Митохондрии

В узком смысле митохондрии – это клеточные органеллы, которые производят энергию (АТФ). Такое определение поверхностно и не отражает многофункциональность этих структур. Митохондрии – важнейшее звено клеточного метаболизма. Они образовались в результате великого симбиотического союза между древними микробами и безъядерными одноклеточными организмами. В пользу теории симбиоза говорит наличие у митохондрий собственных кольцевой ДНК и РНК, а также двойной мембранной оболочки. По мнению ученых, она образовалась вследствие поглощения древних микробов археями.

• в среднем клетка содержит 1000 митохондрий (сердце 5000, яйцеклетка 10000; колбочки фоторецепторов – 80% объёма клетки)

• организм взрослого человека синтезирует и расходует около 40 кг АТФ в сутки

• митохондрий нет в зрелых эритроцитах

• содержит 0,1% всей ДНК клетки

• митохондрии передаются по материнской линии

• 10% нашего веса – это митохондрии)

Количество лабильно: увеличивается при активации окислительного фосфорилирования (регенерация или онкопроцесс) и уменьшается при старении, атрофии.

Особенности

*наличие на внутренней мембране системы аэробного синтеза энергии

*наличие собственной кольцевой молекулы ДНК

*полуавтономное существование

*способность к движению (митохондриальная динамика) – деление, слияние, передвижение, митофагия, митосинтез

Строение

• 2 мембраны

• кристы – выпячивания внутрь (увеличение площади внутренней мембраны)

• на внутренней происходит окислительное фосфорилирование

• внешняя – транспорт молекул и ионов

Функции

*энергетический обмен - цитратный цикл (цикл Кребса)

- дыхательная цепь, сопряженная с синтезом АТФ (окислительное фосфорилирование)

*расщепление жирных кислот путем β-окисления

*частично цикл мочевины

*внутриклеточный обмен кальция (участие в апоптозе)

*в бета-клетках поджелудочной железы являются сенсорами питательных веществ и генераторами сигналов синтеза инсулина

*старение – регуляция апоптоза старых и повреждённых клеток

*баланс глутамат – ГАМК в нейронах

*синтез гема, стероидов, пуринов

Митохондриальная ДНК

• Белки, кодируемые мтДНК, являются частью дыхательной цепи (7 субъединиц I комплекса, субъединица III комплекса, 3 субъединицы IV комплекса)

• остальные митохондриальные белки (около 300), в том числе и субъединицы комплекса II, кодируются ядерным геномом и импортируются в митохондрии из цитоплазмы после их синтеза на рибосомах в цитозоле

• представляет собой кольцевую молекулу

• не обладает механизмами восстановления (накопление мутаций)

• исходно присутствует не в двойном наборе, а в десятках и даже сотнях копий

• окружена двойной мембраной митохондрий

*Всего 16569 нуклеотидов, 37 генов, 13 белков

Кардиолипин

Важным компонентом внутренней мембраны митохондрий является кардиолипин – фосфолипид, в основе которого линоленовая кислота. Кардиолипин обеспечивает надежную«электроизоляцию», предотвращая «утечку» электронов. Этот фосфолипид крайне чувствителен к окислению. Антитела к кардиолипину – один из критериев антифосфолипидного синдрома.

Кардиолипин (фосфолипид, составляет 20% липидного слоя внутренней мембраны; «электроизоляция»)

- основа – линоленовая кислота (18:2)

- синтезируется только во внутренней мембране митохондрий

- изменяется структура в процессе старения

- чувствителен к окислению

- держит плотно комплексы дыхательной цепи – повышается эффективность

- динамика митохондрий

- улучшается качество при физической активности

Энергообмен и гликолиз

Переходя к вопросу энергообмена, стоит сказать, что в широком понимании человек получает энергию из двух источников – углеводов и жиров. Поступающая глюкоза запасается в форме гликогена либо откладывается в виде жира. В процессе энергообмена глюкоза превращается в пируват, а затем в ацетил-КоА, после чего поступает в митохондрии и включается в цикл Кребса. С жирами несколько иначе. Они забираются из жирового депо, путем β-окисления жиры превращаются в ацетил-КоА, после чего тоже включаются в цикл Кребса. Если одновременно поступают углеводы и жиры, то преимущество оказывается за первыми. Кроме того, чем выше инсулин, тем меньше жиров окисляется в митохондриях.

• Преимущество – глюкоза!

• Жиры – голодание, кетодиета

• Чем выше инсулин – тем меньше жиров окисляется в митохондриях (при ожирении вторичная митохондриальная дисфункция!)

