Czym są mitochondria?
Mitochondria są określane mianem „elektrowni komórki”. Jak zdobyły ten przydomek?
Mitochondria są miniaturowymi elektrowniami lub fabrykami w każdej komórce Twojego ciała. Typowa żywa komórka ludzka zawiera od setek do tysięcy mitochondriów.
W podobny sposób jak Twój układ trawienny, mitochondria są jak małe układy trawienne w Twojej komórce, zamieniające jedzenie w energię. Cukry, tłuszcze i aminokwasy z białek, które spożywamy, są przekształcane w energię przez mitochondria. Są one w tym tak skuteczne, że generują około 90% energii, której potrzebują nasze komórki.
Jak wyglądają mitochondria?
Mitochondria wyglądają jak małe fasolki w komórce. Zbudowane są z dwóch błon: zewnętrznej i wewnętrznej.
Błona zewnętrzna działa jak ściana, pokrywając całą organellę.
Membrana wewnętrzna wygląda jak seria fałd, składająca się z kilku przedziałów. Ten warstwowy kształt ma na celu zmaksymalizowanie powierzchni mitochondriów, wspierając większą wydajność ich funkcji.
Wewnątrz błony wewnętrznej znajduje się płyn zwany macierzą; to właśnie tam dzieje się magia.
Skąd się wzięły mitochondria?
Zanim mitochondria stały się nieocenione dla ludzkich komórek, istniały zupełnie poza nimi jako jednokomórkowe, niezależne organizmy. Wyglądały bardzo podobnie do bakterii. Jednak kiedyś, w zamierzchłej historii biologii, ponad dwa miliardy lat temu, połączyły się z prostą komórką, tworząc symbiotyczny związek.
Na początku plan nie polegał tylko na połączeniu się. Mitochondria, jako bakterie, chciały jedynie pozbawić komórki gospodarza energii, a następnie pozostawić je na pewną śmierć. Ale bakterie wkrótce zdały sobie sprawę z korzyści płynących ze współpracy z komórkami prostymi.
Komórki proste dostarczają im antyoksydantów, które chronią je przed wolnymi rodnikami i toksycznymi reaktywnymi formami tlenu, które mitochondria wytwarzają jako produkt uboczny produkcji energii. W zamian mitochondria produkowały energię, której potrzebowały komórki proste. To całkiem słodki układ. To tak, jakby mitochondria płaciły czynsz w zamian za mieszkanie i media.
Mitochondria są w zasadzie kosmitami w twoim ciele. Nasze mitochondria posiadają nawet swoje własne DNA, zwane mtDNA, co daje im niezależny genom. Co więcej, mitochondrialne DNA jest przekazywane tylko z matki na dziecko, co sprawia, że jesteś genetycznie bardziej podobny do swojej matki niż do swojego ojca. W rzeczywistości, współczesne firmy zajmujące się badaniem przodków opierają się na Twojej matczynej linii rodowej, wykorzystując mitochondrialne DNA.
Cel mitochondriów.
Mitochondria mają jeden podstawowy cel: wytwarzanie energii. Aby wytworzyć energię, tworzą one bardzo potrzebną cząsteczkę znaną jako adenozynotrójfosforan lub ATP.
Co to jest ATP?
Nasze ciała nie tylko tworzą i wykorzystują energię od razu. W rzeczywistości przechowuje on energię, którą produkujemy z naszego pożywienia w cząsteczce. ATP, czyli trójfosforan adenozyny, jest podstawowym magazynem energii dla naszych komórek. Są one jak maleńkie baterie unoszące się w powietrzu i czekające na wykorzystanie. Słowo „tri”, oznaczające trzy, oznacza, że w strukturze cząsteczki znajdują się trzy fosforany.
Kiedy komórki potrzebują energii, ATP jest rozkładane w procesie zwanym hydrolizą. Jest to właściwie dość łatwe do przeprowadzenia, ponieważ ATP jest tak niestabilną cząsteczką. Trzy fosforany w ATP są jak trzej współlokatorzy dzielący pokój. Nie lubią się nawzajem i tylko czekają, żeby się rozdzielić.
