Mitochondrium - energetyczny silnik komórki

Organizmy żyjące na Ziemi są bardzo skomplikowanymi jednostkami. Zaczynając od budowy można zwrócić uwagę na różne funkcje poszczególnych narządów i komórek lub zdolności przeprowadzania różnego rodzaju procesów. Najprostsze z organizmów, czyli prokarioty* (głównie bakterie), mimo stosunkowo prostej budowy jednokomórkowej są na tyle skomplikowane, że poświęcono im kilkaset lat badań, a nadal nie wiemy wszystkiego. Sprawa jest jeszcze bardziej skomplikowana gdy mówimy o bardziej złożonych organizmach wielokomórkowych, takich jak człowiek.

Obiegowa wiedza jest mocno ograniczona i uproszczona – organizm nie składa się tylko z narządów, kości, mięśni i układu nerwowego w tak prostej formie jak mogłoby się wydawać. Każda wewnętrzna i zewnętrzna część naszego ciała składa się z mniejszych elementów, a te dzielą się na kolejne. Można to porównać do samochodu: oczywiste jest że widzimy karoserię, wiemy że w środku znajduje się silnik i on pełni najważniejszą funkcję. Jednak sam silnik również składa się z poszczególnych części, które umożliwiają mu działanie.

Najmniejszą strukturalną i funkcjonalną jednostką zdolną do przeprowadzania procesów życiowych* organizmów żywych jest komórka. To podstawowa jednostka ustroju, z komórek zbudowany jest cały organizm (przykładowo komórki budujące wątrobę to hepatocyty, a jelitowe to enterocyty). Jedną z części składowych komórek człowieka jest mitochondrium. Jest to niewielkie organellum* mające 2-8 mikrometrów (1 mikrometr = jedna tysięczna milimetra). Mimo niewielkich rozmiarów pełni ważne funkcje.

Podstawowe informacje

Aktualnie szeroko przyjmowany pogląd mówi o tym, że mitochondria pochodzą od innych żywych organizmów, którym udało się dostać do wnętrza komórki, następnie zostały one włączone w skład pierwotnych organizmów eukariotycznych* (do tej grupy zalicza się również człowieka). Endosymbioza to rodzaj symbiozy (współżycie dwóch organizmów), w którym jeden organizm żyje wewnątrz drugiego, natomiast „Teoria endosymbiozy” zakłada, że procesy włączania mitochondrium do komórek zachodziły około 1,7-2mld lat temu. Od tamtej pory oczywiście zachodziło wiele procesów ewolucyjnych. Aktualnie przyjmuje się że przeciętna komórka eukariotyczna zawiera w sobie od kilkuset do setek tysięcy mitochondriów, choć są też takie, które mają jedno. Rozmnażanie mitochondriów następuje przez wzrost i podział już istniejących.

Produkcja energii i inne funkcje

Do zachodzenia jakichkolwiek procesów w organizmie człowieka, jak również w innych organizmach niezbędna jest energia. Odnosi się to zarówno do zauważalnych czynności jak poruszanie (skurcze mięśni), ale również do tych procesów, których nie widać, a odbywają się one bez przerwy. Energia powstaje w wyniku różnych skomplikowanych procesów (np. glikoliza czy cykl Krebsa), jednak dla wszystkich ostatecznym produktem przemian jest ATP (adenozynotrójfosforan) – to cząsteczka będąca nośnikiem energii. Jak sama nazwa wskazuje, ATP składa się z adenozyny oraz grupy trifosforanowej, a wiązania pomiędzy resztami fosforanowymi są wysokoenergetyczne – podczas pękania tych wiązań następuje uwolnienie energii. Mitochondrium pełni bardzo istotną rolę w całym procesie tworzenia energii w procesach tlenowych. To właśnie w nim znajduje się enzym potrzebny do produkcji energii – syntaza ATP, dzięki niemu możliwe jest wytwarzanie ATP, co umożliwia zachodzenie reakcji biochemicznych (na których opiera się całe funkcjonowanie organizmu).

Mitochondria pełnią szereg innych funkcji poza produkcją energii. Magazynują jony wapnia, uczestniczą w apoptozie (programowana śmierć komórki), umożliwiają syntezę hormonów i hemu (składnik hemoglobiny).

