Mitochondrie: klíč k dlouhověkosti

Mitochondrie: klíč k dlouhověkosti

Říká se jim buněčné elektrárny – právě v mitochondriích jsou totiž živiny přijaté potravou přeměňovány na energii pohánějící celé naše tělo. Tyto drobné organely proto spolurozhodují o naší vitalitě, ochotě našeho těla hubnout, ale také o rychlosti našeho stárnutí.

 

Malé upozornění hned na začátek: Tento článek bude dlouhý. Jenže mitochondrie podle posledních výzkumů ovlivňují naše zdraví, procesy stárnutí a fyzickou i psychickou výkonnost tak zásadním způsobem, že si obsáhlejší text jdoucí dostatečně do hloubky zaslouží. Právě mitochondrie totiž dodávají buňkám to nejzásadnější, co potřebují pro své fungování: energii. Navíc se od ostatních buněčných organel (vyjma buněčného jádra) liší důležitým způsobem: obsahují totiž vlastní DNA.

Mitochondrie produkují energii aerobním způsobem, tedy oxidují glukózu a mastné za účasti kyslíku. Energii obsaženou v jejich molekulách následně ukládají do tzv. makroergních fosfátů (např. ATP), což jsou jediné látky, které mohou sloužit jako zdroj energie pro všechny buňky těla.

„Kondice“ mitochondrií je proto zásadní zejména pro tkáně, které jsou na aerobním způsobu získávání energie závislé – nejvíce to platí pro mozek, srdce a oči, kde je aerobně získáváno až 90 % energie nutné pro fungování těchto buněk. A právě tyto orgány jsou proto na narušení funkce mitochondrií nejcitlivější. V těsném závěsu pak následují kosterní svaly, Langenrhansovy ostrůvky ve slinivce, ledviny a játra.

Zajímavé také je, že velké množství mitochondrií je obsaženo ve svalových buňkách vytrvalostních sportovců. Ve vytrvalostních disciplínách totiž svaly získávají většinu energie aerobním způsobem, a proto je růst počtu mitochondrií důležitou součástí adaptace na vytrvalostní zátěž.

 

Tak trochu jiná DNA

Většina z vás si nejspíš pamatuje, že naše DNA je uložena v buněčném jádře. To je sice pravda, ale jádro není jediným místem, kde se tato klíčová látka nachází. Svou vlastní DNA totiž mají i mitochondrie. Když se buňka dělí, dochází v jádře nejprve k tzv. replikaci DNA, při níž z původní dvoušroubovice vzniknou dvě nové, totožné. Ten samý proces ovšem probíhá i v mitochondriích.

V každé mitochondrii se nachází 2-10 molekul mitochondriální DNA (mtDNA). Každá buňka, v závislosti na typu tkáně (a počtu mitochondrií), většinou obsahuje něco mezi tisícovkou a deseti tisíci molekulami mtDNA. Výjimku tvoří spermie, kde je jich pouze několik stovek, a vajíčka, kde se jich naopak nachází až 100 000.

Stejně jako DNA v buněčném jádře, i mtDNA dědíme po rodičích, a to i s negativními změnami vzniklými mutací nebo epigenetickými procesy, které rodiče až do okamžiku našeho početí na své mtDNA nastřádali. Je tu ale jeden zásadní rozdíl: Zatímco v případě jaderné DNA získáváme polovinu genů od matky a polovinu od otce, mitochondriální DNA dědíme takřka výhradně po matce. Důvody jsou dva: zaprvé je ve vajíčku mnohonásobně více molekul mitochondriální DNA než ve spermiích a zadruhé jsou mitochondrie spermie při jejím vstupu do vajíčka téměř kompletně zničeny. Právě rozbor mtDNA mimochodem dovedl vědce k hypotéze, že všichni lidé na světě jsou potomky jediné ženy, která žila v Africe před 250 000 lety.

