymienia dziesiątki funkcji mitochondriów.

Dwie błony, grzebienie i macierz

Błona zewnętrzna jest porowata: jej kanały przepuszczają jony i małe cząsteczki. Błona wewnętrzna jest szczelna i przepuszcza tylko to, co wybiorą jej transportery; utrzymuje się na niej różnica potencjału około 180 miliwoltów. Tworzy fałdy zwane grzebieniami, w których skupiają się łańcuch oddechowy i syntaza ATP. W środku znajduje się macierz, bogata w białka, zawierająca mitochondrialne DNA i enzymy cyklu Krebsa.

Odrębne DNA dziedziczone po matce

Mitochondrium ma własne DNA: kolistą cząsteczkę o długości około 16 600 par zasad, występującą w wielu kopiach. Jego 37 genów koduje 13 białek łańcucha oddechowego i syntazy ATP oraz 24 cząsteczki RNA służące do ich wytwarzania. To DNA dziedziczy się po matce.

Mutacje tego DNA lub genów jądrowych powodują choroby mitochondrialne: rzadkie choroby genetyczne o zróżnicowanych objawach, wymagające specjalistycznej opieki medycznej.

Dawna bakteria, która stała się organellum

Mitochondrium pochodzi od bakterii spokrewnionej z alfaproteobakteriami, wchłoniętej przez inną komórkę około 1,6 miliarda lat temu: opisuje to teoria endosymbiozy. Zachowało ślady tego pochodzenia, takie jak własne rybosomy i kompleksy oddechowe bardzo podobne do bakteryjnych.

Ile mitochondriów znajduje się w komórce?

Zależy to od tkanki. Ponieważ mitochondria często tworzą sieć, mierzy się raczej liczbę kopii mitochondrialnego DNA, których w jednym mitochondrium jest kilka: zwykle od 100 do 5 000 na komórkę według przeglądu z 2023 roku. Komórka mięśnia sercowego zawiera średnio ponad 6 000 kopii, a krwinka biała około 350.

Jak mitochondrium wytwarza ATP?

Przekazuje elektrony odebrane składnikom odżywczym — glukozie, kwasom tłuszczowym i niektórym aminokwasom — aż do tlenu, a uwalnianą energię wykorzystuje do wytwarzania ATP. Oto kolejne etapy na przykładzie glukozy.

Kompleks I otrzymuje elektrony od NADH, a kompleks II od bursztynianu, związku pośredniego cyklu Krebsa. Koenzym Q10 przekazuje je do kompleksu III, a następnie cytochrom c do kompleksu IV, który oddaje je tlenowi, tworząc wodę. Zobacz też różnicę między NAD+ a NADH.

Kompleksy I, III i IV wypompowują protony z macierzy. Wracając przez syntazę ATP, obracają pierścień z 8 podjednostek, stanowiący wirnik mechanizmu składającego ATP. Łącznie całkowite utlenienie jednej cząsteczki glukozy daje maksymalnie 33,45 ATP według obliczenia z 2017 roku.

Wolne rodniki, wapń i ciepło: pozostałe role mitochondriów

Podczas przepływu część elektronów wydostaje się poza łańcuch i reaguje z tlenem: powstają reaktywne formy tlenu, przede wszystkim przy kompleksach I i III. Przez długi czas uznawano je za zwykłe produkty uboczne, ale pełnią też rolę sygnałów. W badaniu u ludzi duże dawki przeciwutleniaczy zniosły nawet część korzyści treningu (zobacz stres oksydacyjny i przeciwutleniacze).

Mitochondria wychwytują i uwalniają również wapń, uruchamiają zaprogramowaną śmierć komórki przez uwalnianie cytochromu c i wytwarzają ciepło, gdy białko takie jak UCP1 rozprzęga oddychanie i produkcję ATP. W nadnerczach i gonadach odpowiadają za pierwszy etap syntezy hormonów steroidowych z cholesterolu.

Jak komórka dba o swoje mitochondria?

Poprzez stałą kontrolę jakości. Mitochondria nieustannie się łączą i dzielą, co prawdopodobnie pozwala odizolować uszkodzony fragment. Gdy jedno z nich traci potencjał elektryczny, na jego powierzchni gromadzi się białko PINK1 i przyciąga białko Parkin, które oznacza je do zniszczenia: to mitofagia. Z kolei biogeneza, koordynowana przez białko PGC-1α, zwiększa liczbę istniejących mitochondriów.

Co z upływem lat zmienia się w mitochondriach?

