Podľa prehľadu z roku 2015 vytvorí zdravý dospelý denne približne 50kg ATP, molekuly poskytujúcej energiu bunkám. Väčšina pochádza z mitochondrií. Pozrime sa, ako mitochondria funguje, čo sa mení s vekom a čo ju podľa štúdií udržiava.
To najdôležitejšie
- Jedna molekula glukózy úplne oxidovaná vďaka mitochondriám poskytne až 33 ATP oproti 2 pri samotnej glykolýze (teoretický výpočet z roku 2017).
- Mitochondriálna DNA s približne 16 600 pármi báz nesie 37 génov a takmer vždy sa dedí po matke.
- Podľa štúdie z roku 2008 klesá tvorba ATP v svalových mitochondriách s vekom u sedavých ľudí, nie však u vytrvalostných športovcov.
- V štúdii z roku 2017 zvýšilo 12 týždňov intervalového tréningu svalové mitochondriálne dýchanie o 69 % u 9 dospelých vo veku 65 až 80 rokov.
Čo je mitochondria?
Mitochondria je organela: špecializovaný oddiel bunky ohraničený dvoma membránami, ktorý využíva kyslík na premenu energie z potravy na ATP. Je viditeľná svetelným mikroskopom a so susednými mitochondriami často tvorí sieť rúrok, ktoré sa neustále delia a spájajú.
Obraz „energetického centra bunky“ pochádza z roku 1957. Prehľad z roku 2023 ho považuje za príliš jednoduchý a uvádza desiatky funkcií.
Dve membrány, kristy a matrix
Vonkajšia membrána je pórovitá: kanály prepúšťajú ióny a malé molekuly. Vnútorná membrána je nepriepustná a prepúšťa iba to, čo vyberú jej transportéry; udržiava sa na nej elektrický rozdiel približne 180 milivoltov. Skladá sa do kríst, v ktorých sa sústreďuje dýchací reťazec a ATP syntáza. Uprostred sa nachádza matrix, bohatá na bielkoviny, kde sa nachádza mitochondriálna DNA a prebieha Krebsov cyklus.
Vlastná DNA zdedená po matke
Mitochondria má vlastnú DNA: kruhovú molekulu s približne 16 600 pármi báz prítomnú vo viacerých kópiách. Jej 37 génov kóduje 13 bielkovín dýchacieho reťazca a ATP syntázy a 24 RNA, ktoré slúžia na ich tvorbu. Táto DNA sa dedí po matke.
Mutácie tejto DNA alebo génov jadra spôsobujú mitochondriálne choroby: zriedkavé genetické ochorenia s rôznymi príznakmi, ktoré patria pod špecializovaný lekársky dohľad.
Dávna baktéria, z ktorej vznikla organela
Mitochondria pochádza z baktérie príbuznej alfaproteobaktériám, ktorú iná bunka pohltila približne pred 1,6 miliardy rokov: ide o teóriu endosymbiózy. Zachovala si po tom stopy, napríklad vlastné ribozómy a dýchacie komplexy veľmi podobné bakteriálnym.
Koľko mitochondrií je v bunke?
Závisí to od tkaniva. Keďže mitochondrie často tvoria sieť, meria sa skôr počet kópií mitochondriálnej DNA (viacero v jednej mitochondrii): podľa prehľadu z roku 2023 zvyčajne 100 až 5 000 na bunku. Bunka srdcového svalu ich obsahuje v priemere viac než 6 000, biela krvinka približne 350.
Ako mitochondria tvorí ATP?
Odovzdáva elektróny odobraté živinám (glukóze, mastným kyselinám, niektorým aminokyselinám) až ku kyslíku a uvoľnenú energiu využíva na tvorbu ATP. Pri glukóze prebiehajú tieto kroky.
| Krok | Kde | Čo sa deje | Kľúčové molekuly |
|---|---|---|---|
| Glykolýza | Cytoplazma | Glukóza sa štiepi na dva pyruváty; zisk 2 ATP | Glukóza, pyruvát, NADH |
| Krebsov cyklus | Matrix | Pyruvát premenený na acetyl-CoA sa oxiduje na CO2 | Acetyl-CoA, NADH, FADH2 |
| Dýchací reťazec | Kristy vnútornej membrány | Elektróny prechádzajú ku kyslíku; protóny sa čerpajú | Komplexy I až IV, koenzým Q10, cytochróm c |
| ATP syntáza | Kristy vnútornej membrány | Spätný tok protónov otáča motor, ktorý vytvára ATP | ADP, fosfát, ATP |
Komplex I prijíma elektróny z NADH, komplex II zo sukcinátu, medziproduktu Krebsovho cyklu. Koenzým Q10 ich vedie ku komplexu III, potom cytochróm c ku komplexu IV, ktorý ich odovzdáva kyslíku a vzniká voda. Pozrite si aj rozdiel medzi NAD+ a NADH.
