Mitocondria: rol, producerea energiei și efectele vârstei

În fiecare zi, un adult sănătos produce aproximativ 50kg de ATP, molecula care furnizează energie celulelor, conform unei analize din 2015. Cea mai mare parte provine din mitocondrii. Iată cum funcționează o mitocondrie, ce se schimbă odată cu vârsta și ce o susține conform studiilor.

Ce este o mitocondrie?

O mitocondrie este un organit: un compartiment specializat al celulei, delimitat de două membrane, care folosește oxigenul pentru a transforma energia din alimente în ATP. Vizibilă la microscopul optic, formează adesea împreună cu vecinele ei o rețea de tuburi care se divid și fuzionează continuu.

Imaginea de „centrală energetică a celulei” datează din 1957. O analiză din 2023 o consideră prea simplă și inventariază zeci de funcții.

Două membrane, creste și o matrice

Membrana externă este poroasă: canalele lasă să treacă ioni și molecule mici. Membrana internă, impermeabilă, lasă să treacă doar ceea ce selectează transportorii săi; la nivelul ei se menține o diferență electrică de aproximativ 180 de milivolți. Se pliază în creste, unde se concentrează lanțul respirator și ATP-sintaza. În centru, matricea, bogată în proteine, adăpostește ADN-ul mitocondrial și ciclul Krebs.

Un ADN separat, transmis de la mamă

Mitocondria are propriul ADN: o moleculă circulară de aproximativ 16 600 de perechi de baze, prezentă în mai multe copii. Cele 37 de gene codifică 13 proteine ale lanțului respirator și ATP-sintazei și 24 de molecule de ARN care servesc la producerea lor. Acest ADN se transmite de la mamă.

Mutații ale acestui ADN sau ale genelor din nucleu provoacă boli mitocondriale: boli genetice rare, cu simptome variate, ce necesită monitorizare medicală specializată.

O bacterie străveche devenită organit

Mitocondria descinde dintr-o bacterie înrudită cu alfaproteobacteriile, absorbită de altă celulă acum aproximativ 1,6 miliarde de ani: aceasta este teoria endosimbiozei. Păstrează urme ale acestei origini, precum propriii ribozomi și complexe respiratorii foarte apropiate de cele ale bacteriilor.

Câte mitocondrii sunt într-o celulă?

Depinde de țesut. Deoarece mitocondriile formează adesea o rețea, se măsoară mai curând numărul de copii ale ADN-ului mitocondrial (mai multe într-o mitocondrie): în general între 100 și 5 000 pe celulă, potrivit unei analize din 2023. O celulă a mușchiului cardiac conține în medie peste 6 000, iar o globulă albă aproximativ 350.

Cum produce mitocondria ATP?

Transferă electronii extrași din nutrienți (glucoză, acizi grași, unii aminoacizi) până la oxigen și folosește energia eliberată pentru a produce ATP. Iată etapele pentru glucoză.

Complexul I primește electronii de la NADH, iar complexul II de la succinat, un intermediar al ciclului Krebs. Coenzima Q10 îi duce la complexul III, apoi citocromul c la complexul IV, care îi cedează oxigenului pentru a forma apă. Vezi și diferența dintre NAD+ și NADH.

Complexele I, III și IV pompează protoni în afara matricei. Revenind prin ATP-sintază, aceștia rotesc un inel cu 8 subunități, rotorul unui motor care asamblează ATP. În total, oxidarea completă a unei molecule de glucoză furnizează maximum 33,45 ATP, potrivit unui calcul din 2017.

Radicali liberi, calciu, căldură: celelalte roluri ale mitocondriilor

În timpul circulației, unii electroni se pierd și reacționează cu oxigenul: se formează specii reactive de oxigen, mai ales la complexele I și III. Mult timp privite ca simple deșeuri, servesc și drept semnale. Într-un studiu la om, antioxidanții în doze mari au anulat chiar unele beneficii ale antrenamentului (vezi stresul oxidativ și antioxidanții).

Mitocondriile captează și eliberează și calciul, declanșează moartea celulară programată prin eliberarea citocromului c și produc căldură când o proteină precum UCP1 decuplează respirația de producerea ATP. În suprarenale și gonade, asigură prima etapă a sintezei hormonilor steroizi din colesterol.