• Фруктоза ингибирует бета-окисление жирных кислот – ожирение

Тканевое дыхание – использование кислорода дыхательной цепью митохондрий для окисления органических веществ с образованием энергии (АТФ) и выделением углекислого газа (СО2).

Процесс тканевого дыхания выглядит следующим образом:

1. гликолиз, β-окисление жирных кислот;

2. цикл Кребса;

3. дыхательная цепь.

Так, из одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ:

1. гликолиз – 2 молекулы;

2. цикл Кребса – 12 молекул;

3. дыхательная цепь – 24 молекулы.

Если гликолиз эффективный (аэробный) на выходе образуется вода, углекислый газ и АТФ. Глюкоза расщепляется полностью, а весь процесс проходит в митохондриях. В случае анаэробного гликолиза образуется всего 2 молекулы АТФ и большое количество лактата. Этот путь синтеза АТФ реализуется в условиях гипоксии.

Превращение пирувата в ацетил-КоА (для транспорта через мембрану митохондрий для вступления в цикл Кребса) происходит в пируватдегидрогеназном комплексе и включает 5 стадий. На каждом этапе требуются определенные компоненты и кофакторы: тиамин, рибофлавин, пантотенат, ниацин, липоевая кислота.

После того как субстрат (глюкоза или жир) превратился в ацетил-КоА, последний поступает в цикл Кребса. Если есть мутации, связанные с ферментативной дисфункцией (например, дисфункция аконитазы), цикл «ломается». В ряде случаев он ответвляется в ГАМК-шунт (цикл Робертса). Такое «ответвление» возникает в нейронах и астроцитах при гипоксии, физическом перенапряжении, стрессе.

Гликолиз

Анаэробный

• Неэффективный путь (2 АТФ)

• На выходе – лактат и энергия

• В цитоплазме

• Глюкоза расщепляется не полностью

• Активизируется в условиях гипоксии

• Единственный в эритроцитах!

Аэробный

• Эффективный (38 АТФ)

• На выходе – вода, углекислый газ и АТФ

• Глюкоза расщепляется полностью

• В митохондриях

Пируватдегидрогеназный комплекс

Процесс превращения пирувата в ацетил-КоА – для транспорта через мембрану митохондрий и вступления в цикл Кребса

*5 стадий

*компоненты и кофакторы

- тиамин (B1)

- рибофлавин (B2)

- пантотенат (B5)

- ниацин (B3)

- липоевая кислота

Бета-окисление жирных кислот

• активация жирных кислот – в цитоплазме клетки с образованием ацил-Ко-А

• транспорт ацил-КоА через двойную мембрану митохондрии посредством карнитина (трансмембранный перенос); средне- и короткоцепочечные жирные кислоты проникают простой диффузией

• ацил-КоА – вовлекаются в цикл Кребса

• все жирные кислоты проходят через этап превращения в масляную кислоту

Гипоглицин (много в незрелых плодах личи) – блок ацил-КоА-дегидрогеназы – накопление масляной кислоты – гипогликемия

Жирные кислоты

Короткоцепочечные (синтезируются микробиотой)

- пропионовая

- уксусная

- масляная

Кетоновые тела

ацетоацетат, бета-гидроксибутират – источники АТФ

ацетон – выводится с мочой (тест-полоски) и с выдыхаемым воздухом

• образуются в печени в период голодания, при высокожировом питании, длительной физической активности, при сахарном диабете дают на выходе больше энергии

• стимулируют BDNF (нейротрофный фактор роста) нейрогенез и митогенез

При голодании синтез кетоновых тел ускоряется в 60 раз, при сахарном диабете I типа – в 400 раз

*Для того, чтобы «переключиться» с запасов гликогена необходимо либо 10-14 часов голода, либо 1 час бега через 4 часа после последнего приема пищи.

Энергообмен в миелине

20% - жирные кислоты

80% - глюкоза

Дыхательная цепь – окислительное фосфорилирование (OXPHOS) – передача электронов

• I комплекс – NADH-убихинон-редуктаза (янтарная кислота)

• II комплекс – сукцинат-убихинон-редуктаза (коэнзим Q10)

• III комплекс – цитохром-С-редуктаза – посредством коэнзима Q10 и цитохрома С (мембранные переносчики электронов I и II комплексов)

• IV комплекс – цитохром-С-оксидаза (перенос электронов на атомарный кислород) – цитохром С

Перенос электронов от I и II к III – коэнзим Q10

Переноси электронов от III к IV – цитохром С

АФК – активные формы кислорода

• Образуются во время работы I и III комплексов дыхательной цепи, особенно, при переизбытке субстрата и при старении (замедление их работы)! Включается SOD (супероксиддисмутаза)

• Параллельно нужны антиоксиданты (малые дозы!)

