Митохондрии - органоиды в клетках, являющиеся источником энергии для этих клеток. Они считаются частью клетки и отвечают за превращение органических веществ из пищи в энергию для тела. Митохондриальная дисфункция (нарушения в работе митохондрий) связана с рядом заболеваний. В этой статье описаны функции митохондрий и как они могут повлиять на ваше здоровье. Прочитайте эту информацию, чтобы глубже узнать о митохондриях и о том, при каких заболеваниях они играют существенную роль.
Продолжение статьи читайте здесь.
Статья основана на выводах 79 научных исследований
В статье цитируются авторы:
- Исследовательский центр питания JM USDA, США
- Корнельский Университет, США
- Научный Институт качества здравоохранения, Нидерланды
- Отделение детской неврологии и Метаболически-Нейрогенетическая клиника, Медицинский центр Вольфсона, Израиль
- Центр Университета Колорадо, Школа медицины детской больницы в Денвере, США
- и другие авторы.
Обратите внимание, что цифры в скобках (1, 2, 3 и т.д.) являются кликабельными ссылками на рецензируемые научные исследования. Вы можете перейти по этим ссылкам и ознакомиться с первоисточником информации для статьи.
Что такое митохондрия
Митохондрия - мембранная закрытая органелла, ответственная за преобразование из жиров и углеводов (глюкозы) в пригодные для использования организмом формы энергии. [р, р]
Самой основной функцией митохондрий является производство АТФ, основного источника энергии для всех клеток. АТФ (ATP, аденозинтрифосфа́т или аденозинтрифосфорная кислота) используется для всех функций клетки, и мы должны съесть пищу, чтобы пополнить запасы АТФ. [Р]
Митохондрии используют кислород для производства АТФ в процессе, известном как аэробное или клеточное дыхание. В этой реакции используется кислород и производится углекислый газ, который мы выдыхаем через легкие. [Р]
Количество митохондрий в клетке меняет с каждым типом клетки. В зависимости от энергетических потребностей клетки происходит увеличение числа митохондрий, например в мышечных клетках количество митохондрий будет расти. Это позволяет вырабатывать и использовать больше энергии в наиболее активных клетках. [Р]
Помимо производства энергии митохондрии играют важную роль в контроле над уровнями кальция, помогая сбалансировать энергетическую потребность и производство этой энергии в клетке. [Р]
Она также отвечает за инициирование разрушения старых и поврежденных клеток, процесса, называемый апоптозом. Это необходимо, чтобы освободить место для роста и регенерации клеток после травм и для предотвращения возникновения и роста раковых клеток. [р, р, р]
Продукты, возникающие в процессе деятельности митохондрий, накапливаются и производят свободные радикалы. Это вызывает окислительный стресс в организме, который является основной причиной практически всех возрастных заболеваний. [Р]
Неправильная (нарушенная) работа митохондрий приводит к нарастанию отходов и уменьшает возможность избавления от "плохих" клеток. Это может привести к возникновению злокачественной опухоли. [Р]
Сегодня митохондрии являются мишенью ряда новых перспективных методов лечения рака, сердечной недостаточности, резистентности к инсулину и нарушений в работе мозга. [Р]
Поскольку энергия занимает центральное место в жизни, улучшение функции митохондрий напрямую связано с нашим физическим и психическим здоровьем.
Происхождение митохондрий
Некоторые из первых живых организмов на Земле были одноклеточными прокариотическими организмами, как современные бактерии. Люди - это эукариотические организмы, что означает, что мы составлены из эукариотических клеток. Предполагается, что эукариоты произошли от прокариотических клеток. [р, р].
Прокариоты отличаются от эукариот несколькими особенностями: [Р]
- Прокариоты не имеют внутренних отсеков (органелл).
- ДНК у них круговая, а не линейная, как у эукариот.
- Прокариоты не имеют ядра, и поэтому их ДНК свободно плавает в центре клетки, в то время как эукариотическая ДНК упакована в ядро каждой клетки.
