Mitokondrier: roll, energiproduktion och ålderns effekter

En frisk vuxen tillverkar varje dag omkring 50 kg ATP, molekylen som ger cellerna energi, enligt en översikt från 2015. Det mesta kommer från mitokondrierna. Här förklarar vi hur en mitokondrie fungerar, vad som förändras med åldern och vad som enligt studierna hjälper till att underhålla den.

Vad är en mitokondrie?

En mitokondrie är en organell: ett specialiserat utrymme i cellen, avgränsat av två membran, som använder syre för att omvandla energin i maten till ATP. Den syns i ljusmikroskop och bildar ofta tillsammans med sina grannar ett nätverk av rör som hela tiden delar sig och smälter samman.

Bilden av ”cellens energikraftverk” kommer från 1957. En översikt från 2023 bedömer den som alltför enkel och räknar upp flera tiotals funktioner.

Två membran, veck och en matrix

Det yttre membranet är poröst: kanaler släpper igenom joner och små molekyler. Det täta inre membranet släpper bara igenom det som dess transportörer väljer ut; en elektrisk skillnad på omkring 180 millivolt upprätthålls där. Det bildar veck där andningskedjan och ATP-syntas koncentreras. I mitten finns den proteinrika matrixen, som innehåller mitokondrie-DNA och citronsyracykeln.

Eget DNA som ärvs från modern

Mitokondrien har sitt eget DNA: en cirkulär molekyl med omkring 16 600 baspar, som finns i flera kopior. Dess 37 gener kodar för 13 proteiner i andningskedjan och ATP-syntas, och 24 RNA som används för att tillverka dem. Detta DNA ärvs från modern.

Mutationer i detta DNA, eller i gener i cellkärnan, orsakar mitokondriella sjukdomar: sällsynta genetiska sjukdomar med varierande symtom, som kräver specialiserad medicinsk uppföljning.

En gammal bakterie som blev en organell

Mitokondrien härstammar från en bakterie besläktad med alfaproteobakterierna, som togs upp av en annan cell för omkring 1,6 miljarder år sedan: det är endosymbiosteorin. Den har kvar spår av detta, som egna ribosomer och andningskomplex som är mycket lika bakteriernas.

Hur många mitokondrier finns i en cell?

Det beror på vävnaden. Eftersom mitokondrierna ofta bildar ett nätverk mäter man snarare antalet kopior av mitokondrie-DNA (flera per mitokondrie): vanligen 100 till 5 000 per cell, enligt en översikt från 2023. En hjärtmuskelcell innehåller i genomsnitt mer än 6 000 kopior, en vit blodkropp omkring 350.

Hur producerar mitokondrien ATP?

Den för elektroner som tagits från näringsämnen (glukos, fettsyror, vissa aminosyror) vidare till syre och använder den frigjorda energin för att tillverka ATP. Här är stegen för glukos.

Komplex I tar emot elektroner från NADH, komplex II från succinat, ett mellanled i citronsyracykeln. Koenzym Q10 för dem till komplex III, sedan för cytokrom c dem till komplex IV, som lämnar dem till syre för att bilda vatten. Se även skillnaden mellan NAD+ och NADH.

Komplex I, III och IV pumpar protoner ut ur matrixen. När de strömmar tillbaka genom ATP-syntas får de en ring med 8 underenheter att snurra, rotorn i en motor som sätter samman ATP. Totalt ger fullständig oxidation av en glukos högst 33,45 ATP, enligt en beräkning från 2017.

Fria radikaler, kalcium, värme: mitokondriernas andra roller

Under transporten läcker några elektroner ut och reagerar med syre: reaktiva syreföreningar bildas, framför allt vid komplex I och III. Länge sågs de bara som avfall, men de fungerar också som signaler. I en studie på människor tog antioxidanter i hög dos till och med bort vissa fördelar av träningen (se oxidativ stress och antioxidanter).

Mitokondrierna tar också upp och släpper ut kalcium, utlöser programmerad celldöd genom att frigöra cytokrom c och producerar värme när ett protein som UCP1 frikopplar respirationen från tillverkningen av ATP. I binjurarna och könskörtlarna utför de det första steget i syntesen av steroidhormoner från kolesterol.