Ich zdolność do wytwarzania ATP spada, ale istotnie przyczynia się do tego brak aktywności. W badaniu z 2008 roku porównano 42 dorosłych młodych (18–30 lat) lub starszych (59–76 lat), prowadzących siedzący tryb życia lub trenujących wytrzymałościowo. U osób nieaktywnych mitochondria mięśni starszych uczestników wytwarzały mniej ATP. U osób trenujących różnica związana z wiekiem nie była istotna statystycznie, chociaż starsi uczestnicy nadal mieli mniej mitochondrialnego DNA.

Nie wszystkie tkanki starzeją się tak samo. W badaniu z 2016 roku obejmującym 152 osoby poddane sekcji zwłok, w wieku od 3 dni do 96 lat, liczba kopii mitochondrialnego DNA spadała z wiekiem w mięśniach, zwłaszcza u mężczyzn, ale rosła w wątrobie.

Z wiekiem gromadzą się też mutacje mitochondrialnego DNA. U zwierząt mitofagia zwalnia w jednym z obszarów mózgu, a stężenie NAD+, uczestniczącego w przenoszeniu elektronów do łańcucha oddechowego, spada w kilku tkankach. U ludzi spadek ten zależy od tkanki (zobacz NAD+ i jego zmiany z wiekiem).

Mitochondrialna teoria starzenia wymaga ostrożnej interpretacji

Według teorii wolnorodnikowej, zaproponowanej w 1956 roku, uszkodzenia wywołane przez utleniacze miałyby prowadzić do starzenia organizmu. Mitochondria, które je wytwarzają, znalazły się w centrum tej koncepcji. U zwierząt neutralizowanie utleniaczy wydłużało życie w niektórych modelach, ale nie w innych, a czasem więcej utleniaczy również wydłużało życie.

Myszy „mutatorowe”, u których w mitochondrialnym DNA gromadzą się błędy, starzeją się przedwcześnie. Ich mutacje różnią się jednak rodzajem i liczbą od tych obserwowanych podczas zwykłego starzenia: rola mutacji w starzeniu pozostaje dyskutowana.

Jak dbać o mitochondria: co pokazują badania?

Aktywność fizyczna to najlepiej udokumentowana u ludzi metoda w każdym wieku: pobudza biogenezę mitochondriów.

Trening wytrzymałościowy i interwałowy

W badaniu z 2003 roku 65 dorosłych w wieku 21–87 lat uczestniczyło w 16-tygodniowym treningu wytrzymałościowym, porównywanym z 37 osobami z grupy kontrolnej. Aktywność dwóch enzymów mitochondrialnych w mięśniach wzrosła o 45–76%, niezależnie od wieku.

W 2017 roku badanie losowo przydzieliło dorosłych w wieku 18–30 i 65–80 lat do trzech programów trwających 12 tygodni. Trening interwałowy obejmował trzy sesje na rowerze tygodniowo (4 razy po 4 minuty przy ponad 90% maksymalnego poboru tlenu) i dwie sesje marszu. Zwiększył maksymalne oddychanie mitochondrialne mięśni o 69% u 9 starszych uczestników i o 49% u 14 młodych. Program łączący umiarkowaną jazdę na rowerze z treningiem siłowym dał istotny efekt tylko u młodych (+38%), a sam trening siłowy — w żadnej grupie.

Trening zwiększa również ilość mięśniowego NAMPT, kluczowego enzymu odzyskiwania NAD+: zobacz badane sposoby zwiększania poziomu NAD+.

Sen i odżywianie

Niedobór snu może wpływać na mitochondria. W małym badaniu z 2021 roku (24 młodych mężczyzn, trzy grupy po 8 osób) pięć nocy z 4 godzinami w łóżku obniżyło tolerancję glukozy w porównaniu z grupą śpiącą 8 godzin. Oddychanie mitochondrialne mięśni również spadło o około 18%, lecz różnica względem tej grupy nie była istotna statystycznie. Spadków tych nie obserwowano w grupie, która dodatkowo odbyła trzy sesje treningu interwałowego.

W zakresie żywienia badanie z 2007 roku testowało 6 miesięcy ograniczenia kalorii u 36 dorosłych z nadwagą. Spożywanie o 25% mniej kalorii zwiększyło ilość mitochondrialnego DNA w mięśniach o 35% (+21% przy połączeniu ograniczenia kalorii i ćwiczeń, +2% w grupie kontrolnej), bez zmiany aktywności enzymów mitochondrialnych. Takiego ograniczenia nie należy wprowadzać samodzielnie: zasięgnij porady pracownika ochrony zdrowia.

Witaminy, minerały i suplementy: jakie działanie można deklarować?