- Прокариотическая ДНК проще, чем эукариотическая ДНК.
- Прокариоты тиражируются путем расщепления пополам и получения 2-х одинаковых копий (бинарное деление).
Благодаря своими сходствами, митохондрии, как считается, произошли от древних прокариотических клеток , таких как бактерии. [р, р]
Митохондрии похожи на древние бактерии:
- Конструктивно митохондрия напоминает бактерию.
- Она состоит из двойной мембраны, через которую синтезируется АТФ, подобно бактериальной продукции АТФ.
- Она имеет собственную кольцевую ДНК.
- Последовательность митохондриальной ДНК сильно напоминает последовательность ДНК у современных прокариот (риккетсии prowazekii).
- Как и прокариотические организмы, митохондрия может воспроизвести себя внутри клетки путем бинарного деления.
Сегодня наиболее широко развита теория, которая объясняет эти особенности с помощью теории эндосимбиоза (endosymbiotic). Эта теория предполагает, что древние прокариотические организмы, которые производили энергию с использованием кислорода, случайно слились с эукариотическими клетками, которые не используют кислород. Две клетки получили взаимную выгоду от совместной работы, как индивидуальной единицы (эндосимбионты). [р, р]
Способность использовать кислород для получения энергии оказалась благоприятной для выживания обеих клеток. Со временем совместные клетки превратились в современные эукариотические организмы. Митохондрия считается остатком исходных прокариотических организмов. [Р]
Митохондриальная ДНК
Большинство генома человека, который является ДНК человека, упаковано в 23 пары хромосом в ядре клетки. Помимо ядерной ДНК, человеческие клетки также несут определенный набор из 37 генов, которых только нашли в митохондриях. [Р]
Митохондриальная ДНК (мтДНК) - в основном, содержит только кольцевые молекулы ДНК. Каждая митохондрия несет от 2 до 10 копий этих молекул. [Р]
Митохондриальная ДНК кодирует белки, необходимые для митохондриальной функции. [Р] 23 пары хромосом в ядре наследуются от обоих родителей после прохождения рекомбинации, что делает вас уникальным. [Р] С другой стороны, митохондриальная ДНК может передаваться по наследству только по материнской линии. Отцовская мтДНК разрушается после того, как сперматозоид проникает в яйцеклетку. [Р]
Функции митохондрий
Митохондрия отвечает за преобразование жиров и углеводов в АТФ - топливо клетки. Кроме того, митохондрии могут вызывать гибель клетки, когда это необходимо, контролировать уровень кальция и разрушать молекулы на углеродной основе. [р, р]
Побочные продукты нормальной работы митохондрии накапливаются и производят свободные радикалы. Это приводит к окислительному (оксидативному) стрессу, который является основной причиной почти всех серьезных возрастных заболеваний. [Р]
Митохондрии являются электростанциями клетки
Наиболее значительную роль, которую играют митохондрии - это производство АТФ. Серия биохимических реакций внутри и вне митохондрий приводит к продукции АТФ через вызванный процесс оксидативного фосфорилирования. Такая нормальная клеточная функция требуют получения пищи и кислорода для производства энергии. [Р]
Жиры, углеводы и белки обеспечивают организм различным количеством АТФ при расщеплении [Р].
Углеводы, которые преобразуются в молекулы глюкозы, являются самыми быстрыми, чтобы генерировать 34-38 молекул АТФ из каждой молекулы глюкозы. Для нашего тела это предпочтительная форма энергии. [Р]
Жиры начинают использоваться для выработки энергии, когда уровни глюкозы снижаются. Одна молекула пальмитиновой кислоты, входящая в насыщенные жиры, может производить 130 молекул АТФ. Однако, расщепление жиров (липолиз) - это гораздо более сложный процесс, и может занять до 72 часов для переваривания после приема жирной пищи. [Р]
Белки начинают использоваться для получения энергии, только когда организм не имеет запасов на глюкозы, ни жира. [Р]
Существует 3 стадии клеточного дыхания [Р]: гликолиз, цикл Кребса, и окислительного фосфорилирования.
