Митохондриальная дисфункция

Все мы знаем, что для того чтобы жить нам нужна пища и вода. Ведь из пищи мы получаем энергию, которую потом тратим на дыхание, движение, обогрев и остальные процессы происходящие каждую секунду в нашем организме. Но как из еды получается энергия?

За производство энергиии в нашем организме отвечают специальные органеллы  – митохондрии. Митохондрии  – это своего рода энергетические станции, которые из глюкозы и жирных кислот посредством цикла Кребса производят нужную нам энергию.

Они используют кислород из воздуха, которым мы дышим, чтобы сжигать калории, находящиеся в съедаемой нами пище, и обеспечивать организм полезной энергией.

На самом деле, митохондрии – это бактерии, которые изначально существовали сами по-себе. Но в ходе эволюции они были захвачены другими простейшими клетками и стали жить в симбиозе. Но митохондрии всё также остаются, в какой-то мере независимыми органеллами.

Именно приобретение клетками митохондрий стало решающим моментом в эволюции жизни. Только после этого стало возможным развитие многоклеточных сложных организмов. Без митохондрий в клетке было бы возможным только анаэробное дыхание (производство энергии в отсутствии кислорода), которое является в 15 раз менее эффективным, чем аэробное.

Поэтому симбиоз простейших прокариатических клеток с  митохондриями стал решающим моментом в эволюции жизни на Земле. Все высшие многоклеточные организмы существуют только благодаря им.

У митохондрий имеется своя нить ДНК, они могут перемещаться внутри клеток, при делении они переходят в новую клетку и самостоятельно размножаются, восстанавливая свою численность.Большое количество митохондрий находится в клетках мышечной ткани, сердца, поджелудочной железы, печени и головном мозге. Но рекордсменном по их содержанию являются яйцеклетки, а вот в спермотозоидах их минимальное количество.

Митохондрии обладают собственной ДНК («генами»), которые в природе передаются только от матери к дочери (передача идет через материнские яйцеклетки, тогда как сперматозоиды лишены этой функции), и это дает возможность составить родословную человечества.

Возможно, вы слышали о митохондриальной Еве. Это «матерь матерей» – женщина, от которой современное человечество предположительно унаследовало митохондриальную ДНК. Дело в том, что ДНК митохондрий наследуется только по материнской линии.

МИТОХОНДРИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ

Одной из теорий старения и возникновения болезней является митохондриальная теория. Она заключается в том, что в процессе производства энергии митохондриями из вдыхаемого нами кислорода, образуются свободные радикалы – это активные молекулы кислорода, лишившиеся своего электрона.

И вот они пытаются этот электрон забрать у других молекул, входящих в состав клеток. Таким образом, каждая клеточка нашего организма атакуется свободными радикалами десятки тысяч раз в сутки. Хорошо, что у организма есть механизмы нейтрализации последствий таких атак, но иногда происходит так, что удары всё-таки повреждают клеточную ДНК, это приводит к перманентным мутациям ДНК.

Когда эти мутации накапливаются, процесс гибели клетки становится неизбежным. Чем больше погибших клеток в ткани, тем медленнее идет процесс её востановления. Старение – это не что иное, как последствие разрушений наших тканей свободными радикалами.

Наибольшее внимание митохондрии привлекли к себе, после того как в конце 90-х годов обнаружили, что апоптоз, запрограммированная гибель клеток инициируется на самом деле не ядерной ДНК клетки, как считалось ранее, а митохондриальной ДНК. Значение этого открытия очень велико, в первую очередь, для борьбы с онкозаболеваниями. Так как опухоли появляются тогда, когда клетка при накоплении повреждений вместо того, чтобы самоуничтожаться, начинает бесконтрольно делиться.

Внешне митохондрии остались похожими на бактерии. Их мембрана состоит из двух слоёв, внешнего и внутреннего. Внешняя мембрана является аналогом клеточной оболочки, а внутренняя образует многочисленные гребневидные складки – кристы.

Наличие крист в митохондриях значительно увеличивает площадь ее поверхности. Именно на внутренней мембране присходят биохимические реакции приводящие к выработке энергии. При этом энергия генерируется за счёт переноса электронов по электрон-транспортной цепи (ЭТЦ).

В матриксе митохондрий содержатся ферменты цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса). Прохождение одного полного цикла Кребса приводит к образованию трех молекул НАДН и одной молекулы ФАДН2, которые далеше учавствуют в электрон-транспортной цепи. Эти два процесса составляют клеточное дыхание.

Клеточное дыхание, это самая важная функция митохондрий. Митохондрии используют глюкозу и жирные кислоты, которые мы получаем при расщеплении пищи, стыкуют их с кислородом, для получения энергии в виде аденозинтрифосфата (АТФ).