Gdy dojdzie do podziału, wiązanie molekularne między fosforanami w grupie trójfosforanowej ATP zostanie zerwane, usuwając jeden z fosforanów w cząsteczce ATP. Trio staje się duetem, zamieniając w ten sposób ATP w ADP lub adenozyno-difosforan.
Ten rozpad uwalnia ogromną energię, którą nasze komórki wykorzystują do zasilania ważnych czynności komórkowych.
Nasze mitochondria ciężko pracują, aby upewnić się, że nasze komórki mają wystarczającą ilość tych gotowych do użycia „baterii”, czyli ATP, unoszących się w powietrzu.
Jak mitochondria wytwarzają ATP?
Aby wytworzyć więcej ATP, nasze mitochondria przechodzą przez serię reakcji chemicznych, aby rozłożyć nasze pożywienie, szczególnie glukozę, aminokwasy i kwasy tłuszczowe. Glukoza jest tak naprawdę podstawową cząsteczką, na którą rozkładane jest nasze pożywienie, więc skupmy się na glukozie, aby zrozumieć, w jaki sposób nasze mitochondria przekształcają żywność w energię.
Nasze mitochondria przetwarzają cząsteczki glukozy w procesie zwanym oddychaniem komórkowym, który jest w zasadzie procesem rozkładania i przekształcania glukozy poprzez łączenie tlenu z cząsteczką glukozy. Tlen pochodzi z powietrza, którym oddychamy.
Ten proces dodawania tlenu do glukozy wytwarza ciąg cząsteczek. W swojej najbardziej podstawowej formie proces ten wygląda jak następujący wzór:
Glukoza + Tlen = Dwutlenek węgla, Woda i ATP.
Dwutlenek węgla i woda są produktami ubocznymi tego procesu. To jest oddychanie komórkowe, uproszczone.
Jednakże nasze mitochondria nie przyjmują glukozy w jej surowej postaci. Nie da się jej wykorzystać w normalnym stanie, więc nasze komórki rozkładają glukozę jeszcze bardziej przed przekazaniem jej do mitochondriów. Ten proces nazywa się glikolizą.
Połamana forma glukozy jest tym, co naprawdę łączy się z tlenem, aby wytworzyć netto dwutlenek węgla, NADH, FADH2 i ATP. Proces ten nazywany jest cyklem Krebsa. Rozłóżmy produkty tego procesu na czynniki pierwsze:
Dwutlenek węgla: Jeden z naszych produktów ubocznych. Wydychasz go na zewnątrz.
NADH i FADH2: dinukleotyd nikotynamido-adeninowy (NAD+) i dinukleotyd flawinowo-adeninowy (FAD) są koenzymami, które pomagają wytwarzać więcej ATP. NADH i FADH2 są ich formami naładowanymi elektronami. Na razie należy to zignorować. Porozmawiamy o tych ważnych graczach później.
ATP: Energia!
Więc Cykl Krebsa tworzy energię, ale sam Cykl Krebsa nie wytwarza wystarczającej ilości ATP, którego potrzebują nasze komórki. Prawdziwymi nagrodami są NADH i FADH2, które są produkowane w tym procesie. To właśnie one wytwarzają większość naszego ATP poprzez tzw. łańcuch transportu elektronów.
Łańcuch transportu elektronów jest zasadniczo procesem, w którym nasze mitochondria stale „kradną” od swoich gości. NADH i FADH2 są cząsteczkami naładowanymi elektronami i nasze mitochondria „kradną” te elektrony z NADH i FADH2, przekształcając je w NAD+ i FAD.
Z kolei, nasze mitochondria biorą te naładowane elektrony i produkują mnóstwo ATP, zamieniając cytryny w lemoniadę. Proces ten jest tak wydajny w produkcji ATP, że łańcuch transportu elektronów wytwarza większość naszej energii ATP. Na szczęście, chętni przyjaciele mitochondriów, NAD+ i FAD, nadal wracają niosąc dary naładowanych elektronów, aby podtrzymać proces. Jest to doskonały łańcuch dostaw, a jedynym produktem ubocznym w tym procesie jest woda, co dopełnia naszą formułę:
Glukoza + Tlen = Dwutlenek węgla, Woda i ATP.