Uszkodzenia, wspieranie działania

Mitochondria, jak i całe komórki, mimo że podlegają regulacjom organizmu, i tak mogą ulegać uszkodzeniom. Przyczyn może być wiele, od mutacji genetycznych do uszkodzeń przez wolne rodniki. Powodować to może poważne choroby genetyczne, jak na przykład padaczkę, zespół MELAS, niedokrwistość. Wolne rodniki lub różnego rodzaju substancje są w stanie niszczyć całe komórki, a więc również mitochondria. Nasze organella można jednak wspierać i poprawiać ich działanie, jest na to kilka sposobów.

W nauce występuje zjawisko nazywane hormezą (Więcej o hormezie dowiecie się z tego artykułu). Opiera się ono na obserwacji, że dana substancja lub oddziaływanie może być dla organizmu zarówno szkodliwe jak i pożyteczne. Szwajcarski lekarz w XVI, Paracelsus wypowiedział popularne słowa: „dawka czyni trucizną”. W odniesieniu do mitochondriów, właśnie kontrolowane poddawanie się pewnym potencjalnie negatywnym czynnikom okazuje się być dobrym rozwiązaniem.

Ekspozycja na zimno i aktywność fizyczna – w jednym z badań na myszach badane organizmy podzielono na cztery grupy: termoneutralność bez ćwiczeń, ćwiczenia w neutralnej temperaturze, zanurzenie w zimnej wodzie, ćwiczenia w niskiej temperaturze. Ćwiczeniem jakie wykonywały myszy było pływanie. Po 8 tygodniach stwierdzono, że „Ćwiczenia i ekspozycja na zimno sprzyjały zwiększonej ekspresji genów związanych z biogenezą mitochondrialną w mięśniu płaszczkowatym”. Oznacza to, że może to sprzyjać podziałowi, a więc rozmnażaniu mitochondriów.

Krioterapia i zanurzenie w zimnej wodzie – kolejni naukowcy podeszli do tematu zimna z innej strony. Sprawdzili oni wpływ zanurzenia w zimnej wodzie oraz krioterapii całego ciała. Zbadali mężczyzn, którzy wykonywali ćwiczenia fizyczne, aż do odpowiedniego zużycia tlenu i wzrostu temperatury ciała, następnie poddawali badanych wyżej wymienionym zabiegom. Wniosek jak wysnuli mówił o tym, że chłodzenie w celu regeneracji po ćwiczeniach i urazach jest uzasadnione. Niekoniecznie musi się to wiązać z mitochondriami, bowiem wpływ na poprawę regeneracji może mieć zmniejszenie przepływu krwi i temperatury tkanek. Warto jednak wziąć pod uwagę to badanie patrząc na korzyści z ekspozycji na zimno w odniesieniu zarówno do mitochondriów, jak i do innych narządów i funkcji.

Stres cieplny – jeśli mówimy o hormezie, oczywiście nie można skupiać się tylko na jednym czynniku który może wpływać na organizm. Jeśli ekspozycja na zimno korzystnie wpływa na organizm, można podejrzewać, że ciepło również. Sprawdzono to w 2018 roku w badaniach na ludziach. Temperaturę mięśni badanych osób zwiększono o 3,9°C w ciągu 30 minut. Po 2 godzinnej sesji zaobserwowano szereg zmian biochemicznych w organizmie. Po zakończeniu badań stwierdzono, że „Wyniki tego badania mają implikacje kliniczne dla wielu schorzeń charakteryzujących się zmniejszoną funkcją mitochondriów mięśni szkieletowych”. Można więc wnioskować, że poddawanie mięśni krótkotrwałemu stresowi cieplnemu (np. zabieg diatermii) korzystnie wpływa na funkcje mitochondriów.

Suplementacja – mamy tu do czynienia z terminem "substancje mitochondrialne", czyli związki które wspierają optymalne funkcjonowanie tych organelli. Zalicza się do nich Koenzym Q10, Omega-3, witaminy z grupy B, witamina D i C, Cordyceps sinensis (Mażucznik chiński), Astragalus (Traganek błoniasty) oraz antyoksydanty np w ekstrakcie z zielonej herbaty.