Otcovská mitochondriální DNA se tedy v našich buňkách jen ve zcela minimálním množství, v případě jejího poškození ovšem i tak může způsobovat problémy – popsán byl například případ pacienta, který trpěl myopatií právě z důvodu mutací v otcovské mtDNA.

 

Mutace, kam se podíváš

mtDNA má odlišnou strukturu než DNA v buněčné jádře. Chybí tu totiž bílkoviny jménem histony, které spoluvytvářejí strukturu této látky v jádře – právě na histony se řetězce DNA namotávají jako nit na cívku. I kvůli tomu je ovšem mtDNA hůře chráněna, a proto v ní vznikají mutace až desetkrát častěji než v buněčném jádře. Kromě toho je navíc její funkčnost narušována i změnami epigenetickými – tedy prostřednictvím biochemických reakcí, které snižují, nebo naopak zvyšují aktivitu jednotlivých genů.

Zatímco epigenetické změny jsou do značné míry vratné (byť je k tomu obvykle potřeba např. zásadní změna životního stylu), změny způsobené mutací jsou definitivní. Zaniknout mohou jen v případě, že dojde ke zničení „zmutované“ mitochondrie, nebo rovnou celé buňky. Navíc bohužel platí, že když buňka prochází dělením, kopíruje se přitom vedle jaderné DNA i ta mitochondriální. Bohužel proto, že spolu s ní se kopírují i všechny chyby – ty vzniklé mutacemi i ty, jejichž příčinou jsou změny epigenetické. Negativních změn v oblasti obou typů DNA přitom obecně s věkem přibývá, a kvůli tomu roste jejich míra nejen v oblasti jaderné DNA, ale i v mitochondriích.

 

Mitochondrie a stárnutí

Jak tedy organismus stárne, mění se i mitochondrie – ubývá jich, jsou větší, v jejich struktuře vznikají různé abnormality, a to se projevuje i na jejich funkci. Klesá zejména jejich efektivita při tvorbě energie, takže buňky v jednotlivých tkáních trpí jakousi „podvýživou“, přestože k nim živin v krvi proudí dostatek. Narušují se však i další procesy v těle, například rovnováha vápníku či propustnost buněčných membrán. Zvlášť vysoká míra negativních změn pak vede k apoptóze neboli buněčné smrti.

Zároveň se ale ukazuje, že souvislost nejspíš platí i obráceně: čím více negativních změn se hromadí v našich mitochondriích, tím rychleji stárneme a roste i riziko řady onemocnění a jiných projevů stárnutí. Každopádně platí, že zatímco u mladých jedinců se většinou vyskytuje pouze malá míra poškození mitochondrií, u seniorů je už poškozena drtivá míra těchto organel.

S dysfunkcí mitochondrií přímo souvisí také vznik řady onemocnění – zejména těch, které postihují orgány nejnáročnější na aerobní produkci energie. Typickým příkladem je Alzheimerova choroba, některá oční onemocnění, kardiovaskulární choroby či cukrovka, ale i třeba ztráta vlasů, osteoporóza či autismus. Bližší souvislosti různých onemocnění s funkcí mitochondrií přineseme v dalším pokračování článku.

Zhoršující se funkce mitochondrií je také jednou z příčin, proč s věkem stoupá tendence přibývat na váze. Jejich základním posláním je totiž přeměna živin na energii, a když tento proces vázne, živiny přijaté potravou se v mnohem větším množství ukládají do tukových zásob.

 

Pozor na volné radikály

Mitochondrie jsou také extrémně citlivé na oxidativní stres. Zvýšená produkce volných radikálů proto výrazně narušuje jejich funkci. Navíc je to často právě narušení mitochondrií, které způsobuje buněčnou smrt v důsledku oxidativního stresu. Problematické jsou pro mitochondrie zejména peroxidové a kyslíkové radikály – jejich hromadění má na buňky podobně zničující vliv jako působení radiace, a dokonce může způsobit i apoptózu neboli buněčnou smrt.