Piętnaście witamin i minerałów ma dopuszczone oświadczenie dotyczące metabolizmu energetycznego: kwas pantotenowy, biotyna, wapń, miedź, żelazo, jod, magnez, mangan, niacyna, fosfor, ryboflawina, tiamina oraz witaminy B6, B12 i C. Produkt musi być przynajmniej ich „źródłem” w rozumieniu przepisów.

Kilka z nich działa w mitochondrium. Ryboflawina (B2) służy enzymom flawinowym łańcucha oddechowego, niacyna (B3) do wytwarzania NADH, a kwas pantotenowy (B5) do tworzenia koenzymu A. Tiamina (B1) jest niezbędna kompleksom enzymatycznym cyklu Krebsa, a żelazo wchodzi w skład ośmiu centrów żelazowo-siarkowych kompleksu I.

Dokładne brzmienie oświadczeń: „Ryboflawina przyczynia się do utrzymania prawidłowego metabolizmu energetycznego”, „Niacyna przyczynia się do utrzymania prawidłowego metabolizmu energetycznego” oraz „Magnez przyczynia się do utrzymania prawidłowego metabolizmu energetycznego”. Zobacz nasze artykuły o witaminie B3 i o postaciach magnezu. Koenzym Q10, L-karnityna i kwas alfa-liponowy nie mają natomiast żadnego dopuszczonego oświadczenia zdrowotnego.

Prekursory NAD+ pozostają przedmiotem badań. W badaniu z 2020 roku z udziałem 40 mężczyzn z otyłością i insulinoopornością 2g rybozydu nikotynamidu dziennie przez 12 tygodni, w porównaniu z placebo, nie zmieniły ani NAD+ w mięśniach, ani ich mitochondriów: oddychania, ilości czy kształtu. Pozostałe badania opisujemy w porównaniu NMN i NR.

Najczęstsze pytania

Czy mitochondrium ma jądro?

Nie. Jego DNA jest upakowane w małe struktury, nukleoidy, zawierające najczęściej jedną kopię genomu mitochondrialnego.

Dlaczego mitochondrium nazywa się półautonomicznym?

Ponieważ ma własne DNA, ale wytwarza tylko znikomą część swoich białek. W toku ewolucji przeniosło do jądra do 99% swoich genów: większość jego białek powstaje w cytoplazmie, a następnie jest importowana.

Czy wszystkie nasze komórki mają mitochondria?

Prawie wszystkie. Wyjątkiem są krwinki czerwone: podczas dojrzewania tracą jądro i usuwają mitochondria przez mitofagię dzięki białku NIX.

Czy mitochondrialne DNA zawsze pochodzi od matki?

Niemal zawsze. W 2002 roku opisano przypadek dziedziczenia po ojcu w mięśniach pacjenta z miopatią, ale nie u kolejnych badanych pacjentów: takie dziedziczenie pozostaje wyjątkowe i dyskutowane.

Czy można ocenić stan swoich mitochondriów?

Nie w prosty sposób. Cytowane tutaj badania analizują mitochondria pobrane podczas biopsji mięśnia. Liczba kopii mitochondrialnego DNA, czasem oznaczana we krwi, różni się między tkankami i często nie wykazuje związku między nimi u tej samej osoby. Nie musi więc informować o stanie pozostałych tkanek.

Czy przewlekłe zmęczenie może wynikać z choroby mitochondrialnej?

Jest to możliwe, ale mało prawdopodobne: te choroby genetyczne są rzadkie. Długotrwałe zmęczenie ma wiele innych przyczyn: jeśli utrzymuje się dłużej niż kilka tygodni, skonsultuj się z lekarzem.

Podsumowanie

Mitochondrium to znacznie więcej niż komórkowa elektrownia: wytwarza większość ATP, ale odpowiada też za gospodarkę wapniem, śmierć komórki, ciepło i niektóre hormony. Z wiekiem jego zdolności spadają, częściowo z powodu braku aktywności. Trening wytrzymałościowy i interwałowy pozostają najlepiej udokumentowanymi metodami, także po 65. roku życia.

Źródła

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. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 432/2012 z dnia 16 maja 2012 r. ustanawiające wykaz dopuszczonych oświadczeń zdrowotnych dotyczących żywności, innych niż oświadczenia odnoszące się do zmniejszenia ryzyka choroby oraz rozwoju i zdrowia dzieci. Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej, L 136, 1–40 (wersja skonsolidowana z 19 sierpnia 2024 roku). eur-lex.europa.eu

Suplementy diety nie zastępują zróżnicowanej, zbilansowanej diety ani zdrowego stylu życia. Jeśli przyjmujesz leki, jesteś w ciąży lub karmisz piersią, skonsultuj się z pracownikiem ochrony zdrowia.