Митохондрии могут вызвать смерть клеток
Митохондрии играют важную роль в инициации клеточной смерти, когда клетка повреждена или старая. Это полезно для нашего организма, чтобы сосредоточиться на выработке энергии для клеток и тканей, которые имеют более высокие потребности в энергии. Клеточная смерть также предотвращает распространение мутировавших и дефектных клеток. Процесс клеточного самоубийства называется апоптозом, который во многом основан на выпуске белков “самоубийц” из митохондрий. [р, р]
Когда митохондрии повреждены, то могут сами себя уничтожить с помощью процесса, называемого - митофагия (mitophagy), когда происходит выборочное разрушение митохондрий. [Р]
Электрон-транспортной цепи, найденные во внутренней мембране митохондрий, часто проявляют утечку свободных радикалов, или активных форм кислорода (АФК). Это может приводить к окислительному стрессу в клетках. Свободные радикалы реагируют со многими другими веществами в клетке, что приводит к повреждения ДНК и разрушению многих жизненно важных белков. [р, р]
Рост окислительного стресса связан с более чем 200 заболеваниями человека. Апоптоз, или запрограммированная смерть клетки, предотвращает накопление свободных радикалов. Митохондрии могут реагировать на апоптотические сигналы внутри (внутренний путь) и снаружи клетки (внешний путь). [р, р]
Помимо свободных радикалов, некоторые белки могут связываться с рецепторами на поверхности клетки и инициировать апоптоз. Эти сигналы смерти, и они высвобождаются в ответ на мутации ДНК, воздействие радиации, или от недостатка питательных веществ. [Р, Р]
Когда сигналы смерти связываются с их приемным устройствам на клетке, то они стимулируют начало нескольких химических реакций, которые приводят к изменениям в митохондриальной мембране. Это стимулирует движение белков в матриксе митохондрий, высвобождение белка, называемого цитохромом С, от внутренней мембраны. [р, р]
Цитохром С является одним из белков в транспортной цепи электронов. Когда он выходит из митохондрий, то клетка должна запустить апоптоз. Это является определяющим фактором клеточной гибели. [р, р]
Митохондрии играют роль в разрушении органических молекул
Митохондрии содержат ферменты, которые разрушают много различных молекул, используемых в дальнейшем для получения энергии в клеточном дыхании. Эти ферменты также производят промежуточные молекулы, которые состоят только из одного атома углерода. Эти молекулы на 1-углеродной основе обладают высокой реакционной способностью и могут конфликтовать с естественной клеточной активностью. [р, р]
Внутри митохондрий такие молекулы из 1-го углерода превращаются в различные аминокислоты, необходимые для производства АТФ и белков. Витамины В9, В12, В6 и В2 обеспечивают углерод, необходимый для проведения этих реакций. Недостаток в организме витаминов группы В связан с возрастными заболеваниями, такими, как болезнь Альцгеймера, сердечно-сосудистых заболевания и рак. [р, р]
Производство «heme» (гема), структурного ядра гемоглобина, находящегося в эритроцитах, является примером одного важного вещества из 1-го углерода, вырабатываемого в митохондриях. Гемоглобин - это железо-содержащий белок, который транспортирует кислород по всему телу. [Р]
Такие 1-углеродные молекулы экспортируются из митохондрий для того, чтобы участвовать в производстве некоторых из строительных блоков ДНК. Это происходит в желеобразной жидкости (цитоплазме), которая заполняет внутренность клетки, и откуда различные вещества могут перемещаться во все части клетки по мере необходимости, или экспортироваться в другие ткани. [Р]
Митохондрия регулирует уровень кальция в клетке
Митохондрии контролируют уровни кальция в клетке для того, чтобы координировать продукцию энергии вместе со спросом на эту энергию. Уровень кальция в клетке повышается для активации практически любого биохимического пути. Активация клеток, в свою очередь, требует энергии, поэтому митохондрии придется увеличить производства АТФ. [Р]
