Lee Williams

Část I.: Co to vůbec je a proč by mě to mělo zajímat?

Mocná mitochondrie: úvod

Mitochondrie, které z hodin biologie známe jako „elektrárny“ buněk, jsou titěrné baterie, které konvertují kyslík a látky získané z jídla na energii (ATP), kterou využíváme k pohybu, myšlení a psaní blogů. Právě teď tihle mrňouskové přijímají kyslík, který dýcháte, a vámi vydechovaný oxid uhličitý je vedlejší produkt jejich fantastického procestu tvorby energie.

Vždycky ale v našich buňkách nebyly. Před miliardami let se bakterie setkala s archeonem přesně v tom pravém okamžiku – v kraťoučkém časovém úseku, který měl větší šanci neudát se, než se uskutečnit. To nakonec vedlo k zformování eukaryot, mnohobuněčných životních forem, v nichž má každá bakterie jádro a spolu s ostatními tvoří komplexni organismy, jako jsme my. Ta bakterie je v tomto vztahu Mocná mitochondrie, která poskytuje energii každému našemu pohybu, a jak uvidíme později, disponuje mocí nad samotným životem a smrtí.

Mitochondrie mají dokonce svoji vlastní DNA (mtDNA), která je kruhová a má mnoho kopií – jako bakteriální DNA. Lidé a další eukaryoti mají lineární DNA a pouhé dvě kopie každého genu. Podobně jako bakterie si i mitochondrie mohou vzájemně vyměňovat geny, když se nějaký poškodí. Bakterie si mohou předávat geny v bakteriálním společenství. Když má jedna z nich gen, který se osvědčí, sdílí ho s kolonií a on se rozšíří. Takhle vzniká například rezistence k antibiotikům. Tomuto procesu se říká laterální genový transfer. Mitochondriální DNA má celkem 37 genů, z nichž 13 kóduje třináct kritických podjednotek elektronového transportního řetězce (o tom více později). Jen pro srovnání, lidský genom má 22 000 genů. Během těch mnoha let raného vývoje eukaryotní buňky si zbytek mitochondriálních genů vyhledal útočiště, jímž je samozřejmě buněčné jádro. O tom, proč si po těch milionech let mitochondrie ponechala oněch 37 genů, z nichž 13 je kriticky důležitých, a zbytek odeslala do jádra, si povíme později.

Jelikož je příroda známá jako „matka příroda“, dědí se mitochondrie po mateřské linii a po otcovské jen vzácně. Takže jste mitochondrie, které vám teď bzučí v buňkách, podědili po matce. Za to jí můžete buď poděkovat, nebo si s ní rozčileně podebatovat. Mitochondrie se také umí spojit s jinou a pak se zas rozdělit na dvě. Během spojení si vymění geny a opraví škody a při rozdělení probíhá vyřazování dysfunkčních kusů, takzvaná mytofágie. Dělení mitochondrií se říká mitochondriání biogeneze. (Je prokázáno, že cvičení a hromada dalších triků tuto biogenezi zintenzivňuje.) Proč byste měli chtít víc mitochondrií? To si hned vysvětlíme.

Bez mitochondrií nebo něčeho podobného by dnes mnohobuněčný život, jak ho známe, neexistoval a totéž lze říct o životě na jiných planetách. Život by se nikdy nedostal nad úroveň prvotního slizu – kvůli energetickým požadavkům na komplexní mnohobuněčný život s rozsáhlejším genomem.

Bakterie se nikdy nevyvinuly dál, protože dosáhly stavu energetické efektivity a nemají dost energie, aby si podržely rozsáhlejší genom a rychle se reprodukovaly i s ním. Tím je jejich složitost omezena. Větší genom se během dělení déle replikuje a vyžaduje více energie. Ve světě baterií jde o to, abyste se dělili rychleji než váš soused. Velký genom by byl překážkou přežití jakéhokoli druhu bakterií.