Komplexy I, III a IV čerpajú protóny von z matrix. Pri spätnom toku cez ATP syntázu otáčajú kruh z 8 podjednotiek, rotor motora, ktorý zostavuje ATP. Úplná oxidácia jednej glukózy poskytne celkovo najviac 33,45 ATP podľa výpočtu z roku 2017.
Voľné radikály, vápnik, teplo: ďalšie úlohy mitochondrií
Pri pohybe niektoré elektróny uniknú a reagujú s kyslíkom: tvoria sa reaktívne formy kyslíka, najmä v komplexoch I a III. Dlho boli považované iba za odpad, no slúžia aj ako signály. V jednej štúdii u ľudí dokonca vysoké dávky antioxidantov vymazali niektoré prínosy tréningu (pozrite si oxidačný stres a antioxidanty).
Mitochondrie tiež prijímajú a uvoľňujú vápnik, spúšťajú programovanú smrť bunky uvoľnením cytochrómu c a tvoria teplo, keď proteín ako UCP1 odpojí dýchanie od tvorby ATP. V nadobličkách a pohlavných žľazách zabezpečujú prvý krok syntézy steroidných hormónov z cholesterolu.
Ako sa bunka stará o svoje mitochondrie?
Neustálou kontrolou kvality. Mitochondrie sa stále spájajú a delia, čo by umožňovalo oddeliť poškodenú časť. Keď jedna stratí elektrický potenciál, na jej povrchu sa hromadí proteín PINK1 a privolá Parkin, ktorý ju označí na zničenie: ide o mitofágiu. Naopak biogenéza koordinovaná proteínom PGC-1α rozmnožuje existujúce mitochondrie.
Čo roky menia na mitochondriách?
Ich schopnosť tvoriť ATP klesá, ale nečinnosť k tomu výrazne prispieva. Štúdia z roku 2008 porovnala 42 mladých (18 až 30 rokov) alebo starších (59 až 76 rokov) dospelých, sedavých alebo vytrvalostne trénovaných. U sedavých ľudí tvorili svalové mitochondrie starších menej ATP. U športovcov nebol rozdiel súvisiaci s vekom významný, hoci starší mali stále menej mitochondriálnej DNA.
Nie všetky tkanivá starnú rovnako. V štúdii z roku 2016 so 152 pitvanými ľuďmi vo veku od 3 dní do 96 rokov klesal počet kópií mitochondriálnej DNA s vekom vo svaloch, najmä u mužov, ale v pečeni rástol.
S vekom sa hromadia aj mutácie mitochondriálnej DNA. U zvierat sa mitofágia spomaľuje v jednej oblasti mozgu a NAD+, nosič elektrónov do dýchacieho reťazca, klesá vo viacerých tkanivách. U ľudí závisí tento pokles od tkaniva (pozrite si NAD+ a jeho vývoj s vekom).
Mitochondriálna teória starnutia: treba ju vnímať s výhradami
Podľa teórie voľných radikálov navrhnutej v roku 1956 by poškodenia spôsobené oxidantmi viedli k starnutiu organizmu; mitochondrie, ktoré ich tvoria, sa dostali do centra tejto predstavy. U zvierat neutralizácia oxidantov v niektorých modeloch predĺžila život, v iných nie a niekedy ho predĺžilo viac oxidantov.
„Mutátorové“ myši, ktorých mitochondriálna DNA hromadí chyby, starnú predčasne. Ich mutácie sa však typom a počtom líšia od normálneho starnutia: úloha mutácií pri starnutí zostáva predmetom diskusie.
Ako udržiavať mitochondrie: čo ukazujú štúdie?
Pohyb je u ľudí najlepšie preukázaný spôsob v každom veku: stimuluje mitochondriálnu biogenézu.
Vytrvalostný a intervalový tréning
V štúdii z roku 2003 absolvovalo 65 dospelých vo veku 21 až 87 rokov 16 týždňov vytrvalostného tréningu oproti 37 kontrolným účastníkom. Aktivita dvoch svalových mitochondriálnych enzýmov sa zvýšila o 45 až 76 % bez ohľadu na vek.
V roku 2017 štúdia náhodne rozdelila dospelých vo veku 18 až 30 a 65 až 80 rokov do troch 12-týždňových programov. Intervalový tréning spájal tri cyklistické tréningy týždenne (4-krát 4 minúty nad 90 % maximálnej spotreby kyslíka) a dve tréningové jednotky chôdze. Zvýšil maximálne dýchanie svalových mitochondrií o 69 % u 9 starších a o 49 % u 14 mladých účastníkov. Program miernej cyklistiky a posilňovania mal významný účinok iba u mladých (+38 %) a samotné posilňovanie v žiadnej skupine.
Tréning zvyšuje aj svalovú NAMPT, kľúčový enzým recyklácie NAD+: pozrite si skúmané spôsoby zvyšovania NAD+.