S věkem se navíc antioxidační ochrana těla zhoršuje, což opět zvyšuje riziko poškození mitochondrií. Narušené mitochondrie kromě toho také samy produkují spoustu volných radikálů, takže vzniká začarovaný kruh vedoucí ke stále většímu poškozování řady tkání a systémů v těle.

Tím ale problémy zdaleka nekončí. Látky vylučované poškozenými mitochondriemi se totiž váží na receptory imunitních buněk, které pak zareagují stejně jako při setkání s patogenem – začnou vylučovat látky jménem cytokiny, které podporují vznik zánětlivých procesů. Probíhající zánět následně zvyšuje riziko vzniku řady onemocnění, včetně těch nejvážnějších.

Podle některých hypotéz se mohou peroxidové a kyslíkové radikály podílet i na zhoršení imunity těla vůči virovým a jiným infekcím, protože v buňkách, které jsou jimi poškozeny, se virové částice šíří mnohem rychleji.

Z toho tedy vyplývá, že pokud se nám povede podpořit funkci mitochondrií, uděláme pro fungování celého těla opravdu hodně.

 

Naděje jménem plastochinon

Mohlo by se tedy zdát, že nejúčinnější zbraní proti stárnutí i nemocem souvisejícím s dysfunkcí mitochondrií, je vysoký příjem antioxidantů. K tomuto účelu bylo ostatně donedávna doporučováno například doplňování vitaminu E. Jenže tak jednoduché to bohužel není. Na jednu stranu je pravda, že nízký příjem antioxidantů stárnutí urychluje, jenže úplné zničení volných radikálů napříč celým tělem také není žádoucí, protože i tyto látky jsou v určitém množství pro organismus přínosem. Tělo proto eliminaci všech volných radikálů nepřipustí, a proto antioxidanty přijaté nad určitou míru nemilosrdně likviduje. Kvůli tomu ovšem i uvnitř mitochondrií zůstane určité množství peroxidových a kyslíkových radikálů, které zde mohou páchat škody.

Jediným možným řešením, jak zajisti, aby byly v mitochondriích zlikvidovány všechny volné radikály, je dostat antioxidanty přímo do nitra těchto organel. Tuto schopnost bohužel žádná přírodní látka nemá, nicméně několik vědeckých týmů z Ruska, USA a Švédska už pár let intenzivně pracuje na vývoji a testování syntetických antioxidantů, které by byly výrazně účinné právě při ochraně mitochodrií. Velmi nadějně se zatím jeví deriváty látky plastochinon (SkQ), zejména pak sloučeniny označované zkratkami SkQ1, SkQ3 a SkQR1. Právě plastochinon totiž představuje „molekulární lokomotivu“ (ano, tento termín se skutečně ve vědeckých kruzích používá), která dokáže antioxidanty dopravit dovnitř mitochondrií.

Již velmi malé množství SkQ1 a SkQR1 bylo v rámci pokusů na zvířatech schopno zcela zastavit apoptózu způsobenou peroxidovými radikály. Větší koncentrace pak dokázaly výrazně zpomalit stárnutí, a to jak u bezobratlých živočichů, tak i u savců.

U savců navíc po podání derivátů plastochinonu došlo k výraznému potlačení vývoje některých nemocí souvisejících s věkem, například osteoporózy, šedého i zeleného zákalu či retinopatie (nemoc způsobující poškození sítnice). Po podání SkQ1 dokonce došlo k redukci postižené oblasti po infarktu myokardu a mozkové mrtvici!

Derviváty plastochinonu navíc dokáží účinně potlačovat vznik tzv. senescentních buněk. Jde o buňky, které již prošly velkým počtem buněčných cyklů a ztratily schopnost dělení. Nicméně neumírají, ale v tkáních se hromadí a mohou způsobovat řadu obtíží. Právě proces senescence bývá přitom považován za jeden z nejdůležitějších mechanismů stárnutí (více zde https://www.epivyziva.cz/elixir-mladi-klic-mozna-lezi-v-senescentnich-bunkach /). Ochrana mitochondrií před působením volných radikálů přitom dokáže vznik senescentních buněk potlačit.