Stejně jako bakterie jsou i mitochondrie malé. Nyní jsou uvězněny uvnitř našich buněk a ve vnějším světě by už přežít nedokázaly. Počet mitochondrií na buňku se různí. Některé naše buňky jich mají jen pár a jiné tisíce. Například buňky mozku a srdce mají vzhledem k vysokým metabolickým požadavkům těchto tkání několik tisíc mitochondrií. Ti maličcí tvorečkové žijí s našimi buňkami v symbióze. Dávají nám energii (ATP), abychom mohli provádět každodenní úkony, a my jim dáváme živiny a kyslík. To vypadá jako rozumný obchod, ale kdo je pán a kdo otrok?

Samuraj uvnitř buňky

Tyhle maličké pohyblivé baterie nejsou nikterak bezvýznamné, mají dokonce velkou moc. Mitochondrie totiž mohou vyvolat proces zvaný apoptóza, čili záměrná buněčná smrt. Za vhodných okolností se spustí určité biochemické reakce, vnější membrána se stane prostupnější pro volné radikály a mitochondrie uvolní cytochorom C (jenž se nachází v elektronovém transportním řetězci). Cytochrom C je součástí elektronového transportního řetězce, který, jak název napovídá, zajišťuje přesun elektronů při tvorbě ATP. Představuje doslova hranici mezi životem a smrtí buňky. Když je na svém místě v řetězci, pomáhá tvořit energii; když se z řetězce dostane do buňky, způsobuje její smrt.

Pokud buňka nefunguje správně nebo pokud je to nutné pro blaho celého organismu, mitochondrie spouštějí apoptózu. Aby buňka spáchala apoptózu, je nutno aktivovat mnoho kanálů, ale jakmile k tomu dojde, skončila pro ni hra. Game over. Po apoptóze proběhne recyklace a po smrti, k níž došlo, zakrátko není ani stopy. Čistá práce, jak od profesionálního nájemného zabijáka. Buňka, která nezemře ve vhodný čas, může vyvolat temný stín evoluce: rakovinu. Ten stín přiměje buňku, aby přestala dbát na blaho celku a starala se jen o své krátkodobé blaho, o překotné dělení a sobecké rozrůstání se. Mitochondrie zajišťují vnitřní cestu aktivace apoptózy – ještě existuje vnější.

Je několik důvodů, proč buňky páchají apoptózu: 1) Vývojové, například když se na ručičkách embrya formují prsty. Před narozením se takto „prořeže“ skoro 80 % neuronů, aby mohl mozek správně fungovat. 2) Vnější, například působení toxinů a intenzivního slunečního záření. 3) Virové infekce – v tomto případě dochází častěji k vnější aktivaci. Buňky imunitního systému si povšimnou, že buňka je zvnějšku „označena“ proteiny a aktivují její smrt. Některé viry umí „přesvědčit“ i mitochondrie, aby jim pomohly déle zůstat naživu, například virus hepatitidy C. 4) Neefektivní tvorba energie.

V našem těle vládne komunismus – vše pro blaho celku. Jakmile buňka začne projevovat příliš mnoho individualismu, zatne se jí tipec. Tihle rebelové se snadno mohou stát rakovinotvornými. Vzpomenou si na časy jednobuněčných organismů, které myslely jen na sebe, množily se a konzumovaly zdroje neskutečnou rychlostí. Místo aby se taková buňka zabila pro dobro mnohobuněčného organismu, jehož je součástí, neváhá celé společenství ohrozit, jen aby mohla žít o den déle. V lidském těle denně provede apoptózu 50 – 70 miliard buněk.

Opakem apoptózy, programované buněčné smrti, je nekróza. Místo složitého tance vzájemně propojených reakcí, které vedou ke smršťování a elegantní recyklaci buňky, je nekróza mnohem větší drama. Buňka praská, nepořádek je všude. Nekróza už není čistá práce: po téhle násilné smrti zůstává krev na chodníku, policie načrtává obrysy těla a za žlutočernou páskou si láme hlavu, co se to přesně stalo. V organismu se na místě prasklé buňky rozvíjí zánět.

Elektronový transportní řetězec: hra na horkou bramboru

Elektronový transportní řetězec se v mitochondriích nachází na vnitřní membráně (viz obr.).