Trening HIIT – w jednym z badań sprawdzano wpływ 12-tygodniowego cyklu treningów na organizm, między innymi pod kątem działania mitochondriów. Grupy wykonywały trening typu HIIT (High Intensity Interval Training) i RT (oporowy) oraz mieszany z obu rodzajów. We wszystkich grupach zanotowano wzrost wrażliwości na insulinę i wzrost beztłuszczowej masy ciała. Trening łączony i HIIT zwiększyły natomiast dodatkowo wydolność tlenową oraz poprawiły parametry oddychania mitochondrialnego mięśni. Poprzez dostarczenie większej ilości substancji białkowych dla mitochondriów trening interwałowy zwiększył zdolność mitochondriów o 49% w grupie młodych osób i o 69% w grupie starszej.

Ryc. Enhanced Protein Translation Underlies Improved Metabolic and Physical Adaptations to Different Exercise Training Modes in Young and Old Humans, 2017

***

Eukarioty – organizmy posiadające komórki z jądrem komórkowym, zalicza się do nich między innymi ludzi

Prokarioty – mikroorganizmy, najczęściej jednokomórkowe, które nie posiadają jądra komórkowego

Procesy życiowe – są to czynności charakterystyczne dla organizmów żywych. Należą do nich: ruch, oddychanie, reakcja na bodźce, wzrost, wydalanie, rozmnażanie i odżywianie.

Organella – są to struktury mniejsze od komórki, które ją tworzą. Błona komórkowa oddziela wnętrze od środowiska zewnętrznego, a organella znajdujące się wewnątrz pełnią różnego rodzaju funkcje.

Bibliografia:

Wojciech Sawicki: Histologia. Warszawa: Wydawnictwo Lekarskie PZWL, 2008. ISBN 978-83-200-3710-4.

Bruce Alberts: Podstawy biologii komórki, Część 2. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2007, s. 498. ISBN 978-83-01-14469-2.

Lynn Sagan. On the origin of mitosing cells. „Journal of Theoretical Biology”. 14 (3), s. 225-274, 1967-03. DOI: 10.1016/0022-5193(67)90079-3

Da-Fei Feng, Glen Cho, Russell F. Doolittle. Determining divergence times with a protein clock: Update and reevaluation. „PNAS”. 94 (24), 1997-11-25. DOI: 10.1073/pnas.94.24.13028

Victor V. Emelyanov. Rickettsiaceae, Rickettsia-Like Endosymbionts, and the Origin of Mitochondria. „Bioscience Reports”. 21, s. 1-17, 2001. DOI: 10.1023/A:1010409415723

Organizacja komórki. W: Eldra P. Solomon, Linda R. Berg, Diana W. Martin: Biologia. Warszawa: MULTICO Oficyna Wydawnicza, 2007. ISBN 978-83-7073-412-1. OCLC 177294444.

Robert T. Morrison, Robert N. Boyd: Chemia organiczna. T. 2. Warszawa: PWN, 1985, s. 398–399. ISBN 83-01-04166-8.

Molecular Cell Biology. Wyd. 5.. Nowy Jork: WH Freeman, 2004. ISBN 978-0-7167-4366-8.

Kunz WS. Curr Opin Neurol. 2002 Apr;15(2):179-84. The role of mitochondria in epileptogenesis.

Nana Chung,1 Jonghoon Park,2 and Kiwon Lim1,3,The effects of exercise and cold exposure on mitochondrial biogenesis in skeletal muscle and white adipose tissue J Exerc Nutrition Biochem. 2017

Mitochondrial myopathies. S. DiMauro, Curr Opin Rheumatol. 2006 Nov;18(6):636-41

Mawhinney C1, Low DA, Jones H, Green DJ, Costello JT, Gregson W. Cold Water Mediates Greater Reductions in Limb Blood Flow than Whole Body Cryotherapy. Med Sci Sports Exerc. 2017 Jun;49(6):1252-1260. doi: 10.1249/MSS.0000000000001223.

Hafen PS1, Preece CN1, Sorensen JR1, Hancock CR2, Hyldahl RD1. Repeated exposure to heat stress induces mitochondrial adaptation in human skeletal muscle. J Appl Physiol (1985). 2018 Nov 1;125(5):1447-1455. doi: 10.1152/japplphysiol.00383.2018. Epub 2018 Jul 19.

Robinson MM1, Dasari S2, Konopka AR1, Johnson ML1, Manjunatha S1, Esponda RR1, Carter RE2, Lanza IR1, Nair KS3. Enhanced Protein Translation Underlies Improved Metabolic and Physical Adaptations to Different Exercise Training Modes in Young and Old Humans. Send to Cell Metab. 2017 Mar 7;25(3):581-592. doi: 10.1016/j.cmet.2017.02.009.