• Вызывают мутации в митохондриальной ДНК и негативно сказываться на общем энергетическом балансе организма

Перекисное окисление жирных кислот, прежде всего, ненасыщенные жирные кислоты (растения, рыба, растительные масла) – обогащать рацион С16 (пальмовая) и С18 (линоленовая)

Динамика митохондрий

• Деление – избыток питательных веществ, их накопление (ожирение, инсулинорезистентность, высокоуглеводное питание), гипертермия – потери энергии в виде рассеивания; это приводит к накоплению «поломок» среди митохондрий клетки (внутриклеточная гетероплазмия), угнетению аутофагии, лактат-ацидозу и закислению

• Слияние (дефицит питательных веществ, стресс) – повышение эффективности работы

Слияние – митофузины (Mfn1, Mfn2 – слияние наружной мембраны), ОРА1 – слияние внешней мембраны

Деление – Fis1 и Drp1

Нормализация динамики митохондрий

• Низкокалорийное питание

• Интервальное голодание (16/8, 18/6 и тд)

• Физическая активность

• Пальмитиновая (С16) и стеариновая кислоты (С18) – оздоровление мембран способствует более качественному слиянию митохондрий.

С18

• какао (бобы) — 31-34%

• говяжий жир — 21-25%

• бараний жир — 20-32%

• свиной жир — 13-18%

• пальмовое масло — 8-10%

• ореховое масло — 7,0%

• арахисовое масло — 4,5-6,2%

• соевое масло — 4,4-7,3%

• птичий жир — 4-9%

• лососёвый жир — 2-6%

• тресковый жир (мышцы) — 2-5%

• оливковое масло — 2,4%

• льняное масло — 2-3%

• хлопковое масло — 2%

• подсолнечное масло — 1,6-4,6%

С16

• масло из косточек пикуи (48,4 %)

• пальмовое масло (40-50 %)

• молочный жир (22-39%)

• масло из мякоти плодов пикуи (41,2 %)

• масло чёрного кофе (34,5 %)

• свиное сало (30 %)

• масло баобаба (25,4 %)

• масло абрикосовой косточки (3-7%)

Транспорт кальция (апоптоз)

Обнаружена прямая связь между процессом апоптоза и способностью митохондрий накапливать кальций. В случае длительной гипоксии митохондрии «выбрасывают» свои резервы, что ведет к нарушению электролитного баланса с последующей гибелью клетки. Кроме того, прослеживается объективная связь между снижением количества, качества митохондрий и развитием возраст зависимых заболеваний.

Увеличение размера, плотности и числа гранул кальция

- обнаружено в клетках тех тканей, которые вовлечены в активный транспорт кальция – остеокластах, остеобластах и др.

- при гормонально-обусловленных гиперкальциемиях – кальцинозах

- при болезнях (коронарная болезнь сердца), синдромах (хроническая почечная недостаточность) и патологических состояниях (отравления тиоацетатамидом, папаином, йодоформом и т. д.)

Первичные нарушения митохондриального транспорта кальция встречаются при заболеваниях скелетных мышц – миопатиях (болезнь Люфта, синдром Кернса-Сайра).

Митохондрии и старение

Клинические проявления

• Повышенная утомляемость и/или истощаемость

• Медленное восприятие информации

• Рассеянность внимания

• Нарушение моторики

• Запоры

• Дефицит веса и/или низкорослость

• Гипервозбудимость коры головного мозга

• Нарушение сна

• Аритмии, кардиомиопатии

• Снижение слуха

• Нарушение углеводного обмена

• Пигментный ретинит

Митохондриальные болезни

• Мутации мтДНК

- наследственная атрофия зрительных нервов Лебера

- синдром NARP (нейропатия, атаксия, пигментный ретинит)

- синдром MERRF (миоклонус эпилепсия с «рваными» красными волокнами в скелетных мышцах)

- синдром MELAS (митохондриальная энцефаломиопатия, лактат-ацидоз, инсультоподобные эпизоды)

- синдром Кернса—Сейра (пигментный ретинит, наружная офтальмоплегия, блокада сердца, птоз, мозжечковый синдром)

- синдром Пирсона (поражение костного мозга, панкреатическая и печеночная дисфункции)

По последним данным, совокупная частота наследственных болезней, связанных с мутациями митДНК, достигает

1:5000 человек общего населения

• Мутации ядерной ДНК

- младенческие миопатии

- болезни Альперса, Лея, Барта, Менкеса, гипертрофическая кардиомиопатия

- синдромы недостаточности карнитина и некоторых ферментов цикла Кребса, дыхательной цепи митохондрий

Мутация FUM1 – опухоли кожи, матки, нейробластомы и/или рак почек (лейомиоматоз и хромофильная карцинома почек второго типа).