Existuje tedy naděje, že se brzy dočkáme skutečného elixíru mládí.

 

Mitochondrie a střevní mikrobiom

Syntetické antioxidanty ovšem nejsou jedinou cestou, jak ochránit mitochondrie a podpořit jejich funkci. Další velmi silná zbraň se nachází přímo uvnitř našeho těla. Jde o v poslední době tak často skloňovaný střevní mikrobiom.

Narušení rovnováhy v oblasti střevního mikrobiomu je v posledních letech spojováno se vznikem stále většího počtu onemocnění, a není přitom vůbec náhoda, že se velkou měrou jedná o problémy nějak související s mozkem – ať už je to například Alzheimerova choroba, deprese nebo dokonce autismus. Mikroorganismy obývající naše střeva se totiž nejenom podílejí na trávení potravy, tvorbě některých živin a udržování optimálního prostředí a mikrobiální rovnováhy uvnitř střev. Některé střevní bakterie zároveň produkují látky, které pronikají do krve a následně ovlivňují fungování procesů v celém těle.

Možná nejdůležitější z nich mastné kyseliny s krátkým řetězcem, tedy acetát, propionát a butyrát. Zvláště poslední z nich, butyrát, je zcela zásadní pro fungování mitochondrií, a dokáže dokonce epigenetickou cestou ovlivňovat aktivitu některých genů v mitochondriální DNA. Butyrát zároveň zlepšuje schopnost mitochondrií oxidovat živiny a vytvářet z nich energii ve formě ATP. Zvyšuje rovněž citlivost buněk na inzulin, což se rovněž ve výsledku projeví zlepšenou schopností mitochondrií produkovat energii (a také samozřejmě zlepšenou regulací hladiny krevního cukru). Butyrát také snižuje koncentraci volných radikálů kyslíku uvnitř mitochondrií, zlepšuje jejich integritu a celkově je chrání před poškozením.

Další zajímavou funkcí butyrátu je podpora autofagie, což je proces, při němž buňka doslova pojídá sebe sama. Tímto procesem dokáže buňka ze svého nitra odstraňovat části, které jsou nějakým způsobem narušené, což se týká i poškozených mitochondrií.

Mitochondrie navíc butyrát umějí efektivně využívat jako zdroj energie, což může být prospěšné zejména při Alzheimerově chorobě, při níž mozkové buňky vlivem inzulinové rezistence trpí nedostatkem energie.

 

Jak podpořit funkci mitochondrií

Kromě antioxidační ochrany se tedy v rámci ochrany a podpory funkce mitochondrií určitě vyplatí i péče o stav střevního mikrobiomu, zejména pravidelná konzumace probiotik a probiotik. Důležitá je v tomto směru zejména vysoká konzumace vlákniny, která slouží jako potrava pro střevní bakterie.

Dále je potřeba vyzvednou zejména pohyb aerobního charakteru (svižná chůze, běh, plavání, cyklistika atd.) Jak už jsme uvedli v úvodu, pro tyto aktivity svaly potřebují získávat energii aerobním způsobem, což je právě doména mitochondrií. Pokud se tedy věnujeme aerobnímu pohybu pravidelně, tělo se na zátěž adaptuje nárůstem počtu mitochondrií ve svalových buňkách i zlepšením jejich funkce. Tento efekt navíc funguje i v případě seniorů a stačí k němu i zátěž poměrně nízké intenzity (na úrovni svižné chůze).

Zmnožení počtu mitochondrií ve svalech a zlepšení jejich funkce přitom s sebou nese nejen zlepšení sportovní výkonnosti, ale má to i příznivý vedlejší efekt v podobě zlepšení citlivosti svalů na inzulin. Tím se snižuje inzulinová rezistence a klesá hladina krevního cukru, což je důležité v prevenci a léčby cukrovky a obezity. U obézních jedinců ostatně bývá ve většině případů funkce mitochondrií zásadně narušena, což následně kvůli omezené kapacitě přeměňovat živiny na energii komplikuje i hubnutí. Tím se obézní jedinci dostávají do začarovaného kruhu, a právě soustředění se na pravidelný pohyb jim ho může pomoci rozetnout.