Hur underhåller cellen sina mitokondrier?

Genom ständig kvalitetskontroll. Mitokondrierna smälter hela tiden samman och delar sig, vilket kan göra det möjligt att avskilja en skadad del. När en av dem förlorar sin elektriska potential samlas proteinet PINK1 på ytan och rekryterar Parkin, som markerar den för nedbrytning: det är mitofagi. Omvänt ökar biogenesen, samordnad av proteinet PGC-1α, antalet befintliga mitokondrier.

Vad förändrar åren i mitokondrierna?

Förmågan att producera ATP minskar, men inaktivitet bidrar tydligt. En studie från 2008 jämförde 42 unga (18 till 30 år) eller äldre (59 till 76 år) vuxna, antingen stillasittande eller uthållighetstränade. Hos de stillasittande producerade musklernas mitokondrier mindre ATP hos de äldre. Hos de tränade var den åldersrelaterade skillnaden inte signifikant, även om de äldre fortfarande hade mindre mitokondrie-DNA.

Alla vävnader åldras inte på samma sätt. I en studie från 2016 på 152 obducerade personer, från 3 dagar till 96 år gamla, minskade kopiorna av mitokondrie-DNA med åldern i musklerna, särskilt hos män, men ökade i levern.

Mutationer i mitokondrie-DNA samlas också med åldern. Hos djur avtar mitofagin i ett område av hjärnan och NAD+, som transporterar elektroner mot andningskedjan, minskar i flera vävnader. Hos människor beror denna minskning på vävnaden (se NAD+ och hur det förändras med åldern).

Den mitokondriella teorin om åldrande behöver nyanseras

Enligt teorin om fria radikaler, som föreslogs 1956, skulle skador från oxidanter få kroppen att åldras; mitokondrierna, som producerar dem, hamnade i centrum för denna idé. Hos djur förlängde neutralisering av oxidanterna livet i vissa modeller, men inte i andra, och fler oxidanter förlängde ibland livet.

”Mutatormöss”, vars mitokondrie-DNA samlar på sig fel, åldras i förtid. Men deras mutationer skiljer sig i typ och antal från dem vid normalt åldrande: mutationernas roll i åldrandet är fortfarande omdiskuterad.

Hur kan man underhålla sina mitokondrier: vad visar studierna?

Fysisk aktivitet är den bäst visade möjligheten hos människor, i alla åldrar: den stimulerar mitokondriell biogenes.

Uthållighets- och intervallträning

I en studie från 2003 genomgick 65 vuxna i åldern 21 till 87 år 16 veckors uthållighetsträning, jämfört med 37 kontrollpersoner. Aktiviteten hos två mitokondriella enzymer i musklerna ökade med 45 till 76%, oavsett ålder.

År 2017 fördelade en studie slumpmässigt vuxna i åldern 18 till 30 och 65 till 80 år mellan tre program på 12 veckor. Intervallträningen kombinerade tre cykelpass i veckan (4 gånger 4 minuter på mer än 90% av maximal syreupptagning) och två gångpass. Den ökade den maximala respirationen hos musklernas mitokondrier med 69% hos de 9 äldre deltagarna och med 49% hos de 14 yngre. Programmet med måttlig cykling och styrketräning hade signifikant effekt bara hos de yngre (+38%), och enbart styrketräning hade ingen sådan effekt i någon grupp.

Träning ökar också NAMPT i musklerna, nyckelenzymet för återvinning av NAD+: se de undersökta möjligheterna att höja NAD+.

Sömn och kost

Sömnbrist skulle kunna påverka mitokondrierna. I en liten studie från 2021 (24 unga män, tre grupper med 8) minskade fem nätter med 4 timmar i sängen glukostoleransen jämfört med gruppen som sov 8 timmar. Den mitokondriella respirationen i musklerna sjönk också med omkring 18%, men utan signifikant skillnad mot den gruppen. Dessa minskningar sågs inte i gruppen som lade till tre intervallträningspass.

När det gäller kosten testade en studie från 2007 6 månaders kalorirestriktion hos 36 vuxna med övervikt. Att äta 25% färre kalorier ökade mängden mitokondrie-DNA i musklerna med 35% (+21% med restriktion och träning, +2% hos kontrollgruppen), utan att ändra aktiviteten hos mitokondriella enzymer. En sådan restriktion ska inte improviseras: rådfråga hälso- och sjukvårdspersonal.