Spánok a strava
Nedostatok spánku by mohol vplývať na mitochondrie. V malej štúdii z roku 2021 (24 mladých mužov, tri skupiny po 8) znížilo päť nocí so 4 hodinami v posteli glukózovú toleranciu oproti skupine spiacej 8 hodín. Dýchanie svalových mitochondrií tiež kleslo približne o 18 %, ale bez významného rozdielu oproti tejto skupine. Tieto poklesy sa nepozorovali v skupine, ktorá pridala tri intervalové tréningy.
V strave testovala štúdia z roku 2007 6 mesiacov kalorického obmedzenia u 36 dospelých s nadváhou. O 25 % menej kalórií zvýšilo množstvo svalovej mitochondriálnej DNA o 35 % (+21 % pri obmedzení a cvičení, +2 % u kontrol), bez zmeny aktivity mitochondriálnych enzýmov. Takéto obmedzenie sa nemá improvizovať: poraďte sa so zdravotníckym pracovníkom.
Vitamíny, minerály, doplnky: čo možno deklarovať?
Pätnásť vitamínov a minerálov má povolené tvrdenie o energetickom metabolizme: kyselina pantoténová, biotín, vápnik, meď, železo, jód, horčík, mangán, niacín, fosfor, riboflavín, tiamín a vitamíny B6, B12 a C. Produkt musí byť aspoň ich „zdrojom“ v zmysle predpisov.
Viaceré pôsobia v mitochondrii. Riboflavín (B2) slúži flavínovým enzýmom dýchacieho reťazca, niacín (B3) na tvorbu NADH, kyselina pantoténová (B5) na tvorbu koenzýmu A. Tiamín (B1) je nevyhnutný pre enzýmové komplexy Krebsovho cyklu a železo je súčasťou ôsmich železo-sírnych centier komplexu I.
Presné znenie: „Riboflavín prispieva k správnej látkovej premene dôležitej pre tvorbu energie“, „Niacín prispieva k správnej látkovej premene dôležitej pre tvorbu energie“ a „Horčík prispieva k správnej látkovej premene dôležitej pre tvorbu energie“. Pozrite si naše články o vitamíne B3 a o formách horčíka. Koenzým Q10, L-karnitín ani kyselina alfa-lipoová nemajú povolené zdravotné tvrdenie.
Prekurzory NAD+ zostávajú predmetom výskumu. V štúdii z roku 2020 u 40 mužov s obezitou a inzulínovou rezistenciou nezmenili 2g nikotínamidribozidu denne počas 12 týždňov oproti placebu NAD+ vo svaloch ani ich mitochondrie (dýchanie, množstvo, tvar). Ďalšie štúdie sú v našom porovnaní NMN a NR.
Často kladené otázky
Má mitochondria jadro?
Nie. Jej DNA je zabalená do malých balíčkov, nukleoidov, ktoré najčastejšie obsahujú iba jednu kópiu mitochondriálneho genómu.
Prečo sa mitochondria nazýva poloautonómna?
Pretože má vlastnú DNA, ale vytvára iba nepatrnú časť svojich bielkovín. Počas evolúcie preniesla až 99 % svojich génov do jadra: väčšina jej bielkovín sa tvorí v cytoplazme a potom sa dováža dovnútra.
Majú všetky naše bunky mitochondrie?
Takmer všetky. Výnimkou sú červené krvinky: pri dozrievaní strácajú jadro a odstraňujú mitochondrie mitofágiou vďaka proteínu NIX.
Pochádza mitochondriálna DNA vždy od matky?
Takmer vždy. V roku 2002 bol opísaný prípad otcovského pôvodu vo svale pacienta s myopatiou, nie však u ďalších neskôr skúmaných pacientov: takýto prenos zostáva výnimočný a diskutovaný.
Možno zmerať stav mitochondrií?
Nie jednoducho. Uvedené štúdie analyzujú mitochondrie získané svalovou biopsiou. Počet kópií mitochondriálnej DNA, niekedy meraný v krvi, sa líši medzi tkanivami, často bez súvislosti u toho istého človeka: preto nemusí vypovedať o ostatných tkanivách.
Môže pretrvávajúca únava pochádzať z mitochondriálnej choroby?
Je to možné, no málo pravdepodobné: tieto genetické ochorenia sú zriedkavé. Pretrvávajúca únava má mnoho iných príčin: ak trvá viac než niekoľko týždňov, vyhľadajte lekára.
Záver
Mitochondria je oveľa viac než energetické centrum: tvorí väčšinu ATP, ale riadi aj vápnik, smrť buniek, teplo a niektoré hormóny. S vekom jej schopnosť klesá, čiastočne pre nečinnosť. Vytrvalostný a intervalový tréning zostávajú najlepšie preukázanými spôsobmi, aj po 65. roku života.
Zdroje
- 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 (konsolidované znenie z 19. augusta 2024). eur-lex.europa.eu
Výživové doplnky nenahrádzajú pestrú a vyváženú stravu ani zdravý životný štýl. Ak užívate lieky, ste tehotná alebo dojčíte, poraďte sa so zdravotníckym pracovníkom.