Mitochondria i starzenie się.
Badania przeprowadzone przez School of Kinesiology and Health Science z York University pokazują, że z wiekiem wytwarzamy mniej mitochondriów. Wraz z wiekiem mitochondria również stopniowo się pogarszają, przez co te nieliczne, które nam pozostały, pracują o wiele ciężej. W rzeczywistości dysfunkcja mitochondriów jest uważana za cechę charakterystyczną starzenia się.
Te same naukowcy z York University uważają, że jest to wynik braku równowagi między liczbą wolnych rodników a zdolnością komórek do ich usuwania. Jednak większość społeczności naukowej zgadza się, że mitochondria stają się mniej efektywne z upływem czasu z powodu ich zmniejszonej zdolności do wytwarzania ATP.
Mitochondria odpowiadają na twoje potrzeby energetyczne.
W większości przypadków liczba mitochondriów, które tworzymy, koreluje z ilością energii, której potrzebujemy. Oznacza to, że w dużej mierze nasza codzienna aktywność dyktuje liczbę mitochondriów, które tworzymy i podtrzymujemy. Kiedykolwiek następuje znacząca zmiana w naszym stylu życia lub nawykach, nasze mitochondria dostosowują swoją liczbę.
David A. Hood z York University uważa, że istnieje związek między rutyną ćwiczeń a biogenezą mitochondriów. Biogeneza mitochondriów to seria złożonych reakcji chemicznych w organizmie, które sygnalizują zapotrzebowanie na więcej ATP, a więc i więcej mitochondriów. Nasze mitochondria zasadniczo klonują się w procesie samoreplikacji, aby sprostać nowemu zapotrzebowaniu na energię.
Jednakże prawdą jest również odwrotna sytuacja. Siedzący tryb życia może sygnalizować organizmowi, że nie potrzebujemy tak dużo ATP i hamować mitochondria przed replikacją. W rezultacie Twoje mitochondria produkują mniej energii komórkowej, co prowadzi do ogólnej dysfunkcji metabolicznej.
Mitochondria i NAD+.
Jak kluczowe są mitochondria dla wytwarzania energii, nie jest to tak proste jak jedna organella. W grę wchodzi wiele różnych reakcji chemicznych i koenzymów, a mianowicie jedna krytyczna cząsteczka znana jako dinukleotyd nikotynamido-adeninowy lub NAD+.
Jak wspomniano wcześniej, w procesie oddychania komórkowego powstają dwa koenzymy, FAD i NAD+. Jednak między tymi dwoma produkujemy znacznie więcej NAD+ niż FAD. Gdyby mitochondria były fabrykami, cząsteczki NAD+ byłyby flotą samochodów dostawczych, a cząsteczki FAD byłyby tymczasowymi kierowcami, którzy pracują tylko na pół etatu.
NAD+ jest jak najbardziej niezawodny przyjaciel mitochondrium, stale dostarczający naładowane elektrony do produkcji obfitego ATP w łańcuchu transportu elektronów.
Niestety, ilość produkowanego przez nas NAD+ naturalnie spada wraz z wiekiem. Podobnie jak w przypadku mitochondriów, na ilość NAD+ w naszych komórkach duży wpływ ma również nasz styl życia i nawyki. Badanie opublikowane w Physiological Reports pokazuje, że trening fizyczny może w naturalny sposób zwiększyć poziom NAD+. Z drugiej strony, takie czynniki jak wiek, stres metaboliczny, stres immunologiczny, picie alkoholu, przejadanie się mogą przyczynić się do wyczerpania NAD+.
W dążeniu do zrozumienia nauki o starzeniu się i jak najlepiej nim zarządzać, społeczność naukowa położyła duży nacisk na badania NAD+ i jego związek z dysfunkcją mitochondriów. Powszechnie uznaje się, że zdrowie mitochondriów odgrywa ogromną rolę w naszym ogólnym zdrowiu człowieka, a NAD+ jest częścią tej historii. Na szczęście, utrzymanie zdrowej funkcji mitochondriów jest możliwe dzięki kilku zmianom w stylu życia. Oto kilka wskazówek, jak wspierać zdrowie mitochondrialne.