Cum își întreține celula mitocondriile?

Printr-un control permanent al calității. Mitocondriile fuzionează și se divid continuu, ceea ce ar permite izolarea unei porțiuni deteriorate. Când una își pierde potențialul electric, proteina PINK1 se acumulează la suprafața ei și recrutează Parkin, care o marchează pentru distrugere: aceasta este mitofagia. În sens invers, biogeneza, coordonată de proteina PGC-1α, multiplică mitocondriile existente.

Ce schimbă trecerea anilor în mitocondrii?

Capacitatea lor de a produce ATP scade, dar inactivitatea contribuie clar. Un studiu din 2008 a comparat 42 de adulți tineri (18–30 de ani) sau vârstnici (59–76 de ani), sedentari ori antrenați în anduranță. La sedentari, mitocondriile musculare ale celor mai în vârstă produceau mai puțin ATP. La sportivi, diferența legată de vârstă nu era semnificativă, deși cei mai în vârstă păstrau mai puțin ADN mitocondrial.

Nu toate țesuturile îmbătrânesc la fel. Într-un studiu din 2016 cu 152 de persoane autopsiate, de la 3 zile la 96 de ani, copiile ADN-ului mitocondrial scădeau cu vârsta în mușchi, mai ales la bărbați, dar creșteau în ficat.

Mutațiile ADN-ului mitocondrial se acumulează și ele cu vârsta. La animale, mitofagia încetinește într-o zonă a creierului, iar NAD+, transportor de electroni către lanțul respirator, scade în mai multe țesuturi. La om, această scădere depinde de țesut (vezi NAD+ și evoluția sa cu vârsta).

Teoria mitocondrială a îmbătrânirii trebuie nuanțată

Conform teoriei radicalilor liberi, propusă în 1956, daunele produse de oxidanți ar duce la îmbătrânirea organismului; mitocondriile, care îi produc, au ajuns în centrul acestei idei. La animale, neutralizarea oxidanților a prelungit viața în unele modele, dar nu în altele, iar uneori o cantitate mai mare de oxidanți a prelungit-o.

Șoarecii „mutatori”, al căror ADN mitocondrial acumulează erori, îmbătrânesc prematur. Dar mutațiile lor diferă, prin tip și număr, de cele ale îmbătrânirii normale: rolul mutațiilor în îmbătrânire rămâne discutat.

Cum ne susținem mitocondriile: ce arată studiile?

Activitatea fizică este măsura cel mai bine demonstrată la om, la orice vârstă: stimulează biogeneza mitocondrială.

Anduranță și antrenament pe intervale

Într-un studiu din 2003, 65 de adulți de 21–87 de ani au urmat 16 săptămâni de antrenament de anduranță, comparativ cu 37 de participanți de control. Activitatea a două enzime mitocondriale musculare a crescut cu 45–76 %, indiferent de vârstă.

În 2017, un studiu a repartizat aleatoriu adulți de 18–30 de ani și de 65–80 de ani în trei programe de 12 săptămâni. Antrenamentul pe intervale asocia trei ședințe de ciclism pe săptămână (4 reprize de 4 minute la peste 90 % din consumul maxim de oxigen) și două de mers. A crescut respirația maximă a mitocondriilor musculare cu 69 % la cei 9 participanți vârstnici și cu 49 % la cei 14 tineri. Programul de ciclism moderat și exerciții de forță a avut efect semnificativ doar la tineri (+38 %), iar exercițiile de forță singure în niciun grup.

Antrenamentul crește și NAMPT musculară, enzima-cheie a reciclării NAD+: vezi măsurile studiate pentru creșterea NAD+.

Somn și alimentație

Lipsa somnului ar putea afecta mitocondriile. Într-un mic studiu din 2021 (24 de bărbați tineri, trei grupuri de 8), cinci nopți cu 4 ore în pat au redus toleranța la glucoză față de grupul care dormea 8 ore. Respirația mitocondrială musculară a scăzut și ea cu aproximativ 18 %, dar fără diferență semnificativă față de acel grup. Aceste scăderi nu au fost observate în grupul care a adăugat trei ședințe de antrenament pe intervale.