В митохондриях имеются четыре мембрансвязывающих комплекса по которым происхот последовательный перенос электронов от НАДН и ФАДН2 по ЭТЦ к соединениям-акцепторам в ходе окислительно-восстановительных реакций. В завершающей стадии электроны попадают на кислород и восстанавливают его до воды.

Но иногда происходит так, что электроны сбиваются с пути, в результате чего происходит их утечка в матрикс, где они слишком рано реагируют с кислородом, что приводит к образованию опаного свободного радикала – супероксида. Именно свободные радикалы участвуют в окислительном стрессе, что приводит к старению и болезням.

ОТКРЫТИЕ МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ ДИСФУНКЦИИ

Впервые митохондриальные болезни были описаны Люфтом (Luft) в 1962 году, когда обследовали 35-летнюю женщину с эутиреоидным состоянием, миопатией, чрезмерным потоотделением, нетолерантностью к высокой температуре, полидипсией с полиурией и базовой скоростью метаболизма 180% от нормы.

Пациентка страдала от разобщения процессов окислительного фосфорилирования (ОФ). ОФ является основным путем получения энергии в клетке. Разобщение процессов ОФ приводит к образованию тепла без соответствующего образования АТФ, что влечет за собой дисфункцию общего состояния пациентки. В целях компенсации ее митохондрии увеличились в размере и  умножились, что отчетливо наблюдалось при анализе гистологической мышечной биопсии.

 С момента этого впервые задокументированного случая было отмечено, что митохондриальная дисфункция была свойственна  почти  всем патологическим и токсикологическим состояниям. К таким состояниям относится:

• саркопения
• неалкогольный стеатогепатит
• диабет и атеросклероз
• нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера
• наследственные состояния, совместно именуемые митохондриальными цитопатиями.

К сожалению, митохондриальные заболевания очень сложно диагностировать, так как симптомы постоянно варьируются и на начальной стадии могут быть отнесены к проявлению других распространённых заболеваний, таким как синдрому хронической усталости, фибромиалгии, сосудистым или психосоматическим заболеваниям.

   Митохондрии используют приблизительно 85% кислорода, потребляемого клеткой, в процессе образования АТФ.  В ходе нормального процесса  окислительного фосфорилирования от 0.4% до 4.0% всего употребляемого кислорода преобразуется в митохондриях в супероксидные радикалы (О2-). Супероксид трансформируется до пероксида водорода (Н2О2) с помощью ферментов детоксикации –  марганцевой супероксиддисмутазы (Mn-СОД) или цинк/медь- супероксиддисмутазы (Cu/Zn СОД) ,- а затем до воды с помощью глутатионпероксидазы или пероксидредоксина III.

Однако, если эти ферменты не способны достаточно быстро  конвертировать реактивные формы кислорода, такие как супероксид-радикал, до воды, происходит оксидативное повреждение и оно накапливается в митохондриях .

Глутатион является одним из основных антиоксидантов в организме. Глутатион представляет собой трипептид, содержащий аминокислоты глутамин, глицин и цистеин. Глутатионпероксидазе в качестве кофактора требуется также селен.

Митохондриальная дисфункция – это нарушение работы митохондрий, вызванное повреждением её ДНК свободными радикалами.

Витамины, минералы и другие метаболиты работают как необходимые кофакторы для синтеза и функционирования митохондриальных ферментов и других составляющих, которые поддерживают функцию митохондрий, поэтому дефицит микроэлементов может  ускорять старение митохондрий и способствовать увеличению образования свободных радикалов и повреждению митохондриальной ДНК.

Например, ферменты участвующие в цепи синтеза гемма, требуют достаточных количеств пиридоксина, железа, меди, цинка и рибофлавина.

Повышенное содержание глюкозы в крови индуцирует образование супероксида в митохондриях эндотелиальными клетками, который является важным медиатором диабетических осложнений, таких как сердечно-сосудистые заболевания. Образование супероксида в эндотелии также способствует развитию атеросклероза, гипертензии, сердечной недостаточности, старения, сепсиса и ишемически-реперфузионных повреждений.

Основные способы защиты митохондрии от свободных радикалов – это зависимая от магния супероксидлисмутаза, каталаза, коэнзим CoQ10, витамин Е и глутатион.

Приём некоторых лекарственных препаратов также может негативно сказываться на функции митохондрий. Например, важнейшего элемент в цепочке нейтрализации свободных радикалов –  коэнзим CoQ10 уходит в дефицит при приёме статинов, снижающих холестерин.

К медикаментам, повреждающим митохондрии также относятся:

• Парацетамол
• Антибиотики (некоторые не только снижают производство АТФ, но и приводят к увеличению синтеза реактивных форм кислорода)
• Аспирин
• Нестероидные противовоспалительные средства (НПВС)
• Азидотимидин (противовирусный препарат)
• Тербинафин, Кетоконазол, Итраконазол
• Индометацин
• Леводопа (лекарство от болезни Паркинсона)
• Статины
• А также кокаин, метформин, наркотики и алкоголь

Основными причины приводящие к митохондриальной дисфункции:

• Окислительный стресс – повреждение митохондрий свободными радикалами
• Факторы внешней среды – при неблагоприятном действии окружающей среды качество и производительность митохондрий снижается, приводя к недостатку энергии.
• Дефицит питательных веществ, кофакторов для нормальной работы ферментов митохондрий.