Когда кальций поступает в клетку, то концентрация кальция увеличивается вне митохондриальной матрицы. Это создает градиент концентрации, который управляет подачей кальция в матрицу. [Р] В клетках ткани мышц поступление кальция приводит к увеличению производства митохондрий. Подобное позволяет усилить снабжение энергией и удовлетворить спрос энергии в этой ткани. [Р]
Признаки нарушения работы митохондрий
- Постоянная усталость (Р)
- Нет возможности тренироваться в течение длительного периода времени (Р)
- Одышка, особенно во время физической нагрузки (р, р)
- Плохой рост костей и их здоровье (Р)
- Сложности с контролем своих движений, равновесия и координации (Р)
- Тяжело ходить или говорить (Р)
- Мышечная слабость и боль (Р)
- Заболевания сердечной мышцы (кардиомиопатия) (Р)
- Многочисленные проблемы в работе желудочно-кишечного тракта (Р)
- Заболевания печени и почек (Р)
- Обвислая кожа век, снижение зрения и другие проблемы со здоровьем глаз (Р)
- Сахарный диабет и другие гормональные расстройства (р, р)
- Проблемы со слухом (Р)
- Увеличивается количество случаев мигрени, инсультов и судорог (р, р)
- Трудности с запоминанием, деменция (Р)
- Задержка в развитии у детей, поражение нервной системы (Р)
- Рецидивирующие инфекции (р, р)
- Аутизм (Р)
Заболевания, связанные с нарушением работы митохондрий
Рак и нарушение в работе митохондрий
Раковые клетки требуют от митохондрий питания для роста опухолей. Раковые клетки также увеличивают количество своих митохондрий, чтобы обеспечить потребность в этой энергии. [Р]
С другой стороны, раковые клетки увеличивают объем работы митохондрий, в которых начинают скапливаться свободные радикалы. Окислительный стресс увеличивается в раковых клетках, и от него повреждаются окружающие ткани. [Р]
Одним из признаков рака является способность клеток избегать программируемой клеточной смерти (апоптоза). В нормальных здоровых клетках митохондрия вызвала бы этот процесс смерти, если бы клетка воспроизводила слишком много энергии или делала это слишком быстро. Однако, в раковых клетках, происходит избегание апоптоза путем увеличения разрушения митохондрий, которые собрали много свободных радикалов. Раковые клетки также включают антиоксидантные пути, которые защищают их и не вызывают гибель. [р, р]
Митохондрии в раковых клетках имеют более низкие уровни белков, которые способствуют клеточной смерти (BAX/BAK) и/или более высокие уровни белков, которые предотвращают гибель клеток (BCL-2/BCL-XL). [р, р]
Раковые клетки также умеют производить энергию разными способами, через процесс, известный как эффект Варбурга. Производство энергии в большинстве таких клеток происходит без кислорода, через гликолиз. И этот процесс может идти без участия митохондрий, чтобы избежать апоптоза. [р, р] Аэробное дыхание через цикл Кребса и окислительное фосфорилирование все еще происходят в раковых клетках, но в меньшей степени.
Болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, боковой амиотрофический склероз и нарушения в работе митохондрий
Митохондриальная дисфункция является важной причиной связанных с возрастом нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, бокового амиотрофического склероза и болезни Паркинсона. Накопление свободных радикалов с возрастом наносит повреждения в ДНК. В митохондриях накапливаются дефектные белки, которые вызывают снижение производства энергии, и в конечном итоге, гибель клеток. [Р]
Болезнь Альцгеймера
- Белок бета-амилоида накапливается вокруг наружной митохондриальной мембраны.
- Такое увеличение количества белка уменьшает продукцию АТФ и увеличивает оксидативный стресс, что в конечном счете приводит к смерти клетки.
- Бета-амилоид увеличивает производство митохондриального белка.