În privința alimentației, un studiu din 2007 a testat 6 luni de restricție calorică la 36 de adulți supraponderali. Un aport caloric cu 25 % mai mic a crescut cantitatea de ADN mitocondrial muscular cu 35 % (+21 % cu restricție și mișcare, +2 % la controale), fără a modifica activitatea enzimelor mitocondriale. O astfel de restricție nu se improvizează: cere sfatul unui profesionist din domeniul sănătății.

Vitamine, minerale, suplimente: ce se poate afirma?

Cincisprezece vitamine și minerale au o mențiune autorizată privind metabolismul energetic: acid pantotenic, biotină, calciu, cupru, fier, iod, magneziu, mangan, niacină, fosfor, riboflavină, tiamină și vitaminele B6, B12 și C. Produsul trebuie să fie cel puțin o „sursă”, în sensul reglementărilor.

Mai multe dintre acestea au roluri în mitocondrie. Riboflavina (B2) servește enzimelor flavinice din lanțul respirator, niacina (B3) producerii NADH, iar acidul pantotenic (B5) formării coenzimei A. Tiamina (B1) este indispensabilă unor complexe enzimatice ale ciclului Krebs, iar fierul intră în cele opt centre fier-sulf ale complexului I.

Formulări exacte: „Riboflavina contribuie la metabolismul energetic normal”, „Niacina contribuie la metabolismul energetic normal” și „Magneziul contribuie la metabolismul energetic normal”. Vezi articolele noastre despre vitamina B3 și despre formele de magneziu. Coenzima Q10, L-carnitina și acidul alfa-lipoic nu au, în schimb, nicio mențiune de sănătate autorizată.

Precursorii NAD+ rămân un subiect de cercetare. Într-un studiu din 2020 la 40 de bărbați cu obezitate și rezistență la insulină, 2g de ribozid-nicotinamidă pe zi timp de 12 săptămâni, comparativ cu placebo, nu au modificat nici NAD+ muscular, nici mitocondriile mușchiului (respirație, cantitate, formă). Celelalte studii sunt prezentate în comparația noastră NMN sau NR.

Întrebări frecvente

Mitocondria are nucleu?

Nu. ADN-ul ei este compactat în mici pachete, nucleoizii, care conțin cel mai adesea o singură copie a genomului mitocondrial.

De ce spunem că mitocondria este semiautonomă?

Pentru că are propriul ADN, dar produce doar o mică parte a proteinelor sale. Pe parcursul evoluției, a transferat până la 99 % dintre gene în nucleu: majoritatea proteinelor sale sunt produse în citoplasmă, apoi importate.

Toate celulele noastre au mitocondrii?

Aproape toate. Globulele roșii sunt o excepție: la maturizare își pierd nucleul și își elimină mitocondriile prin mitofagie, datorită unei proteine numite NIX.

ADN-ul mitocondrial vine întotdeauna de la mamă?

Aproape întotdeauna. Un caz de origine paternă a fost descris în 2002 în mușchiul unui pacient cu miopatie, dar nu și la ceilalți pacienți studiați ulterior: această transmitere rămâne excepțională și discutată.

Putem măsura starea mitocondriilor noastre?

Nu simplu. Studiile citate aici analizează mitocondrii prelevate prin biopsie musculară. Numărul copiilor ADN-ului mitocondrial, măsurat uneori în sânge, variază de la un țesut la altul, adesea fără corelație la aceeași persoană: nu oferă, așadar, neapărat informații despre celelalte țesuturi.

O oboseală persistentă poate proveni de la o boală mitocondrială?

Este posibil, dar puțin probabil: aceste boli genetice sunt rare. Oboseala de durată are multe alte cauze: dacă persistă mai mult de câteva săptămâni, consultă un medic.

Concluzie

Mitocondria este mult mai mult decât o centrală energetică: produce cea mai mare parte a ATP, dar gestionează și calciul, moartea celulară, căldura și unii hormoni. Cu vârsta, capacitatea ei scade, în parte din cauza inactivității. Anduranța și antrenamentul pe intervale rămân măsurile cel mai bine demonstrate, inclusiv după 65 de ani.

Surse

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 (versiune consolidată din 19 august 2024). eur-lex.europa.eu

Suplimentele alimentare nu înlocuiesc o alimentație variată și echilibrată și nici un stil de viață sănătos. Cere sfatul unui profesionist din domeniul sănătății dacă urmezi un tratament, ești însărcinată sau alăptezi.