Na poškozování mitochondrií se podílí i vysoká konzumace jednoduchých cukrů, tj. glukózy, fruktózy a sacharózy. Ty totiž v těle reagují s bílkovinami a tuky, přičemž vznikají sloučeniny označované jako AEG. Právě ony následně podporují tvorbu látky NF-kB, která v buňkách aktivuje řadu zánětlivých genů. Výsledkem je zánětlivý proces, jenž zhoršuje řadu procesů v těle a mj. poškozuje i mitochondrie. Rozhodně se tedy vyplatí snažit se omezit ve stravě právě obsah zmíněných jednoduchých cukrů.

Pozitivně na mitochondrie působí i omezení celkového kalorického příjmu – to mj. souvisí i se zlepšení antioxidační ochrany těchto organel a má zejména výrazný ochranný účinek na nervové buňky. Hladovění rovněž podporuje schopnost buněčné autofagie, což je způsob, kterým se buňka zbavuje poškozených mitochondrií.

Funkci mitochondrií ovlivňují i epigenetické změny, zejména pak v oblasti dvou genů – CGAT a SHMT2. Ty jsou totiž zodpovědné za produkci aminokyseliny glycinu uvnitř mitochondrií, přičemž právě glycin funkci mitochondrií výrazně podporuje.

 

Užitečné doplňky stravy

Aktivátory sirtuinů – sirtuiny jsou enzymy, které jsou spojovány s dlouhověkostí a hrají také důležitou roli pro správný průběh procesů uvnitř mitochondrií. Mezi nejznámější aktivátory sirtuinů patří resveratrol, barvivo obsažené ve slupkách hroznového vína. Skvělé účinky má také podobná sloučenina piceatannol, která se vyskytuje rovněž v hroznovém víně a v menší míře také v borůvkách.

Butyrát – mastnou kyselinu s krátkým řetězcem produkují bakterie, které jsou součástí střevního mikrobiomu (viz výše), zároveň je ale možné její hladinu v krvi zvyšovat i prostřednictvím užívání doplňků stravy.

Glycin – jde o aminokyselinu, která je běžnou součástí stravy. Když byl ale navíc podáván osobám velmi vysokého věku (nad 90 let), došlo u nich k výraznému zlepšení funkce mitochondrií.

Vitamin B2 – od tohoto vitaminu se odvozuje látka jménem flavin adenin dinukleotid, která je pro funkci mitochondrií zásadně důležitá.

 