- Митохондриальные энзимы снижают свою работу, приводя к уменьшенным уровням ATФ.
- Митохондрии внутри клетки претерпевают структурные изменения. Вместо того, чтобы существовать в длинных трубках, митохондрии разделены на маленькие части внутри клетки (деление). Это усиливает общую дисфункцию клеток головного мозга у пациентов с болезнью Альцгеймера. [Р]
Болезнь Паркинсона
- Отличительной чертой болезни Паркинсона является накопление альфа-синуклеинового белка, что приводит к гибели клеток и потере нейронов.
- Пациенты с болезнью Паркинсона аккумулируют этот протеин в митохондриях, что способствует увеличенному оксидативному стрессу и уменьшению производства энергии.
- Parkin protein (E3 ubiquitin ligase) и pink1 protein ответственны за маркировку поврежденных митохондрий для их разрушения. У пациентов с болезнью Паркинсона содержатся низкие уровни этих белков.
- Поврежденные, слабо работающие митохондрии не деградируют и остаются в клетке.
- Альфа-синуклеин продолжает накапливаться, что приводит к нейродегенерации. [Р]
Диабет и нарушение работы митохондрий
Неправильная работа митохондрий обнаруживается у пациентов с диабетом 1-го типа и с диабетом 2-го типа. В клетках пациентов с диабетом обнаруживаются низкие уровни глюкозы. [р, р]
Митохондрии разбиваются на небольшие фрагментированные сети (увеличенное деление, уменьшенное слияние) по всей клетке. Это обнаруживается как в случае диабета 1-го типа, так и 2-го типа. [Р]
Диабет 2 типа вызван резистентностью к инсулину в клетках, снижая количество глюкозы, доступной для дыхания. Это уменьшает выработку АТФ и, таким образом, энергию, доступную для клеток. [Р]
Неизвестно, является ли митохондриальная дисфункция причиной резистентности к инсулину или ее симптомом. Некоторые данные указывают на митохондрии, как на причину инсулинорезистентности, а не на симптом. [Р]
У пациентов с сахарным диабетом 2-го типа обнаруживаются пониженные уровни митохондриальных белков, ответственных за выработку энергии. [р, р]
Сердечная недостаточность и нарушение работы митохондрий
Клетки сердца в значительной степени полагаются на митохондрии, чтобы питать себя энергией. Митохондриальная дисфункция является причиной сердечной недостаточности из-за нарастания окислительного стресса. [Р]
У пациентов с сердечной недостаточностью снижается активность митохондрий. Они проявляют более низкую активность в транспортных цепях электронов. Это вызвано потерей кислорода в митохондриях [Р]. Это приводит к накоплению электронов, которые производят свободные радикалы. [Р]
Синдром хронической усталости и нарушение работы митохондрий
Синдром хронической усталости - это пожизненное нарушение в организме, характеризующееся длительными (>6 месяцев) симптомами сильной усталости, которые могут снизить жизнедеятельность организма более чем на 50%.
Пациенты с хронической усталостью страдают от множества других симптомов, включая [Р]:
- Тревога
- Депрессия
- Головная боль
- Мышечная боль
- Нарушение работы мозга
Хотя когда-то считалось, что это заболевание больше психологического характера, но сегодня есть все больше доказательств, что митохондриальная дисфункция является одной из основных причин этого расстройства. [Р]
Многочисленные клинические испытания были проведены и дали смешанные результаты. Синдром хронической усталости может быть вызван одной или несколькими из следующих митохондриальной патологии [Р]:
- Уменьшенное количество митохондрий
- Более низкие уровни L-карнитина, ALCAR, убихинона или CoQ10
- Снижение активности белка в транспортной цепи электронов (окислительное фосфорилирование)
- Снижение производства АТФ
Ряд других исследований указали, что структура митохондрий и их работы были без существенных различий нормальных и больных пациентов. Необходимы дополнительные исследования для выяснения причин этого заболевания, и выявление роли митохондриальной дисфункции.