Vitaminer, mineraler, tillskott: vad får man hävda?

Femton vitaminer och mineraler har ett godkänt påstående om energiomsättningen: pantotensyra, biotin, kalcium, koppar, järn, jod, magnesium, mangan, niacin, fosfor, riboflavin, tiamin samt vitamin B6, B12 och C. Produkten måste åtminstone vara en ”källa” enligt reglernas definition.

Flera arbetar i mitokondrien. Riboflavin (B2) används av andningskedjans flavinenzymer, niacin (B3) för att tillverka NADH och pantotensyra (B5) för att bilda koenzym A. Tiamin (B1) är nödvändigt för enzymkomplex i citronsyracykeln, och järn ingår i de åtta järn-svavelcentrumen i komplex I.

Exakta formuleringar: ”Riboflavin bidrar till normal energiomsättning”, ”Niacin bidrar till normal energiomsättning” och ”Magnesium bidrar till normal energiomsättning”. Se våra artiklar om vitamin B3 och magnesiumformer. Koenzym Q10, L-karnitin och alfa-liponsyra har däremot inga godkända hälsopåståenden.

Förstadier till NAD+ är fortfarande ett forskningsområde. I en studie från 2020 på 40 män med obesitas och insulinresistens förändrade 2 g nikotinamidribosid om dagen under 12 veckor, jämfört med placebo, varken NAD+ i musklerna eller deras mitokondrier (respiration, mängd, form). De andra studierna finns i vår jämförelse mellan NMN och NR.

Vanliga frågor

Har mitokondrien en cellkärna?

Nej. Dess DNA är packat i små paket, nukleoider, som oftast bara innehåller en kopia av mitokondriens genom.

Varför säger man att mitokondrien är delvis självständig?

För att den har eget DNA men bara tillverkar en mycket liten del av sina proteiner. Under evolutionen har den fört över upp till 99% av sina gener till cellkärnan: de flesta proteinerna produceras i cytoplasman och importeras sedan.

Har alla våra celler mitokondrier?

Nästan alla. Röda blodkroppar är undantaget: när de mognar förlorar de cellkärnan och avlägsnar sina mitokondrier genom mitofagi, med hjälp av ett protein som heter NIX.

Kommer mitokondrie-DNA alltid från modern?

Nästan alltid. Ett fall med ursprung från fadern beskrevs 2002 i musklerna hos en patient med myopati, men inte hos andra patienter som studerades senare: denna nedärvning är fortfarande exceptionell och omdiskuterad.

Kan man mäta tillståndet hos sina mitokondrier?

Inte enkelt. Studierna som nämns här analyserar mitokondrier från muskelbiopsier. Antalet kopior av mitokondrie-DNA, som ibland mäts i blodet, varierar mellan vävnaderna, ofta utan samband hos samma person: det ger därför inte nödvändigtvis information om andra vävnader.

Kan ihållande trötthet bero på en mitokondriell sjukdom?

Det är möjligt, men osannolikt: dessa genetiska sjukdomar är sällsynta. Långvarig trötthet har många andra orsaker: kontakta läkare om den varar längre än några veckor.

Slutsats

Mitokondrien är mycket mer än ett energikraftverk: den tillverkar huvuddelen av ATP, men hanterar också kalcium, celldöd, värme och vissa hormoner. Med åldern minskar förmågan, delvis på grund av inaktivitet. Uthållighets- och intervallträning är fortfarande de bäst visade möjligheterna, även efter 65 års ålder.

Källor

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. Kommissionens förordning (EU) nr 432/2012 av den 16 maj 2012 om fastställande av en förteckning över tillåtna hälsopåståenden om livsmedel, med undantag för påståenden om minskad sjukdomsrisk och barns utveckling och hälsa. Europeiska unionens officiella tidning, L 136, 1-40 (konsoliderad version av den 19 augusti 2024). eur-lex.europa.eu

Kosttillskott ersätter inte en varierad och balanserad kost eller en hälsosam livsstil. Rådfråga vårdpersonal om du behandlas med läkemedel, är gravid eller ammar.