К болезням, которые вызывает митохондриальная дисфункция относятся:

• Раннее старение
• Мигрени
• Сердечно-сосудистые заболевания
• Диабет
• Аутизм
• Деменция
• Боковой амитрофический склероз
• Болезнь Альцгеймера
• Болезнь Паркинсона
• Болезнь Гентингтона

Так как клетки мозга содержат огромное количество митохондрий, то выявляется отчётливвая кореляция между дисфункцией митохондрий и нейродегенерацией.

Самым чувствительным и специфическим тестом на митохондриальную дисфункцию является анализ органических кислот в моче.

Также внешними проявлениями митохондриальной дисфункции могут быть следующие симптомы:

• Системные изменения: слабость, утомляемость, недостаточность мышечной массы, тенденция к набору избыточной массы тела/потере массы тела вплоть до кахексии, недостаточный рост у детей, утомляемость, снижение работоспособности
• Изменение гормонального статуса: нарушения работы поджелудочной железы – диабет, инсулинорезистентность; патология стероидогенеза: нарушения менструального цикла, снижение либидо, бесплодие.
• Скелетная мускулатура: мышечная слабость (гипотонус), задержка моторного развития, судороги, мышечная боль, птоз и офтальмоплегия.
• Центральная нервная система: задержка психического и речевого развития у детей, нейродегенеративные процессы и заболевания, судорожные приступы, психоневрологические нарушения, атипичные мигрени, инсульты и инсультподобные состояния
• Периферическая нервная система: нарушения терморегуляции, парестезии, хронический болевой синдром, нейропатические боли, демиелинизирующие полинейропатии, нарушения ЖКТ – хронические запоры, паралич кишечника с псевдо-непроходимостью, синкопальные состояния (обмороки).
• Сердечно-сосудистая система: митохондриальные кардиомиопатии, аритмии, блокады.
• Печень и системы детоксикации: гипогликемические состояния, гепатозы, нарушение глюконеогенеза.

Так как главной причиной митохондриальной дисфункции является образование свободных радикалов и накопление митохондриальных повреждений, то самое логичное в терапии было бы применение различных антиоксидантов, а также кофакторов, необходимых для работы митохондриальных ферментов.

Как же всё-таки улучшить функцию митохондрий?

• оптимизировать питание, чтобы уменьшить утечку электронов в электрон-транспортной цепи. Ваш рацион должен быть богат различными видами антиоксидантов (ягоды, зелень, водоросли, бобовые, орехи, фрукты, овощи). Здоровое питание – это наиболее мощная стратегия против старения и потери энергии.
• снизить токсическую нагрузку на организм (исключить продукты вызывающие воспаление, алкоголь, курение, бесконтрольный приём лекарственных средств, следить за качеством воды и уменьшить использование пластика в повседневной жизни)
• недопускать дефицитов микронутриентов, учавствующих в производстве АТФ, а также защищающих от окислительного стресса (железо, цинк, медь, магний, марганец, сера, селен,витамин С, витамин E, витамины гр.В, глутамин, цистеин, глицин)
• подключать ежедневную физическую активность, даже повреждённые митохондрии могут наращивать производство АТФ, если постоянно заставлять мышцы работать.

“Интересно, что, как показывают данные исследований, регулярно плавающие во время беременности самки крыс стимулируют биогенез митохондрий в мозга своих эмбрионов! Разумно предположить, что этот эффект относится и к людям, а значит, у нас есть прекрасная возможность заранее защитить наших детей откогнитивных нарушений и поражений нервной системы.”

Интервальные тренировки высокой интенсивности  позволяют особенно эффективно повышать скорость и качество синтеза митохондрий и физической выносливости организма (в сравнении с обычными аэробными упражнениями).

3d rendering of a Mitochondrium – microbiology illustration

Регулярная физическая активность дает возможность решить одновременно две задачи: увеличить число митохондрий (энергетический потенциал) и использовать АТФ, предотвращая энергетический коллапс и утечку электронов из АТФ.

Таким образом, мы имеем несколько путей решения вопроса по укреплению здоровья митохондрий. Так как ни одна терапия не является идеальной, то лучшим вариантом, будет сочетание всех этих методов. То есть сочетание питания, образа жизни, физической активности и снижение токсической нагрузки помогает добиться устойчивых результатов по улучшению самочувствия и профилактики митохондриальной дисфункции. Что означает улучшение качества жизни, восстановление энергии и продление молодости!