SNP

Карнитин  –PEX5L, SLC22A4, SLC16A9

I комплекс дыхательной цепи – NDUFS

II комплекс дыхательной цепи – UQCRC2

Окисление жирных кислот – PPARα, CYP4V2

IV комплекс дыхательной цепи – COX5A

Превращение неактивного коэнзима в активный убихинол – NQO1

Антиоксидантная защита – SOD2,3

Синтез АТФ в митохондриях – ATP5c1

Конверсия альфа-кетоглутарата в сукцинил-СоА (+ усиление активности mTOR и угнетение аутофагии) – OGDH

SNP

• COX5A – цитохром С

• PPARα, CYP4V2 – ограничить жиры с длинной углеродной цепью; масло МСТ (или кокосовое), L-карнитин

• NQO1 – убихинол, В2

• SOD2,3 – А, С, Е, NAC, марганец, пикногенол, астаксантин; высокая вероятность плохой переносимости рыбьего жира и омеги-3

• ATP5c1 – В2, В3, NADH

• NDUF – янтарная кислота

• FMO3 – триметиламинурия (кофактор В2)

Органические кислоты мочи (окисление жирных кислот)

Обменные нарушения можно отслеживать по метаболитам тех или иных веществ в моче. Так проще понять, какой фермент «недорабатывает», а какой, наоборот, «перетрудился».

• адипиновая

• субериновая

• этилмалоновая

дефицит карнитина – длинноцепочечные жирные кислоты метаболизируются вне митохондрий с образованием этих кислот

кофермент – рибофлавин (В2)

Органические кислоты мочи (цикл Кребса)

• молочная и пировиноградная (дефицит В1, В2, В3, В5, альфа-липоевой кислоты – без них не входят в цикл)

• лимонная (дефицит коэнзима Q10)

• изолимонная (дефицит коэнзима Q10)

• аконитовая (дефицит коэнзима Q10)

• сукциновая (дефицит коэнзима Q10)

• фумаровая (дефицит коэнзима Q10)

• альфа-кетоглутаровая (дефицит В1, В2, В3, В5, альфа-липоевой кислоты, коэнзима Q10, магния, железа, марганца)

• малоновая

• гидрокси-масляная (инсулинорезистентность)

Показатели и препараты

Показатели

• лактат

• пируват

• лактатдегидрогеназа

• креатинин

• органические кислоты мочи

• молекулярная диагностика

• биопсия мышц

Препараты

• коэнзим Q10

• карнитин

• PQQ

• янтарная кислота (I комплекс)

• мексидол (янтарная кислота + В6-подобное соединение)

• димефосфон

• биотин

• идебенон (нобен)

• альфа-липоевая кислота

• Кофакторы (В1, В2, В3, В5 и тд)

Коррекция митохондриальной дисфункции

• Питание (интервальный прием пищи; баланс углеводов и жиров; умеренное ограничение калорийности)

• Нутрицевтики (энерготропы, цинк, магний, селен, стеариновая кислота; вит группы В, С, Е; митолипин)

• Физическая активность (1 месяц тренировок увеличивает количество митохондрий на 30-100%), увеличивает концентрацию GLUT4 (переносчик глюкозы в жировой и мышечной тканях) и улучшает качество кардиолипина

• Интервальная гипокситерапия

• Работа с микробиомом – масляная кислота усиливает митогенез

Коэнзим Q10

• перенос электронов от I и II комплексов к III

• в настоящее время до 80% населения Япония принимает CoQ10 в качестве профилактического

лекарственного средства. В 1987 г. СоQ был объявлен в США незаменимым пищевым компонентом для организма (Ely, Krone, 2000)

• при старении – снижение активности II комплекса – убихинон его стимулирует

• следует также иметь в виду, что начальные стадии синтеза убихинона и холестерина совпадают (до стадии фарнезол пирофосфата).