Zdroje informací

Ortiz GG, Mireles-Ramirez MA, Gonzales-Usigli H, Macias-Islas MA, Bitzer-Quintero OK, Torres-Sanchez ED, Sanchez-Lopez AL, Ramirez-Jirano J, Rios-Silva M, Torres-Mendoza B. Mitochondrial Aging and Metabolism: The Importance of a Good Relationship in the Central Nervous Systém. Intechopen.com. December 14 2017.
V P Skulachev. A Biochemical Approach to the Problem of Aging: „Megaproject“ on Membrane-Penetrating Ions. The First Results and Prospects. Biochemistry (Mosc). 2007 Dec.
Asimo VN, Bakeeva LE, Egormin PA, Filenk OF, Isakova EF, Manskihkh VN, Mikhelson VM, Panteleeva AA, Pasyukova EG, Pilipenko DI, Piskunova TS, Popovich IG, Roshina NV, Ryina OYu, Saprunova VB, Samoylova TA, Semenchenko AV, Skulachev MV, Spivak IM, Tsybulko EA, Tyndyk ML, Vyssokikh MYu., Yurova MN, Zabezhinsky MA, Skulachev VP. Mitochondria-Targented lastoquinone Derivatives as Tools to Interrupt Execution of teh Aging Program. 5. SkQ1 Prolongs Lifespan and Prevents Development of Traits of Senescence. Biochemistry (Moscow), 2008, Vol. 73, No 12, pp. 1329-1342
Skulachev VP. Possible role of reactive oxygen species in antiviral defense. (1998) Biochemistry (Moscow) 63: 1438–1440
Vladimir P.Skulachev, Vladimir N.Anisimov, Yuri N.Antonenko, Lora E.Bakeeva, Boris V.Chernyak, Valery P.Erichev, Oleg F.Filenko, Natalya I.Kalinina, Valery I.Kapelko, Natalya G.Kolosova, Boris P.Kopnin, Galina A.Korshunova, Mikhail R.Lichinitser, Lidia A.Obukhova, , Oleg I.Pisarenko, Vitaly A.Roginsky, Enno K.Ruuge, Dmitry B.Zorov. An attempt to prevent senescence: A mitochondrial approach. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bioenergetics, Volume 1787, Issue 5, May 2009, Pages 437-461
Shannon Rose, Sirish C. Bennuri, Jakeira E. Davis, Rebecca Wynne, John C. Slattery, Marie Tippett, Leanna Delhey, Stephan Melnyk, Stephen G. Kahler, Derrick F. MacFabe,and Richard E. Frye Butyrate enhances mitochondrial function during oxidative stress in cell lines from boys with autism. Transl Psychiatry. 2018; 8: 42.
Frye RE, Rose S, Slattery J, MacFabe DF. Gastrointestinal dysfunction in autism spectrum disorder: the role of the mitochondria and the enteric microbiome. Microb. Ecol. Health Dis. 2015;26:27458.
Hong J, et al. Butyrate alleviates high fat diet-induced obesity through activation of adiponectin-mediated pathway and stimulation of mitochondrial function in the skeletal muscle of mice. Oncotarget. 2016;7:56071–56082.
Davis LM, Rho JM, Sullivan PG. UCP-mediated free fatty acid uncoupling of isolated cortical mitochondria from fasted animals: correlations to dietary modulations. Epilepsia. 2008;49:117–119.
Lee JS, Lee GM. Effect of sodium butyrate on autophagy and apoptosis in Chinese hamster ovary cells. Biotechnol. Prog. 2012;28:349–357.
Kelley DE, He J, Menshikova EV, Ritov VB. Dysfunction of mitochondria in human skeletal muscle in type 2 diabetes. Diabetes. 2002;51:2944–2950.
Ritov VB, Menshikova EV, He J, Ferrell RE, Goodpaster BH, Kelley DE. Deficiency of Sub-Sarcolemmal Mitochondria In Obesity and Type 2 Diabetes. Diabetes. 2005;54:8–14.
Bruce CR, Anderson MJ, Carey AL, et al. Muscle oxidative capacity is a better predictor of insulin sensitivity than lipid status. Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism. 2003;88:5444–5451.
Jonathan Kershaw and Kee-Hong Kim. The Therapeutic Potential of Piceatannol, a Natural Stilbene, in Metabolic Diseases: A Review. J Med Food. 2017 May 1; 20(5): 427–438.
Han Dai, David A. Sinclair, James L. Ellis, and Clemens Steegborn. Sirtuin activators and inhibitors: Promises, achievements, and challenges. Pharmacol Ther. 2018 Aug; 188: 140–154.
Elizabeth V. Menshikova, Vladimir B. Ritov, Liane Fairfull, Robert E. Ferrell, David E. Kelley, and Bret H. Goodpaster. Effects of Exercise on Mitochondrial Content and Function in Aging Human Skeletal Muscle. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2006 Jun; 61(6): 534–540. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1540458/
Tamilarasan Udhayabanu, Andreea Manole,Mohan Rajeshwari, Perumal Varalakshmi, Henry Houlden, and Balasubramaniem Ashokkumar. Riboflavin Responsive Mitochondrial Dysfunction in Neurodegenerative Diseases. J Clin Med. 2017 May; 6(5): 52.

 

Zanechat odpověď
Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..