Těchto řetězců jsou v každé mitochondrii často tisíce a v buňce zhusta bývají stovky až tisíce mitochondrií. Ty malé proteiny označené „I, II, III, IV“ jsou komplexy, které si mezi sebou předávají elektrony jako horké brambory. Elektrony pocházejí z rozštěpených nutričních látek. Jak se elektrony předávají po řetězci, pumpují se do mezimembránového prostoru protony, čímž vzniká spád. Hra na horký brambor začíná v cyklu kyseliny citronové a pak se posunuje do komplexu I až IV; vedlejším produktem je voda.

Komplexy jsou neustále v pohybu – buď v nich dochází k redukci (získávají elektron), nebo oxidaci (ztrácejí elektron). Aby mohl proces fungovat, potřebuje kyslík. Proto je naše dýchání aerobní, a ne anaerobní (bez přítomnosti kyslíku). Co je na tomto procesu fascinující (krom toho, že k němu vůbec dochází), je to, že využívá těch samých metod kladného/záporného náboje a proudění elektronů jako uměle vyráběné baterie. Zdá se, že máme leccos společného s králíčkem Duracell.

Jak elektrony procházejí jednotlivými komplexy, pumpují se do prostoru mezi vnitřní a vnější membránou protony. Tím vzniká jakýsi spád, který nutí protony k pohybu určitým směrem – k ATP syntáze, což je nejmenší rotační motor na světě. Když se k ní protony dostanou, nutí je to točit „motorem“, který konvertuje ADP (adenosindifosfát) na ATP (adenosintrifosfát) tím, že k němu přidá jeden fosfátový ion. Tomuto procesu se říká fosforylace, a jelikož probíhá za přítomnosti kyslíku, je to oxidační fosforylace. Pak se ATP odveze tam, kde je v buňce potřeba a tam se zase změní na ADP, aby se mohlo zas recyklovat. Při konverzi ATP zpět na ADP se v buňce vytváří mechanická energie, aby mohla buňka provádět své procesy. Poměr ADP k ATP má pro buňku nanejvýš zásadní význam. Asi 90 % veškeré energie, která se v těle využije, pochází z mitochondrií a průměrný člověk za den vytvoří asi 60 kilo ATP.

Takhle se točí „motůrek“ ATP syntázy:

Všechno živé na Zemi má jednu věc společnou: pumpování protonů po „svahu“ za účelem výroby energie.

Bez mitochondrií bychom si co do energie neškrtli

Procesem oxidační fosforylace vzniká mnohem více ATP než při anaerobním dýchání (kdy dochází ke vzniku ATP bez kyslíku mimo mitochondrie za pomoci glykolýzy). Při porovnání na jednu molekulu glukózy je rozdíl obzvlášť zřejmý: při glykolýze na 1 molekulu glukózy vznikají dvě molekuly ATP (mimo mitochondrie), zatímco při aerobním dýchání je to 36 molekul ATP (uvnitř mitochondrií). Při beta oxidaci jich vzniká dokonce 129 (fíha!). Beta oxidace je štěpení molekul mastných kyselin, opět uvnitř mitochondrií.

Ale moment, to není všechno…

Dalším zdrojem energie, který má naše tělo k dispozici vedle glukózy, jsou ketony. Odhadnete, kde se ketony vytvářejí? Správně, v mitochondriích. Ketony vznikají v mitochondriích jater. Jedna studie ukázala, že ketogenní dieta zpomalila mitochondriální myopatii (nemoc svalstva) u myší tím, že zvýšila počet nových mitochondrií (to je mitochondriální biogeneze)(1). O tom si více povíme později.

Když štěpíme tuky na energii, vznikají malé molekuly, právě tyto ketony, které se používají k tvorbě ATP místo glukózy. To vede k lepšímu fungování mitochondrií, vyšší hladině ATP a lepšímu celkovému zdraví buněk (2). Z některých studií vyplývá, že srdce dává ketonům přednost před glukózou (3).

Mitochondrie jsou zároveň počátečním místem tvorby steroidních hormonů, jejichž klíčovou součástí je cholesterol – včetně kortizolu, estrogenu, progesteronu a testosteronu.

-pokračování-