Прием статинов может привести к уменьшению образования эндогенного убихинона и провоцировать развитие миопатий и дисфункции сердца

• синтезируется из фенилаланина, тирозина и мевалоновой кислоты

Карнитин

• синтезируется из лизина и метионина

• транспорт длинноцепочечных жирных кислот в митохондрию

• снижает образование лактата в клетках, т. е. смещает путь образования АТФ от анаэробного окисления глюкозы в сторону более эффективного по кислороду – аэробного

• препятствует развитию клеточного апоптоза

• усиливает процесс дезинтоксикации путем участия в транспорте органических кислот и ксенобиотиков из клетки

• повышает образование антипролиферазных, противовоспалительных и антиоксидантных молекул (гемоксигеназы)

• замедляет окисление NO

С осторожностью

- грибковая загрузка

- гипотиреоз

- триметиламинурия

Утром после еды

Дети 250 мг/сут

Взрослые 500-1000 мг/сут

PQQ (пирролохинолинхинон) – витамин В14

• увеличение концентрации митохондрий в клетке (митохондриальный биогенез)

• транспорт кислорода к дыхательной цели

• снижение уровня ЛПНП, активизация синтеза лизина

• защита головного мозга от нейротоксичности глутамата, ртути

• превенция нейродегенеративных заболеваний

• защита нервных клетки от бета-амилоидного белка, вызывающего болезнь Альцгеймера

• замедление старения

Продукты: зелень петрушки, зеленый перец, киви, папайя, тофу, виноградное вино, морковь.

Во время обеда

Дети 4 мг/сут

Подростки 8 мг/сут

Взрослые 12 мг/сут

Альфа-липоевая кислота

• кофактор пируватдегидрогеназного и альфа-кетоглутаратдегидрогеназного комплексов

• антиоксидант

• мягкий хелатор

• повышение чувствительности клеток к инсулину

• гипогликемический эффект

Усиливает действие карнитина

За 15-20 минут до завтрака

Дети 150 мг/сут

Взрослые 300-600 мг/сут

Янтарная кислота

• участвует в переносе электронов в дыхательной цепи

• ингибирует перекисное окисление липидов дыхательной цепи

• гиполипидемический эффект (параллельно повышает уровень ЛПВП)

• снижает синтез гистамина

• усиливает действие В6 и таурина

Противопоказания – воспаление слизистой желудочно-кишечного тракта, мочекаменная болезнь, склонность к гипертонии и гипогликемии.

Продукты: алоэ, ревень, незрелые ягоды, сахарная свекла, боярышник, семена (подсолнечник, ячмень), клубника, устрицы, ржаные хлебобулочные изделия, твердые сыры, простокваша, вина (выдержанные).

Во время еды

Дети 100-250 мг/сут

Взрослые 500-1000 мг/сут

Биофлавоноиды

• Более 6000 разновидностей биофлавоноидов, среди которых наиболее широко представлены рутин, гинкго билоба, родиола, шлемник, амла, ресвератрол, кверцетин, дигидрокверцетин, гесперидин, нарингин, пикногенол, кемпферол, генистеин

• При низких концентрациях активируют сопряженное (митохондриальное) окисление, коррелирующее с максимальной выраженностью их антиоксидантных свойств (энерготропное действие при низких концентрациях!)

• При высоких концентрациях превалирует свободное окисление, коррелирующее с ослаблением антиоксидантных свойств, либо даже с появлением прооксидантной активности

• гамма-интерферон не только активирует макрофаги и NK-клетки для регуляции аутоиммунных процессов, но и потенцирует аэробный гликолиз, перепрофилирует митохондрии, усиливает сигналинг окислительного фосфорилирования

• серотонин активирует митогенез

При митохондриальной дисфункции противопоказаны:

• парацетамол (ацетаминофен) – поражает митохондриальные мембраны, провоспалительный сигналинг цитокинами — IL-1β, ФНО-α, а также простагландина Е2 и тромбоксана В2, что в конечном итоге приводит к деструкции мтДНК

• карбамазепин и вальпроаты подавляют функции митохондрий Карбамазепин приводит к повышению уровня лактата в головном мозге, а вальпроаты ингибируют процессы окислительного фосфорилирования

• подобные эффекты были выявлены при экспериментальном изучении ингибиторов обратного захвата серотонина, метформина, статинов, рисперидона, диклофенака

Таким образом, митохондрии не просто клеточные органеллы, а основные регуляторы биохимических процессов. Они секретируют ферментные комплексы, необходимые для производства энергии, осуществляют эпигенетическую регуляцию ядерной ДНК. Через активные формы кислорода митохондрии поддерживают клеточный гомеостаз.